Конструкция и принцип действия трехфазных трансформаторов

§1. Конструкция и принцип действия трансформаторов

Трансформаторы различают:
по уровню мощности – малой мощности, с номинальной мощностью 5 кВ·А и ниже у трехфазных и 4 кВ·А и ниже у однофазных; силовые однофазные и трехфазные трансформаторы большей мощности;

по назначению – силовые трансформаторы систем энергоснабжения, предназначенные для преобразования электрической энергии с целью ее передачи и распределения с наилучшими технико-экономическими показателями; трансформаторы питания – трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрических сетей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры, маломощного электрического оборудования и бытовых устройств, статических преобразователей энергии и т.д.; измерительные трансформаторы, расширяющие пределы измерения амперметров, вольтметров и ваттметров переменного тока; импульсные трансформаторы, предназначенные для формирования, передачи и преобразования импульсных сигналов;

по числу фаз – одно- и трехфазные; трансформаторы с числом фаз более трех встречаются только в некоторых специальных схемах;

по числу обмоток в фазе – двух- и многообмоточные.

Трансформаторы выполняют либо с воздушным, либо с масляным охлаждением; каждый из способов может быть либо с естественным теплообменом, либо с принудительной вентиляцией. В автоматических системах наиболее распространены однофазные и трехфазные трансформаторы питания малой мощности с воздушным охлаждением.

Конструкция однофазных трансформаторов питания.
Основные части трансформаторов – обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 – 0,35 мм.

Рис. 1.1

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Конструктивные схемы таких двухобмоточных трансформаторов с ленточным магнитопроводом представлены соответственно на рис. 1.1, а-в. Магнитопровод 1 навивают из узкой ленты на станках; при этом магнитопровод броневого типа (рис. 1.1, б) собирают из двух магнитопроводов стержневого типа. Слои ленты изолируют друг от друга тонким слоем окисла, пленкой лака или бумагой с целью уменьшения вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком. Навитые магнитопроводы трансформаторов стержневого и броневого типов разрезают на две половины по линии А-А для создания возможности монтажа на них заранее намотанных обмоток. После монтажа обмоток половины вновь соединяют и плотно стягивают специальными обжимами. Использование ленты, нарезанной вдоль направления наибольшей магнитной проницаемости материала, позволяет создавать магнитопроводы на всех участках которых магнитный поток идет по пути наименьшего магнитного сопротивления материала. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют стержнями, остальные участки – ярмом. Для обеспечения постоянной магнитной индукции по всему магнитопроводу у трансформаторов броневого типа ширина центрального стержня в два раза больше, чем боковых участков ярма.

Обмотка трансформатора – это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков. Обмотки 3, 4 трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас 2 или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, – вторичными. Если на стержне в пределах катушки первичные и вторичные обмотки располагаются концентрично одна поверх другой, их называют концентрическими (рис. 1.1, a). При этом у стержневого трансформатора в катушках расположено по половине витков каждой из обмоток. Возможно раздельное расположение первичных и вторичных обмоток на каждом из стержней, но магнитная связь обмоток в этом случае ухудшается.
Если обмотки чередуются в осевом направлении стержня в виде отдельных катушек, имеющих форму дисков, их называют чередующимися (рис. 1.1, б). В кольцевых трансформаторах (рис. 1.1, в) обмотки наматывают непосредственно на изолированный магнитопровод одна поверх другой по всей длине магнитопровода, при этом на внутренней стороне кольца слоев получается больше, чем на внешней.
Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу. Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода.

Рис. 1.2

Магнитопроводы трансформаторов, собранные из штампованных листов, представлены на рис. 1.2. Магнитопроводы стержневых трансформаторов собирают из листов П-образной формы (рис. 1.2, а), броневых – из Ш-образной формы (рис. 1.2, б), кольцевых – из колец (рис. 1.2, в).

Принцип действия трансформатора.

Принцип действия рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 1.3), первичная обмотка которого с числом витков w₁ включена в однофазную сеть переменного тока с напряжением u₁, а вторичная обмотка с числом витков w₂ замкнута на сопротивление нагрузки Z_н. Под действием приложенного напряжения u₁ по первичной обмотке протекает ток i₁, создающий МДС первичной обмотки F₁= i₁w₁, которая приводит к появлению переменного магнитного потока. Основная часть потока (поток взаимоиндукции Ф₀) замыкается по магнитопроводу, сцепляется с обеими обмотками и наводит в них ЭДС e₁ и e₂. Небольшая часть потока Ф_σ1, называемая потоком рассеяния первичной обмотки, замыкается по воздуху непосредственно вокруг этой обмотки.

Рис. 1.3

Во вторичной обмотке ЭДС e 2 вызывает ток i 2 , на сопротивлении нагрузки Z н снимается выходное напряжение u 2 =i 2 Z н и выходная мощность P 2 =u 2 i 2 Одновременно ток i 2 создает МДС вторичной обмотки F 2 =i 2 w 2 , направление которой в контуре магнитопровода определяется по правилу Ленца. Значение потока взаимоиндукции Ф 0 определяется результирующим действием МДС F 1 и F 2 . В обеих обмотках ЭДС взаимоиндукции определяются в соответствии с законом электромагнитной индукции:

e 1 =-w 1 dФ 0 /dt; e 2 =-w 2 dФ 0 /dt (1.1)

Поток Ф σ1 наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке:

e σ1 =-L σ1 di 1 /dt, (1.2)
где L σ1 – индуктивность первичной обмотки, соответствующая потоку рассеяния.

При увеличении тока нагрузки i 2 МДС F 2 стремится уменьшить поток Ф 0 и тем самым – ЭДС e 1 . Поскольку трансформаторы выполняют с минимальными потоками рассеяния и минимальным активным сопротивлением обмоток, основная часть приложенного напряжения u 1 уравновешивается ЭДС e 1 , которая направлена в контуре обмотки встречно напряжению u 1 ; при неизменной амплитуде напряжения u 1 ток i 1 увеличивается. Таким образом, приращение выходной мощности покрывается за счет приращения потребляемой мощности P 1 =u 1 i 1 . Увеличение тока i 1 приводит к увеличению МДС F 1 , и поток Ф 0 восстанавливается до прежнего значения. Небольшое уменьшение потока может быть вызвано падением части приложенного напряжения на сопротивлении обмотки. Это изменение тем больше, чем меньше мощность трансформатора, однако при изменении тока нагрузки от нуля (холостой ход) до номинального значения оно не превышает нескольких процентов. Магнитодвижущая сила F 1 вызывает также появление потока рассеяния вторичной обмотки Ф σ2 , наводящего ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке:

e σ2 = -L σ2 di 2 /dt (1.3)

При допущении о линейной зависимости индукции от напряженности магнитного поля и отсутствии гистерезиса в магнитной системе трансформатора можно утверждать, что в трансформаторе, подключенном к сети переменного синусоидального напряжения, все токи, потоки, ЭДС и напряжения изменяются по синусоидальному закону. Напряжение u 1 , приложенное к первичной обмотке, уравновешивается в основном наведенной ЭДС взаимоиндукции, т.е. u 1 ≈ -e 1 . При синусоидальном напряжении источника u 1 =U 1m sinωt выражение (1.1) можно представить в виде
dФ 0 ≈(u 1 /w 1 )dt=(U 1m /w 1 )sinωtdt (ω=2πf – угловая частота напряжения), откуда после интегрирования получим выражение для потока:

Ф 0 = ∫(u 1 /w 1 )dt=- Ф m cosωt, (1.4)
Ф m ≈ U 1m /(w 1 ω)= U 1 /(4,44fw 1 ) (1.5)

Ф m – амплитудное значение потока Ф 0 .
Из (1.5) видно, что амплитуда основного магнитного потока определяется амплитудой U 1m , угловой частотой первичного напряжения ω и числом витков w 1 первичной обмотки.
Подставив (1.4) в (1.1), после дифференцирования получим

e 1 =-E 1m sinωt; e 2 = -E 2m sinωt (1.6)
где E 1m =ωФ m w 1 ; E 2m =ωФ m w 2 – амплитудные значения ЭДС взаимоиндукции.

Из формулы (1.6) видно, что ЭДС e 1 и e 2 совпадают друг с другом по фазе и отстают от вызывающего их магнитного потока на 90°. При переходе к действующим значениям ЭДС получаем:

E 1 =4,44fФ m w 1 ; E 2 =4,44fФ m w 2 (1.7)

Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:

K т =E 1 /E 2 =w 1 /w 2 (1.8)

Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.

Ток, необходимый для создания магнитного потока и являющийся по характеру реактивным (индуктивным), называют намагничивающим током трансформатора I 0p . Он протекает по первичной обмотке независимо от того, нагружен трансформатор или нет, и является основной составляющей тока холостого хода (х.х.) трансформатора. По закону Ома для магнитной цепи:

Ф m = √2·I 0p w 1 /R м (1.9)
где R м – магнитное сопротивление магнитопровода трансформатора.

Преобразуя (1.9) с учетом (1.5), получим: I 0p =Ф m R м /(√2·w 1 )=U 1 R м /(6,28f·w 1 2 )

Как видно, намагничивающий ток прямо пропорционален магнитному сопротивлению магнитопровода. Поэтому при проектировании и изготовлении магнитопроводов трансформаторов следует сводить к минимуму воздушные зазоры на пути основного магнитного потока, так как магнитная проницаемость воздуха значительно меньше магнитной проницаемости ферромагнитных материалов.
Необходимо отметить, что в реальных трансформаторах перемагничивание магнитопроводов происходит по нелинейному закону (петля намагничивания). Поэтому временной закон изменения ЭДС, токов и напряжений в зависимости от степени насыщения сердечника может более или менее отличаться от синусоидального.
Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:

ΔP э =I 1 2 R 1 +I 2 2 R 2 (1.10)
где R 1 и R 2 – активные сопротивления обмоток.

Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.
Мощность ΔP м , называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса.
Значение ΔP м зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Как видно из (1.5), поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ΔP м называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, то ΔP м

U 1 2 . Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.
Потери ΔP м выделяются в трансформаторе и в режиме х.х., поэтому при х.х., не отдавая полезной выходной мощности, трансформатор потребляет от источника некоторую активную мощность, идущую на покрытие потерь. Следовательно, в токе х.х. I 0 имеется активная составляющая I 0a , которая обычно не превышает 10% от намагничивающей составляющей тока х.х. I 0p . У трансформаторов большой и средней мощности ток I 0 = I 0a +j I 0p не превышает 2-10% от номинального; у трансформаторов микромощности его значение может достигать 40-60% от номинального.
Следует отметить, что наряду с трансформаторами, имеющими фиксированный коэффициент трансформации, выпускается ряд типов трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением. В основном регулирование осуществляется изменением соотношения между числами витков первичной и вторичной обмоток. При ступенчатом регулировании обмотка, обычно вторичная, имеет ряд ответвлений с различным числом витков. Выводы ответвлений подведены к переключателю. Для плавного регулирования трансформатор может быть выполнен со скользящим контактом – щетками, перемещающимися по неизолированной контактной дорожке на поверхности проводников вторичной обмотки и подключающими к выходу различное число витков.

Трехфазные трансформаторы.
Трехфазные трансформаторы мощностью в единицы и десятки кВ·А обычно выполняют с единой магнитной системой фаз; в этом случае конструкция магнитной системы напоминает конструкцию магнитной системы однофазного броневого трансформатора (см. рис. 1.1, б) с той лишь разницей, что здесь поперечное сечение всех трех стержней одинаковое (рис. 1.4, а). Большими буквами A, B, C обозначаются выводы обмотки высокого напряжения, малыми a, b, c – выводы низкого напряжения. Основные схемы соединения обмоток фаз – звезда и треугольник. При схеме звезд (Y) (рис. 1.4, б) концы обмоток x, y, z соединяются в общую нулевую точку, начала a, b и c подсоединяют к внешней цепи; при схеме треугольник (Δ) (рис. 1.4, в) поочередно соединяют начала и концы обмоток фаз. ГОСТом рекомендуются следующие схемы соединения обмоток: Y/Y 0 , Y/Δ и Y 0 /Δ ; для трансформаторов малой мощности допускаются также схемы Δ/Δ , Δ/Y и Δ/Y 0 .Схема Y 0 означает соединение звездой с выведенной нулевой точкой. У трехфазных трансформаторов наряду с рекомендуемой схемой соединения обмоток указывается номер группы (от 0 до 12) трансформатора, соответствующий данной схеме. Группа характеризует сдвиг по фазе между первичным и вторичным линейными напряжениями трансформатора. Для параллельной работы должны подключаться трансформаторы, имеющие одинаковое выходное напряжение и принадлежащие к одной группе, чтобы не возникали уравнительные токи из-за разницы фаз выходных напряжений.

Рис.1.4

Трехфазные трансформаторы широко используются в качестве трансформаторов статических преобразователей, применяемых для питания электроприводов.

Импульсные трансформаторы.
Импульсные трансформаторы применяют в радиоэлектронике и вычислительной технике для преобразования кратковременных сигналов с крутыми фронтами, в основном прямоугольных импульсов длительностью до долей микросекунды. Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, заключается в минимальном искажении формы импульсов и снижении длительности фронтов импульсов. Искажение объясняется нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопровода, наличием потоков рассеяния обмотки и увеличивающимся, по мере возрастания частоты импульсов, влиянием вихревых токов в магнитопроводе и паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей. В частности, электромагнитная постоянная времени трансформатора, определяющая длительность фронтов импульса, тем больше, чем больше индуктивность рассеяния, паразитная емкость обмоток и вихревые токи. Уменьшение рассеяния в импульсных трансформаторах достигается использованием кольцевых магнитопроводов, уменьшение вихревых токов – использованием магнитопроводов из феррита или тонкой пермаллоевой ленты, уменьшение емкости – специальной схемой укладки проводов и металлическими экранами. Линейность намагничивания обеспечивается выбором соответствующего материала магнитопровода и малыми значениями индукции.
Следует иметь в виду, что трансформация прямоугольных импульсов возможна только в том случае, если длительность импульсов t и значительно меньше полной электромагнитной постоянной времени первичной обмотки. Это означает, что намагничивающий ток и магнитный поток за время tи не будут достигать установившегося значения. В противном случае в трансформаторе установится постоянный поток и выходная ЭДС будет равна нулю.

Рис.1.5

Принцип передачи прямоугольного импульса напряжения через трансформатор (рис. 1.5) рассмотрим, считая трансформатор идеальной индуктивностью с потоком Ф0, замыкающимся только по магнитопроводу. В этом случае u 1 ≈ -e 1 и, аналогично (1.4), проинтегрировав, при u 1 =U 1 =const получим закон изменения потока в пределах импульса:

Ф 0 =∫(u 1 /w 1 )dt= U 1 t/w 1 (1.11)

т.е. поток нарастает в пределах импульса по линейному закону. Подставив (1.11) в (1.1) для e 2 , получим

e 2 = – U 1 w 2 /w 1 = – U 1 /K т (1.12)

т.е. функция e 2 (t) представляет собой прямоугольный импульс. В действительности по указанным выше причинам закон изменения выходной ЭДС и напряжения отличается от прямоугольного (кривая e 2д ).

Что такое трехфазный трансформатор тока, схема подключения, конструкция и типы

В данной статье вы узнаете что такое трехфазный трансформатор тока, какие бывают его соединения, подробно опишем его конструкцию.

Описание трехфазного трансформатора

До сих пор мы рассматривали конструкцию и работу однофазного двухобмоточного трансформатора напряжения, который можно использовать для увеличения или уменьшения его вторичного напряжения по отношению к первичному напряжению питания. Но трансформаторы напряжения также могут быть сконструированы для подключения не только к одной однофазной, но и для двухфазных, трехфазных, шестифазных и даже сложных комбинаций до 24 фаз для некоторых выпрямительных трансформаторов постоянного тока.

Если мы возьмем три однофазных трансформатора и соединим их первичные обмотки друг с другом и их вторичные обмотки друг с другом в фиксированной конфигурации, мы можем использовать трансформаторы от трехфазного источника питания.

Трехфазные, также записанные как 3-фазные или 3φ источники питания, используются для выработки, передачи и распределения электроэнергии, а также для всех промышленных применений. Трехфазные источники питания имеют много электрических преимуществ по сравнению с однофазными, и при рассмотрении трехфазных трансформаторов нам приходится иметь дело с тремя переменными напряжениями и токами, различающимися по фазе на 120 градусов, как показано ниже.

Трехфазные напряжения и токи

Трансформатор не может действовать как устройство для изменения фазы и превращать однофазное в трехфазное или трехфазное в однофазное. Чтобы обеспечить совместимость трансформаторных соединений с трехфазными источниками питания, нам необходимо соединить их особым образом, чтобы сформировать конфигурацию трехфазного трансформатора.

Трехфазный трансформатор или 3φ трансформатор может быть сконструирован либо путем соединения вместе три однофазных трансформатора, тем самого образуя так называемый трехфазный трансформаторный блок, или с помощью одного предварительно собранного и сбалансированного трехфазного трансформатора, который состоит из трех пар однофазных обмоток, установленные на одном ламинированном сердечнике.

Преимущества создания одного трехфазного трансформатора в том, что при одинаковой номинальной мощности кВА он будет меньше, дешевле и легче, чем три отдельных однофазных трансформатора, соединенных вместе, поскольку медный и железный сердечник используются более эффективно. Способы подключения первичной и вторичной обмоток одинаковы, будь то использование только одного трехфазного трансформатора или трех отдельных однофазных трансформаторов. Рассмотрим схему ниже:

Трехфазные трансформаторные соединения

Первичная и вторичная обмотки трансформатора могут быть подключены в различной конфигурации, как показано выше, для удовлетворения практически любых требований. В случае трехфазных обмоток трансформатора возможны три формы подключения: «звезда», «треугольник» и «взаимосвязанная звезда».

Комбинации трех обмоток могут быть с первичным соединенным треугольником и вторичной соединенной звездой, или звезда-треугольник, звезда-звезда или треугольник, в зависимости от использования трансформаторов. Когда трансформаторы используются для обеспечения трех или более фаз, их обычно называют многофазным трансформатором .

Трехфазный трансформатор звезда и треугольник

Но что мы подразумеваем под «звездой» (также известной как тройник) и «треугольником» (также известной как сетка) при работе с трехфазными трансформаторными соединениями. Трехфазный трансформатор имеет три комплекта первичной и вторичной обмоток. В зависимости от того, как эти наборы обмоток связаны между собой, определяется, является ли соединение звездой или треугольником.

Три доступных напряжения, каждое из которых смещено друг от друга на 120 электрических градусов, не только определяют тип электрических соединений, используемых на первичной и вторичной сторонах, но и определяют поток токов трансформатора.

При подключении трех однофазных трансформаторов магнитный поток в трех трансформаторах различается по фазе на 120 градусов. С одним трехфазным трансформатором в сердечнике есть три магнитных потока, различающихся по фазе времени на 120 градусов.

Стандартный метод маркировки трехфазных обмоток трансформатора заключается в маркировке трех первичных обмоток заглавными (заглавными буквами) буквами A, B и C , которые используются для обозначения трех отдельных фаз КРАСНОГО, ЖЕЛТОГО и СИНЕГО (см. картинку ниже). Вторичные обмотки помечены маленькими (строчными буквами) буквами a, b и c. Каждая обмотка имеет два конца, обычно обозначенные 1 и 2, так что, например, вторая обмотка первичной обмотки имеет концы, которые будут обозначены как В1 и В2, в то время как третья обмотка вторичной обмотки будет обозначена с1 и с2, как показано ниже.

Символы обычно используются на трехфазном трансформаторе для обозначения типа или типов соединений, используемых в верхнем регистре Y для подключения звездой, D для подключения треугольником, звезды и Z для взаимосвязанных первичных обмоток звезды, со строчными буквами y, d и z для их соответствующих вторичных. Тогда звезда-звезда будет обозначаться как Yy, дельта-дельта будет обозначаться как Dd, а взаимосвязанная звезда и взаимосвязанная звезда будут Zz для однотипных подключенных трансформаторов.

Таблица идентификация обмотки трансформатора

Соединение	Первичная обмотка	Вторичная обмотка
Треугольник (дельта)	D	d
Звезда	Y	y
Взаимосвязанное	Z	z

Теперь мы знаем, что существует четыре различных способа соединения трех однофазных трансформаторов между их первичной и вторичной трехфазными цепями. Эти четыре стандартные конфигурации представлены как: Дельта-Дельта (Dd), Звезда-Звезда (Yy), Звезда-Дельта (Yd) и Дельта-Звезда (Dy).

Трансформаторы для работы под высоким напряжением со звездообразными соединениями имеют то преимущество, что снижают напряжение на отдельном трансформаторе, уменьшают необходимое количество витков и увеличивают размер проводников, делая обмотки катушек легче и дешевле для изолирования, чем дельта-трансформаторы.

Тем не менее, соединение треугольник-треугольник имеет одно большое преимущество перед конфигурацией звезда-треугольник, заключающееся в том, что если один трансформатор из группы трех должен выйти из строя или отключиться, два оставшихся будут продолжать выдавать трехфазную мощность с мощностью, равной приблизительно две трети первоначальной мощности трансформаторного блока.

Трансформатор дельта-дельта соединения

В дельта подключении ( Dd ) группа трансформаторов, напряжение линии V _L равно напряжению питания V _L = V _S . Но ток в каждой фазной обмотке задается как: 1 / √ 3 × I _L тока линии, где I _L — ток линии.

Один из недостатков трехфазных трансформаторов, соединенных треугольником, состоит в том, что каждый трансформатор должен быть намотан для напряжения полной линии (в нашем примере выше 100 В) и для 57,7% линейного тока. Большее число витков в обмотке, вместе с изоляцией между витками, требует большей и более дорогой катушки, чем звездное соединение. Другим недостатком трехфазных трансформаторов, соединенных треугольником, является отсутствие «нейтрального» или общего подключения.

В схеме «звезда-звезда» ( Yy ) каждый трансформатор имеет одну клемму, соединенную с общим соединением, или нейтральную точку с тремя оставшимися концами первичных обмоток, подключенными к трехфазному сетевому питанию. Число витков в обмотке трансформатора для соединения «звезда» составляет 57,7% от требуемого для соединения треугольником.

Соединение звездой требует использования трех трансформаторов, и если какой-либо один трансформатор выйдет из строя или отключится, вся группа может быть отключена. Тем не менее трехфазный трансформатор со звездообразным соединением особенно удобен и экономичен в системах распределения электроэнергии, поскольку четвертый провод может быть подключен в качестве нейтральной точки ( n ) из трех вторичных проводов, как показано на рисунке.

Трансформатор звезда-звезда соединения

Напряжение между любой линии трехфазного трансформатора называется «линейное напряжение» V _L , в то время как напряжение между линией и нейтральной точкой трансформатора с соединением звезда называется «фаза напряжения» V _P . Это фазовое напряжение между нейтральной точкой и любым из подключений к линии составляет 1 / √ 3 × V _L от напряжения сети. Тогда выше, напряжение фазы первичной стороны V _P задается как:

Вторичный ток в каждой фазе группы трансформаторов соединенных «звездой» такое же, что и для линии тока питания, то I _L = I _S .

Тогда соотношение между линейными и фазовыми напряжениями и токами в трехфазной системе можно суммировать как:

Соединение	Фазовое напряжение	Линейное напряжение	Фазный ток	Линия тока
Звезда	V _P = V _L ÷ √ 3	V _L = √ 3 × V _P	I _P = I _L	I _L = I _P
Дельта	V _P = V _L	V _L = V _P	I _P = I _L ÷√ 3	I _L = √ 3 × I _P

Где, опять же, V _L — это напряжение между линиями, а V _P — это напряжение между фазами и нейтралью на первичной или вторичной стороне.

Другими возможными соединениями для трехфазных трансформаторов являются звезда-треугольник Yd, где первичная обмотка соединена звездой, а вторичная обмотка соединена треугольником или треугольником Dy с первичным соединением первичной обмотки и вторичной обмоткой со звездой.

Трансформаторы с соединением треугольником и звездой широко используются при низком распределении мощности, при этом первичные обмотки обеспечивают трехпроводную сбалансированную нагрузку для коммунального предприятия, а вторичные обмотки обеспечивают требуемое нейтральное или заземляющее 4-проводное соединение.

Когда первичная и вторичная обмотки имеют разные типы соединений обмотки, звезда или треугольник, общее отношение витков трансформатора становится более сложным. Если трехфазный трансформатор подключен как дельта-дельта ( Dd ) или звезда-звезда ( Yy ), то трансформатор может иметь отношение витков 1: 1. То есть входные и выходные напряжения для обмоток одинаковы.

Однако, если 3-фазный трансформатор соединен звезда-треугольник, ( Yd ) каждое звездообразное соединение первичной обмотки будет получать напряжение фазы V _P от источника, который равен 1 / √ 3 × V _L .

Тогда каждая соответствующая вторичная обмотка будет иметь то же самое напряжение, индуцированное в ней, и, поскольку эти обмотки соединены треугольником, напряжение 1 / √ 3 × V _L станет напряжением вторичной линии. Затем при соотношении витков 1: 1 трансформатор, подключенный по схеме звезда-треугольник, будет обеспечивать коэффициент линейного напряжения с понижением √ 3 : 1 .

Тогда для трансформатора, подключенного звезда-треугольник ( Yd ), отношение витков становится равным:

Аналогично, для дельта-звезда ( Dy ) соединенный трансформатор, с 1: 1 соотношением витков, трансформатор будет обеспечивать 1: √ 3 соотношение повышающего линейного напряжения. Тогда для трансформатора, соединенного треугольником-звезда, отношение витков становится равным:

Затем для четырех основных конфигураций трехфазного трансформатора мы можем перечислить вторичные напряжения и токи трансформатора по отношению к напряжению первичной линии, V _L и его току первичной линии I _L, как показано в следующей таблице.

Где: n равно числу витков трансформатора числа вторичных обмоток N _S, деленной на число первичных обмоток N _P . ( N _S / N _P ) и V _L — линейное напряжение, при этом V _P — это напряжение между фазой и нейтралью.

Пример трехфазного трансформатора

К первичной обмотке трансформатора 50 ВА, подключенного к треугольнику ( Dy ), подключено трехфазное питание 100 В, 50 Гц. Если трансформатор имеет 500 витков на первичной обмотке и 100 витков на вторичной обмотке, рассчитайте вторичные стороны напряжений и токов.

Приведенные данные: номинальный трансформатор, 50 ВА, напряжение питания, 100 В, первичные витки 500 , вторичные витки, 100.

Получается, что на вторичную сторону трансформатора подается линейное напряжение, V _Lоколо 35 В, дающее фазное напряжение, V _P 20 В при 0,834 Ампер.

Конструкция трехфазного трансформатора

Ранее мы уже говорили, что трехфазный трансформатор представляет собой три взаимосвязанных однофазных трансформатора на одном многослойном сердечнике, и можно достичь значительной экономии в стоимости, размере и весе, объединив три обмотки в одну магнитную цепь, как показано на рисунке.

Трехфазный трансформатор обычно имеет три магнитных цепи, которые чередуются, чтобы обеспечить равномерное распределение диэлектрического потока между обмотками высокого и низкого напряжения. Исключением из этого правила является трехфазный трансформатор типа корпусной. В конструкции типа корпусной, даже несмотря на то, что три ядра находятся вместе, они не переплетены.

Трехфазный трансформатор с сердечником является наиболее распространенным методом построения трехфазного трансформатора, позволяя фазам быть магнитно связанными. Поток каждой конечности использует две другие ветви для своего обратного пути с тремя магнитными потоками в сердечнике, создаваемыми линейными напряжениями, различающимися по фазе времени на 120 градусов. Таким образом, поток в сердечнике остается почти синусоидальным, создавая синусоидальное вторичное напряжение питания.

Конструкция трехфазного трансформатора с кожухом пятиступенчатого типа тяжелее и дороже в сборке, чем сердечник. Пятиконтактные сердечники обычно используются для очень больших силовых трансформаторов, так как они могут быть выполнены с уменьшенной высотой. Материалы сердечника трансформаторов типа корпусной, электрические обмотки, стальной корпус и охлаждение практически такие же, как и для более крупных однофазных типов.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Принцип действия и устройство трехфазных трансформаторов

Трехфазный ток можно трансформировать тремя совершенно отдельными однофазными трансформаторами. В этом случае обмотки всех трех фаз магнитно не связаны друг с другом: каждая фаза имеет свою магнитную цепь. Но тот же трехфазный ток можно трансформировать и одним трехфазным трансформатором, у которого обмотки всех трех фаз магнитно связаны между собою, так как имеют общую магнитную цепь.

Чтобы уяснить себе принцип действия и устройства трехфазного трансформатора , представим себе три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень (рис. 1). На каждом из остальных трех стержней наложены первичные и вторичные обмотки (на рис. 1 вторичные обмотки не изображены).

Предположим, что первичные катушки всех стержней трансформатора совершенно одинаковы и намотаны в одном направлении (на рис. 1 первичные катушки намотаны по часовой стрелке, если смотреть на них сверху). Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети.

Токи в катушках трансформатора создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в своей магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сумме дадут ноль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма мгновенных значений их равна нулю в любой момент времени.

Например, если бы в катушке АХ ток I , был наибольший и проходил в указанном на рис. 1 направлении, то магнитный поток был бы равен наибольшему своему значению Ф и был направлен в центральном составном стержне сверху вниз. В двух других катушках BY и CZ токи I2 и I 3 в тот же момент времени равны половине наибольшего тока и имеют обратное направление по отношению к току в катушке АХ (таково свойство трехфазных токов). По этой причине в стержнях катушек BY и CZ магнитные по токи будут равны половине наибольшего потока и в центральном составном стержне будут иметь обратное направление по отношению к потоку катушки АХ. Сумма потоков в рассматриваемый момент равна нулю. То же самое имеет место и для любого другого момента.

Отсутствие потока в центральном стержне не означает отсутствия потоков в остальных стержнях. Если бы мы уничтожили центральный стержень, а верхние и нижние ярма соединили в общие ярма (см. рис. 2 ), то поток катушки АХ нашел бы себе путь через сердечники катушек BY и CZ, причем магнитодвижущие силы этих катушек сложились бы с магнитодвижущей силой катушки АХ. В таком случае мы получили бы трехфазный трансформатор с общей магнитною цепью всех трех фаз.

Так как токи в катушках смещены по фазе на 1/3 периода, то и создаваемые ими магнитные потоки также смещены во времени на 1/3 периода, т. е. наибольшие значения магнитных потоков в стержнях катушек следуют друг за другом через 1/3 периода.

Следствием сдвига по фазе магнитных потоков в сердечниках на 1/3 периода является такой же сдвиг по фазе и электродвижущих сил, индуктируемых как в первичных, так и во вторичных катушках, наложенных на стержнях. Электродвижущие силы первичных катушек почти уравновешивают приложенное трехфазное напряжение. Электродвижущие силы вторичных катушек при правильном соединении концов катушек дают трехфазное вторичное напряжение, которое подается во вторичную цепь.

В отношении конструкции магнитной цепи трехфазные трансформаторы, как и однофазные, разделяются на стержневые рис. 2. и броневые.

Стержневые трехфазные трансформаторы подразделяются на:

а) трансформаторы с симметричной магнитной цепью и

б) трансформаторы с несимметричной магнитной цепью.

На рис. 3 схематически изображен стержневой трансформатор с симметричной магнитной цепью, а на рис. 4 изображен стержневой трансформатор с несимметричной магнитной цепью. Как видно из из трех железных стержней 1, 2 и 3, схваченных сверху и снизу железными накладками-ярмами. На каждом стержне находятся первичная I и вторичная II катушки одной фазы трансформатора.

У первого трансформатора стержни расположены по вершинам углов равностороннего треугольника; у второго трансформатора стержни расположены в одной плоскости.

Расположение стержней по вершинам углов равностороннего треугольника дает равные магнитные сопротивления для магнитных потоков всех трех фаз, так как пути прохождения этих потоков одинаковы. В самом деле, магнитные потоки трех фаз проходят каждый в отдельности через один вертикальный стержень полностью и через два других стержня но половине.

На рис. 3 пунктиром изображены пути замыкания магнитного потока фазы стержня 2. Легко видеть, что для потоков фаз стержней 1 и 3 пути замыкания их магнитных потоков совершенно одинаковы. Это значит, что у рассматриваемого трансформатора магнитные сопротивления для потоков равны между собою.

Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы (на рис. 4 для фазы стержня 2) меньше, нежели для потоков крайних фаз (на рис. 4 — для фаз стержней 1 и 3).

Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы.

Таким образом потоки крайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.

Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении.

Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно. Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.

Рассматривая рис. 3 и 4 и предполагая, что во всех трех фазах проходят токи, легко видеть, что все фазы магнитно связаны друг с другом. Это значит, что магнитодвижущие силы отдельных фаз влияют друг на друга, чего мы не имеем, когда трехфазный ток трансформируется тремя однофазными трансформаторами.

Вторую группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трасформаторов, приставленных один к другому своими ярмами.

На рис. 5 схематически изображен броневой трехфазный трансформатор с вертикально расположенным внутренним стержнем. Легко видеть из рисунка, что плоскостями АВ и CD он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи. Пути прохождения магнитных потоков на рис. 5 указаны пунктирными линиями.

Как видно из рисунка, в средних вертикальных стержнях а, на которых наложены первичная I и вторичная II обмотки одной фазы, проходит полный поток, тогда как в ярмах b-b и боковых стенках проходит по половине потока. При одной и той же индукции сечения ярма и боковых стенок должны быть вдвое меньше сечения среднего стержня а.

Что касается магнитного потока в промежуточных частях с-с, то его величина, как мы увидим далее, зависит от способа включения средней фазы.

Главным преимуществом броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами являются короткие пути замыкания магнитных потоков, а следовательно, небольшие токи холостой работы.

К недостаткам броневых трансформаторов можно отнести, во-первых, малую доступность обмоток для ремонта, в виду того, что они окружены железом, и, во-вторых, худшие условия охлаждения обмотки — по той же причине.

У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды.

Трехфазный трансформатор: строение, виды, принцип работы

Преобразование трёхфазной системы напряжения можно реализовать с помощью трёх однофазных трансформаторов. Но при этом будет использован аппарат значительного веса и внушительных размеров. Трехфазный трансформатор лишён этих недостатков, так как его обмотки располагаются на стержнях общего магнитопровода. Поэтому в сетях мощностью до 60 тыс. кВА его применение является оптимальным вариантом.

Назначение трёхфазного трансформатора

Главной функцией трансформаторов является передача электроэнергии на большие дистанции. Электрическая энергия переменного тока вырабатывается на электростанциях. При передаче электроэнергии появляются потери на нагревание проводов. Их можно уменьшить, снизив силу тока. Для этого необходимо увеличить напряжение таким образом, чтобы его значение находилось в диапазоне от 6 до 500 кВ.

Кратность увеличения зависит от значения передаваемой мощности и расстояния до конечного пункта. Мощность, которая при этом передаётся, зависит от двух параметров: напряжения и силы тока. Главной характеристикой, влияющей на изменение потерь проводов, связанных с нагревом, является значение силы тока. Соответственно для того, чтобы снизить потери на нагревание, необходимо уменьшить силу тока. Уменьшая ток, величину напряжения соответственно нужно увеличивать. Тогда значение мощности, которая передаётся, останется неизменным.

После того как напряжение будет доставлено потребителям, его следует снизить до необходимой величины. Соответственно, основной задачей трёхфазных трансформаторов является повышение напряжения перед передачей электроэнергии и понижение после неё.

Определение и виды прибора

Трехфазный трансформатор — это статический аппарат с тремя парами обмоток. Прибор предназначен для преобразования напряжения при передаче мощности на значительные дистанции.

Классификация по количеству фаз:

Однофазные трансформаторы имеют небольшую мощность. Основными областями их применения являются быт и проведение работ специального назначения (сварка, измерения, испытания).

Диапазон мощности трёхфазных трансформаторов варьируется в больших пределах. Поэтому и область их применения весьма разнообразна:

для питания токоприёмников специального назначения;
для присоединения измерительных приборов;
для изменения значения напряжения при испытаниях;
для увеличения или уменьшения напряжения при подключении освещения или силовой нагрузки.

Принцип действия

Основой трёхфазного трансформатора являются магнитопровод и обмотки. В каждой фазе присутствует своя повышающая и понижающая обмотка. Так как фаз три, соответственно обмоток шесть. Между собой они не соединены.

Принцип работы трёхфазного трансформатора, как и однофазного, базируется на законе электромагнитной индукции. При подключении к сети первичной обмотки, в ней начинает протекать переменный ток. Из-за него в сердечнике магнитопровода из стали появляется основной магнитный поток, который охватывает обмотки в каждой фазе. В каждом витке появляется одинаковая по значению и величине электродвижущая сила.

Если количество витков вторичной обмотки меньше, нежели число витков первичной, то на выходе окажется напряжение меньшего значения, чем на входе и наоборот.

Тот факт, что значение электродвижущей силы зависит лишь от количества витков определённой обмотки, подтверждают формулы:

E 1 = 4, 44f 1 Ф W 1

E 2 = 4, 44 f 1 Ф W 2

E 1, Е 2 — значение электродвижущей силы в первичной и вторичной обмотках соответственно, В;

f 1 — частота тока в сети, Гц;

Ф — максимальное значение основного магнитного потока, Вб;

W 1, W 2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Строение трансформатора

Основными частями преобразователя напряжения являются:

магнитопровод;
обмотки высокого и низкого напряжения;
бак;
вводы и выводы.

К дополнительной аппаратуре относятся:

расширительный бак;
выхлопная труба;
пробивной предохранитель;
приборы для контроля и сигнализации.

Магнитопровод необходим для крепления всех частей аппарата. Он является своеобразным скелетом преобразователя напряжения. Второй его задачей является создание направление движения для основного магнитного потока. В зависимости от особенностей крепления обмоток к сердечнику, магнитопровод трансформатора может быть трёх видов:

Для изготовления обмоток трансформаторов небольшой мощности используют провод из меди, имеющий прямоугольное или круглое сечение.

Трансформаторное масло является очень важным элементом в аппарате. В маломощных трансформаторах (сухих) его не применяют. При средней и высокой мощности его использование обязательно. У трансформаторного масла две основные задачи:

охлаждение обмоток, нагревающихся вследствие протекания по ним тока;
повышение изоляции.

Расширительный бак устанавливают в трансформаторах с обмоткой высокого напряжения более 6 кВ и мощностью аппарата выше 75 кВА. Отбирая теплоту у обмоток, трансформаторное масло постепенно нагревается и расширяется. Его излишек попадает в расширительный бак. Функцией расширителя является защита масла от окисления и увлажнения.

В высокомощных трансформаторах трубопровод расширителя снабжён газовым реле и краном, который отсоединяет расширитель от бака в случае необходимости.

Вводы и выводы нужны для присоединения концов обмоток к линиям электропередачи. Находятся они на крышке бака. Представляют собой стеклянный или фарфоровый изолятор с токопроводящим медным стержнем внутри. К вводам прикрепляют первичную, а к выводам — вторичную обмотку.

На крышке бака расположен переключатель напряжения (анцапфа). С помощью этого устройства можно изменять число подключённых витков обмоток единовременно по трём фазам. Эта манипуляция позволяет повышать или понижать выходное напряжение при необходимости.

Функция выхлопной трубы состоит в предотвращении повреждения бака при возникновении аварийных режимов. В случае пробоя, короткого замыкания, масло стремительно нагревается, и появляются газы. Благодаря наличию выхлопной трубы, бак при значительном давлении не разрывается, а повреждается всего лишь стеклянная мембрана в трубе. При этом масло и газы попадают наружу.

Пробивной предохранитель устанавливают рядом с вводами и выводами. Его цель состоит в защите низковольтных сетей от появления в них высокого напряжения.

Термометрический сигнализатор необходим для контроля над уровнем температуры трансформаторного масла, а также для подачи сигнала при перегреве.

Схемы и группы соединения обмоток

В трёхфазных трансформаторах необходимо соединять между собой первичные обмотки по фазам и вторичные. Существует три схемы соединения:

При соединении обмоток звездой напряжение линейное — между началами фаз — будет в 1,73 раза больше, чем фазное (между началом и концом фазы). При соединении обмоток трансформатора треугольником фазное и линейное напряжения будут одинаковы.

Соединять обмотки звездой более выгодно при высоких напряжениях, а треугольником — при значительных токах. Соединение обмоток зигзагом даёт возможность сгладить асимметрию намагничивающих токов. Но недостатком такого способа соединения является повышенная трата обмоточного материала.

Группа соединения обмоток показывает отставание вектора электродвижущей силы понижающей обмотки от вектора э. д. с. повышающей обмотки. Обозначают группу соединения рядом чисел от 0 до 11.

Потери и коэффициент полезного действия

Трансформатор — вид электрической машины с минимальным количеством потерь. Их число ничтожно мало и составляет 1—2%.

Электрические потери идут на нагревание обмоток аппарата и колеблются прямо пропорционально изменению нагрузки. Магнитные потери появляются из-за перемагничивания сердечника магнитопровода и зависят лишь от значения напряжения, которое подводится к первичной обмотке. Поэтому подключение трансформатора на повышенное напряжение приводит к увеличению магнитных потерь.

Коэффициент полезного действия (КПД) электрической машины являет собой отношение полезной мощности на выходе электрической машины к подводимой на входе. КПД трансформатора принимает максимальное значение при загрузке аппарата на 45—65%.

Трансформаторы специального назначения

Преобразователи напряжения, которые не предназначены для питания осветительной и силовой нагрузки, относятся к специальным трансформаторам. Они бывают нескольких видов: измерительные, сварочные, автотрансформаторы.

Измерительные преобразователи напряжения

Измерительные трансформаторы применяются для включения приборов измерения в цепи высокого напряжения. Их использование позволяет:

расширить границы измерения установок переменного тока;
увеличить защиту лиц, обслуживающих аппараты;
применять для измерения приборы небольшого размера и веса.

Подразделяются на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

Первичная обмотка измерительных трансформаторов подключается в сеть, а к вторичной присоединяются приборы измерения.

Сварочное оборудование

Сварочные трансформаторы снижают напряжение сети (220 В или 380 В) до необходимого 60—70 В. Невысокое напряжение при сварке обеспечивает безопасность лицам, проводящим сварку. Понижение значения напряжения меньше 60 В недопустимо ввиду того, что дуга может попросту не зажечься.

Сварочные трансформаторы не боятся коротких замыканий, так как при этом режиме работы сила тока длительное время удерживается в пределах допустимых значений.

Автотрансформатор с плавным регулированием напряжения

В машинных залах для запуска двигателей большой мощности, а также в лабораториях при проведении различного рода испытаний используются автотрансформаторы.

Основная отличительная черта автотрансформаторов — наличие электрического соединения между первичной и вторичной обмотками. В понижающих автотрансформаторах этот факт является недостатком, так как при недостаточном соблюдении техники безопасности, при аварийном режиме, поломке прибора, жизнь и здоровье обслуживающего персонала может оказаться под угрозой.

Параллельная работа

Для надёжной работы большого количества токоприёмников недостаточно одного силового трансформатора. Поэтому на подстанциях в работу подключено несколько преобразователей напряжения. Присоединение трансформаторов к группе одних и тех же потребителей, называется параллельной работой. Включать любые преобразователи напряжения на параллельную работу нельзя. Необходимо, чтобы выполнялись некоторые особые требования.

Изобретение трансформатора дало шанс переменному току прочно войти в развитие промышленности и занять своё место в быту и сельском хозяйстве.

Трехфазные трансформаторы

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Циркуляция каждого потока происходит лишь по собственному стержню. В конечном итоге все потоки сходятся в центральных частях верхнего и нижнего ярма. В этих точках получается геометрическое сложение этих потоков, сдвинутых между собой на величину угла 120 градусов. В результате, геометрическая сумма сложенных величин, окажется равной нулю. Следовательно, каждый магнитный поток проходит лишь по собственному стержню, обратного пути не имеет, а все три потока в сумме дают нулевое значение.

Движение потоков крайних фаз происходит не только по стержню. Оно захватывает половину каждого ярма. Поток в средней фазе будет проходить только по своему стержню. Поэтому значение токов холостого хода в фазах, расположенных по краям, всегда превышает аналогичное значение в средней фазе.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Соединение звездой

Данный вид соединения рекомендуется рассматривать на примере схемы «звезда-звезда». В этом случае источник тока и нагрузка соединяются методом звезды.

На рисунке обозначение фазных напряжений, вырабатываемых вторичными обмотками трансформатора, выполнено символами U_A, U_B, и U_C. От фазных обмоток до нагрузки идут проводники, выполняющие функцию линейных проводов. Следует учитывать наличие напряжения не только между нулевым и линейным проводами, но и между двумя линейными проводниками. Такое напряжение называется линейным и обозначается U_AC или U_CA.

Значение линейного напряжения всегда превышает фазное. Разница между ними составляет √3 раза, поскольку представляет собой векторную разность фазных напряжений. Таким образом, трехфазная линия электропередачи позволяет получить не только 380 В, но и 220 В, в зависимости от того по какой схеме включена нагрузка.

Соединение треугольником

Соединение вторичных обмоток в трехфазном трансформаторе треугольником будет выдавать одинаковое линейное и фазное напряжение, как и при соединении звездой, если напряжение составит 220 В. При одинаковом значении потребляемой мощности, линейные токи будут превышать фазные в √3 раза.

Трехфазная система напряжений представляет собой симметричную схему. Это означает, что и магнитная система, которую имеют все трехфазные трансформаторы, будет симметричной. Такая система очень сложная в изготовлении, поэтому широкое распространение получила плоская конструкция, в которой отсутствует центральный стержень. Необходимость в нем отпадает, поскольку сумма магнитных потоков здесь равна нулю.

Плоский вариант конструкции считается более технологичным и удобным при компоновке, хотя она и является несимметричной. Токи в крайних фазах заметно превышают ток в средней фазе, из-за чего нарушаются фазовые углы. Для ликвидации такой асимметрии сечение в верхнем и нижнем ярме увеличивается примерно на 10-15% по сравнению со стержнем. Однако, несмотря на принятые меры, некоторая асимметрия все равно остается.

Схема подключения трехфазного счетчика через трансформаторы тока

Реферат: Конструкция и принцип действия трёхфазного силового трансформатора

Министерство Образования и Науки Украины

Донецкий Национальный Технический Университет

Каф. Электромеханики и ТОЭ

по электрическим машинам на тему:

Конструкция и принцип действия трёхфазного силового трансформатора

Выполнил: ст. гр. АУП-05а

Проверил: Солёный С. В.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 4

КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 6

МАРКИРОВКА ТРАНСФОРМАТОРОВ 9

СПИСОК ССЫЛОК 13

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность передачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открыта М. Фарадеем в 1831 г.; при изменении тока в одной из обмоток, намотанной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуцировалась ЭДС. Однако первый практически работающий трансформатор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г. Это был двухобмо-точный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.

В настоящее время для высоковольтных линий электропередачи применяют силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200—1600 МВА

В последнее время для возбуждения мощных турбо-и гидрогенераторов, электропривода и других целей все шире начинают применять трансформаторы с естественным воздушным охлаждением напряжением 3-24 кВ и мощностью 133-6300 кВА. Благодаря использованию в этих трансформаторах новой теплостойкой изоляции удается повысить их нагрузочную способность и в 1,3 — 1,5 раза сократить массо-габаритные показатели по сравнению с применявшимися ранее трансформаторами с масляным охлаждением.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток, размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала, применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку подключают к источнику переменного тока электрической сети с напряжением U1. Ко вторичной обмотке присоединяют сопротивление нагрузки U _Н .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X ; обмотки НН – буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I _и который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е_х и е₂ , пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков и соответствующей обмотки и скорости изменения потока.

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (u₂ , u₃ , u₄ и т. д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. в трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из – за внутренних потерь энергии в трансформаторе).При увеличении вторичного напряжения трансформатора в к раз по сравнению с первичным, ток г₂ во вторичной обмотке соответственно уменьшается в к раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС Е_г в первичной обмотке ток 1₁ = U 1/ R ₁ – весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление.Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации K , то для цепи источника

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в к 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.

Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями.

По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление и соответственно уменьшит потери холостого хода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России основное применение. Листы магнитопровода стягивают посредством ярмовых балок, бандажей из стеклоленты и шпилек, изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками.

Форма поперечного сечения стержней обычно многоступенчатая, причем число ступеней зависит от мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы.

Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, которые, как указывалось выше, изолируются кабельной бумагой.

Наиболее распространены концентрические катушечные (непрерывные, винтовые) обмотки.

При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), так как она требует меньшей электрической изоляции от заземленного стержня, а затем обмотку высокого напряжения (ВН). Между обмотками делается вертикальный канал, в котором располагается изоляционный цилиндр из электрокартона, а также происходит циркуляция масла.

В комплект обмотки входят также отводы для присоединения к вводам, размещаемым на крышке трансформатора, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной зашиты от перенапряжений.

Непрерывная обмотка состоит из катушек, соединенных между собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом, располагаемым «плашмя».

Характерной особенностью непрерывной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек.

Между катушками размещаются прокладки из электрокартона, создающие горизонтальные каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на вертикальных рейках посредством специального выреза в виде «ласточкина хвоста».

Трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор схематично можно представить следующим образом.

Магнитопровод трехфазного трансформатора образует как бы два «окна», которые так и принято называть. Для упрощения обычно ограничиваются представлением расположения в окне только одной фазы, предполагая, что другая фаза в этом окне располагается симметрично, а в соседнем — аналогично.

Силовой трансформатор может иметь несколько обмоток. Обычно речь идет о трехобмоточных трансформаторах, когда кроме обмоток НН и ВН появляется еще обмотка СН среднего напряжения. Эти обмотки считаются основными, и именно по их количеству определяется вид трансформатора: двухобмоточный или трехобмоточный. Кроме основных в трансформаторе могут быть регулировочные обмотки, с помощью которых обеспечивается регулирование напряжения под нагрузкой (схема РПН). В основных обмотках СН или ВН могут быть участки, посредством которых обеспечивается регулирование напряжения с отключением трансформатора. Это так называемая схема ПБВ — переключение без возбуждения.

Кроме обмоток и магнитопровода, которые в совокупности образуют активную часть трансформатора, в его состав входят другие узлы и блоки: бак, система охлаждения, вводы и др.

Общий вид трехфазного силового масляного трансформатора класса напряжения 220 кВ представлен на.

На текущий момент производство силовых трансформаторов отечественными предприятиями обеспечивается в следующем спектре:

• силовые трансформаторы общего назначения мощностью до 400 MB·А и напряжением до 525 кВ (ОА ОХК «Электрозавод»);

• силовые трансформаторы мощностью до 400 MB·А, напряжением до 525 кВ (ОАО «Трансформатор»);

• силовые трансформаторы общего назначения мощностью до 125 MB·А и напряжением до 220 кВ (ОАО «Уралэлектротяжмаш»);

• распределительные трансформаторы мощностью до 6300 кВ·А и напряжением до 35 кВ (ОАО «Биробиджанский завод силовых трансформаторов»).

Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора согласно ГОСТ 11677-65 указаны следующие данные:

1. Марка завода-изготовителя.

3. Заводской номер.

4. Обозначение типа.

5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.

6. Номинальная мощность. (Для трехобмоточных трансформаторов указывают мощность каждой обмотки).

7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток.

8. Номинальные токи каждой обмотки.

11.Схема и группа соединения обмоток трансформатора.

12.Напряжение короткого замыкания.

13.Род установки (внутренняя или наружная).

15.Полная масса трансформатора.

17.Масса активной части.

18.Положения переключателя, обозначенные на его приводе.

Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода.

Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее: Т – трехфазный трансформатор, О – однофазный, М – естественное масляное охлаждение, Д – масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла), Ц – масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель, ДЦ – масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Г – грозоупорный трансформатор, Н – в конце обозначения – трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, Н – на втором месте – заполненный негорючим жидким диэлектриком, Т на третьем месте – трехобмоточный трансформатор.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВ·А), второе число – номинальное напряжение обмотки ВН (кВ·А). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВ·А и напряжением обмотки ВН 35 кВ·А; тип ТЦТНГ-6300/220 означает трехфазный трехобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла при масло-водяном охлаждении, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, мощностью 63000 кВ·А и напряжением обмотки ВН 220 кВ.

Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной (обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная). Букву А ставят первой, если трансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.

Трансформаторы, имеющие довольно высокий КПД, достигающий 98%, нашли широкое применение в промышленности, а также в некоторых узлах бытовой техники.

Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, в устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).

1.Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

2.Лизунов С. Д., Лоханин А. К. Проблемы современного трансформаторостроения в России. — Электричество, 2000, № 8, 9.

3.Электрические машины: В 2-х ч. Ч. 1: Учеб. для электротех. спец. вузов. – 2-е изд. перераб. и доп./Д. Е. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. – М. :Высш. шк.,

Рейтинг

( Пока оценок нет )

Добавить комментарий

Имя *

Email *

Сайт

Комментарий

Название: Конструкция и принцип действия трёхфазного силового трансформатора
Раздел: Рефераты по физике
Тип: реферат Добавлен 06:34:51 17 июня 2011 Похожие работы
Просмотров: 2635 Комментариев: 16 Оценило: 5 человек Средний балл: 4.4 Оценка: неизвестно Скачать