Особенности устройства и работы трехфазного трансформатора

Трехфазный трансформатор, устройство трехфазного трансформатора, принцип работы трехфазного трансформатора, соединения обмоток трехфазных трансформаторов, группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов, гармоники в трехфазных трансформаторах

Для трансформации электрической энергии в трехфазных цепях переменного тока используют как однофазные трансформаторы (в каждой фазе свой однофазный трансформатор), так и специальные трехфазные трансформаторы.

Рассмотрим случай использования однофазных трансформаторов в трехфазной цепи. Возьмем три одинаковых однофазных трансформатора, предназначенных для включения в соответствующие фазы трехфазной системы (рис. 1, а).

Рис. 1 Преобразование трех однофазных трансформаторов в трехстержневой

Для удобства дальнейшего анализа обе обмотки на каждом из трансформаторов – первичную и вторичную – поместим на одном из стержней, оставив второй свободным от обмоток (рис. 1, б). Если первичные обмотки всех трех трансформаторов подключены к фазам симметричной системы напряжений, то по обмоткам протекает такая же симметричная уравновешенная система токов холостого хода

которая создает аналогичную уравновешенную систему основных потоков. Сумма потоков в любой момент времени тождественно равна нулю (рис. 1, в):

Совместим свободные от обмоток стержни трансформа, торов, как показано на рис. 1, г. В соответствии с (2) суммарный поток через три совмещенных стержня всегда равен нулю, по этому их можно изъять, не нарушая режима работы. В реальных условиях устранение трех стержней создает существенную экономию электротехнической стали, поэтому единый трехфазный трансформатор (рис. 1 д) по сравнению с трехфазной группой однофазных трансформаторов оказывается более предпочтительным. Трехфазный трансформатор можно упростить, преобразовав его конструкцию в плоскую, как показано на рис. 1, е. Получим так называемый трехстержневой трансформатор. Сечение всех трех его стержней одинаково (не следует путать эту конструкцию магнитопровода с Ш -образным сердечником однофазного броневого трансформатора, где сечение среднего стержня в два раза больше сечения бокового стержня). Пути потоков для всех трех фаз показаны на рис. 2.

Рис. 2 Магнитопровод трехстержневого трансформатора

При этом оказывается, что длины путей потоков для фаз A и C будут равными между собой, но большими, чем для потока фазы B. При равенстве сечений и однородности магнитопровода это соответствует различным магнитным сопротивлениям на пути потоков и, следовательно, различным м.д.с. в фазах. Необходимо, однако, заметить, что возникшая несимметрия сказывается только при работе трансформатора вхолостую; уже при небольших нагрузках несимметрия настолько сглаживается, что становится практически неощутимой.

Рис. 3 Соединения обмоток трехфазных трансформаторов: а – звездой; б – треугольником; в – зигзагом

Обмотки трехфазных трансформаторов можно соединять звездой или треугольником. При соединении звездой (на схемах обозначают знаком Y) начала либо концы всех трех обмоток соединяют в одну точку (рис. 3, а); при соединении обмоток треугольником (обозначают знаком Δ) конец фазы предыдущей обмотки соединяется с началом следующей (рис. 3, б). Иногда используют также соединение обмоток типа зигзаг (обозначают знаком , схема соединения показана на рис. 3, в), представляющее собой комбинацию двух первых способов соединения. В обмотках, соединенных звездой и зигзагом, общую (ее часто называют также нулевой) точку обычно выводят на клеммный щиток, чтобы иметь возможность использовать не только линейное, но и фазное напряжения. Этот вывод используют также для заземления подключения защитных устройств, измерений. На схемных обозначениях в этом случае ставят индекс Y₀ или . Схемные обозначения соединений обмоток трансформатора обычно показывают дробью: в числителе – обозначение соединения обмотки ВН, в знаменателе – НН, например Y/Y₀, Y/Δ. При соединении звездой величины фазных и линейных токов равны, а линейное напряжение в раз больше фазного; при соединении треугольником линейные и фазные напряжения равны, а линейный ток в раз больше фазного (рис. 4).

Рис. 4 Напряжения и токи в обмотке трехфазного трансформатора при соединении звездой (а) и треугольником (б)

В соответствии с общепринятым обозначением фаз трехфазной системы большими буквами латинского алфавита А, В и С также обозначают и начала обмоток высшего напряжения; концы их обозначают тоже большими буквами X, Y и Z соответственно. Начала и концы обмоток НН обозначают так же, но малыми буквами.

Понятия начала и конца какой-либо обмотки существенны для потребителей, которым важна не только величина вторичного напряжения, но и величина его фазового сдвига по отношению к первичному. В таких случаях маркировка выводных зажимов и понятие о началах и концах обмоток приобретают конкретный смысл, потому что при неправильном подключении фазовый сдвиг выходного напряжения по отношению к первичному изменится на 180°.

Рис. 5 Фазовый сдвиг линейных напряжений в трехфазном трансформаторе

Еще большую важность приобретает вопрос о началах и концах обмоток и их маркировке в трехфазных трансформаторах. С этой целью введено понятие о группах соединений обмоток трансформаторов, в основу которого положена величина фазового сдвига линейного вторичного напряжения по отношению к соответствующему линейному первичному напряжению, отсчитанная по ходу часовой стрелки от вектора ВН к вектору НН. На рис. 5 показан отсчет угла фазового поворота векторов линейных напряжений ab по отношению к АВ для трансформатора Y/Δ. В данном случае величина фазового сдвига оказалась равной 330°. Анализ возможных комбинаций переключений начал и концов обмоток при различных соединениях показывает, что величина фазовых сдвигов всегда кратна углу 30°. Именно эта величина взята в качестве единицы фазового смещения векторов линейных напряжений. Так, например, сдвиг в 180° соответствует шести единицам, в 330° – 11 единицам, в 0° – 0 единицам. Эта величина и определяет группу соединений обмоток трансформаторов. Например, при соединении обмоток высшего и низшего напряжений в звезду трансформатор может быть охарактеризован так: соединение обмоток звезда – звезда с нулевой группой соединений, схемная запись Y/Y–0; более краткая характеристика: звезда – звезда – нуль. Если теперь на вторичной стороне в общую точку соединить противоположные зажимы, поменяв местами начала и концы фазных обмоток, то группа трансформатора изменится на шестую (звезда – звезда шесть, обозначение Y/Y–6).

При симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке фаз трехфазного трансформатора по отношению к каждой из фаз, а значит, и к трансформатору в целом, будут справедливы уравнения, формулы, диаграммы и схемы замещения, полученные для однофазных трансформаторов. Исключение составляет режим холостого хода трехфазного трансформатора, при котором проявляются особенности, вызванные схемами соединений обмоток.

Выше было установлено, что из-за нелинейности кривой намагничивания магнитопровода ток холостого хода в трансформаторе будет несинусоидальным даже при синусоидальном приложенном напряжении. При этом ток можно рассматривать как сумму гармонических составляющих: основной (первой) гармонической, изменяющейся с периодом, равным периоду изменения тока T, и гармонических высших порядков. Составляющие гармоники высших порядков являются нечетными, из них наиболее существенна гармоническая третьего порядка. Ее частота равна 3 f, а период, соответственно, в три раза меньше периода первой гармонической. Поскольку токи в фазах трансформатора сдвинуты на одну треть периода, то гармонические составляющие третьего порядка во всех трех фазах будут совпадать во времени и не могут образовать уравновешенную систему, т. е. сумма их в любой момент времени не будет равна нулю.

Если существует путь, по которому могут замкнуться третьи и кратные им гармоники тока, то они будут в общей кривой тока. Такой несинусоидальный ток, как было выяснено выше, соответствует синусоидальной форме потока. В качестве пути, по которому замыкаются высшие гармонические тока, может быть использован нулевой провод, подсоединенный к общей точке звезды.

Если же при соединении звездой нулевой провод отсутствует, то третьи и кратные им гармонические в кривой тока существовать не могут, и ток холостого хода превращается практически в синусоидальный.

Гармоники потока, кратные трем, в трехстержневых трансформаторах возникают во всех фазах и поэтому не могут замкнуться по контуру трехстержневого трансформатора, они замыкаются от ярма к ярму вне основного магнитопровода – через воздух или масло, стенки бака и другие конструктивные элементы. Поскольку магнитное сопротивление на этих путях весьма значительно, то величины третьих гармонических потоков будут относительно небольшими. Поэтому фактическое искажение основного потока также не очень значительно, амплитуды наведенных им э.д.с. отличаются от амплитуды основной гармоники не более чем на 5 –10%.

Следует, однако, иметь в виду, что третьи гармонические потока, замыкаясь через стенки бака и другие конструктивные металлические элементы, наводят в них вихревые токи, которые дополнительно нагревают эти элементы. По указанным причинам трансформаторы с соединением обмоток Y/Y–0 применяют в силовых трансформаторах небольшой мощности.