Трехфазные трансформаторы

Для трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора, обмотки которых могут быть соединены по схеме «звезда» или «треугольник». Однако на практике применяют трехфазные трансформаторы (рис. 8, а) с общим для всех фаз магнитопроводом.

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выпол­няются так же, как и обмотки однофазных. Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются буквами А, В и С, а концы фаз обмоток высшего напряжения — X, У и Z.

Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается буквой О.

Зажимы обмоток низшего напряжения обозначаются буквами: а,b, с — начала фаз и х, у, z — концы фаз; О — вывод нулевой точки.

Основными способами соединения обмоток трехфазного транс­форматора являются соединения «звездой» и «треугольником».

При соединении обмоток по схеме «звезда » концы (или начала) всех трех фаз соединяются между собой, образуя общую нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подключаются к трем проводам сети источника (или при­емника) электрической энергии переменного тока.

При соединении обмоток по схеме «треугольник» начало пер­вой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы — с концом третьей, начало третьей фазы — с концом первой.

Точки соединения начала одной фазы с концом другой подклю­чаются к проводам трехфазной сети переменного тока.

Соединение обеих обмоток в «звезду» является самым простым и дешевым, поскольку каждая из обмоток и ее изоляция (при зазем­ленной нейтрали) должны быть рассчитаны только на фазные на­пряжения и линейный ток. Соединение «звезда »—«треугольник» применяют для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтральный провод.

 

а б

 

Рис. 8. Трехфазный стержневой трансформатор: а – внешний вид; б – схема трехфазного стержневого трансформатора

Отношение линейных напряжений зависит от способа соеди­нений обмоток трансформатора. При схемах соединений обмоток «звезда» или «треугольник» отношения напряжений равны коэф­фициенту трансформации; при схемах «звезда»—«треугольник» и «треугольник»—«звезда» отно­шения напряжений соответственно больше и меньше этого коэффици­ента в √3 раз.

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обознача­ется Y, а треугольником — ∆.

Группа соединения Y/Y—0, где 0 указывает на совпадение фазы а вторичной обмотки с фазой А первич­ной обмотки, показана на рис. 9, а.

Схема соединения Y/∆—11 показана на рис. 9, б. Здесь цифры 11 указы­вают, что вектор напряжения U_AB первичной обмотки опережает по фазе U_ab вторичной обмотки на 30º и совпадает с положением часовой стрелки на цифрах 11.

Пример 5. Трехфазный трансформатор с номинальной (расчетной) мощностью S_н = 30 кВ· А, с линейным входным и линейным выходными

напряжениями U_Л1 = 660 В и U_Л2 = 400 В, фазным

напряжением на выходе U _ф2 = 230 В имеет потери при

холостом ходе ∆Р_ст =160 Вт, потери при коротком

замыкании ∆ Р_об = 580 Вт. Обмотки высшего напряжения

соединены в «звезду», начала и концы обмоток низшего

напряжения выведены на доску зажимов, что позволяет

соединять эти обмотки «звездой» или «треугольником».

Определить коэффициент трансформации фазных

напряжений, коэффициент трансформации линейных

напряжений при соединении обмоток низшего

напряжения в «звезду» и «треугольник», КПД при

номинальной нагрузке и двух значениях коэффициента

Рис. 9. Группа соединений обмоток трехфазного трансформатора: а - Y/Y—О; б - Y/∆—11

мощности: cosφ = 1 и cosφ = 0,7.

Решение

Фазное напряжение на входе трехфазного трансформатора

 

Коэффициент трансформации фазных напряжений

 

 

При соединении вторичных обмоток «звездой» линейное напряжение на выходе U_Л2 = 400 В, следовательно, коэффициент трансформации линейных напряжений

k = k_л = 1,65.

Это равенство выполняется всегда, когда группы соединений первичных и вторичных обмоток одинаковы.

При соединении вторичных обмоток «треугольником» линейное на­пряжение будет равно фазному и, следовательно:

Коэффициент полезного действия трансформатора

где ∆Р_ст — потери в магнитопроводе, измеренные в опыте холостого хода;

∆Р_об — потери меди обмоток, измеренные в опыте короткого замыкания.

 

Определим КПД трансформатора.

При cosφ = 1

 

 

При cosφ = 0,7

 

 

Видим, что при прочих равных условиях уменьшение cosφ приводит к уменьшению КПД.

Запомните

· Основным способом соединения обмоток трехфазного транс­форматора являются соединения «звездой» и «треугольником».

· Соединение обмоток в «звезду» является самым простым и де­шевым.

· Соединение «звезда»—«треугольник» применяют для транс­форматоров большой мощности.

Автотрансформаторы

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен транс­форматору (рис. 10, а). На стальном магнитопроводе помещаются, две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмот­ками высшего и низшего напряжения автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь (рис. 10, б).

Электроэнергия в автотрансформаторах передается не только электромагнитным путем, но и за счет непосредственной элек­трической связи между обмотками.

Напряжения и токи в автотрансформаторе связаны теми же со­отношениями, как и в обычном трансформаторе:

 

 

 

 

а б

Рис. 10. Автотрансформатор: а – внешний вид; б – принципиальная схема

 

Токи I₁ и I₂ противоположны по фазе, поэтому в общей части обмотки w₂ протекает ток

 

I₁₂ = I₂ – I₁.

Для всей передаваемой мощности, называемой проходной, можно записать:

 

S = U₂ I₂ = U₂ (I₁ + I₁₂) = U₂ I₁ + U₂ I₁₂ = S_Э + S_Р,

где S_Э — мощность, передаваемая из обмотки w₁ в обмотку w₂ благо­даря электрической связи; S_p — расчетная мощность, передаваемая магнитным путем.

Расчетная мощность определяет размеры магнитопровода и, так как она составляет лишь часть проходной, при изготовлении авто­трансформатора можно использовать магнитопровод меньшего сечения, чем при создании обычного трансформатора той же мощ­ности. Это позволяет экономить сталь.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформа­тором той же полезной мощности является меньший расход актив­ных материалов — обмоточного провода и стали магнитопровода, меньшие потери энергии, более высокий КПД, меньшее изменение напряжения при изменениях нагрузки.

Однако наряду с преимуществами автотрансформаторов перед трансформаторами они имеют существенные недостатки:

1. малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания, т. е. он во много раз больше номинального тока;

2. возможность перехода высшего напряжения в сеть низшего на­пряжения в результате наличия электрической связи между эти­ми сетями;

3. наличие электрической связи между сетью источника и прием­ника энергии, что делает невозможным применять автотранс­форматор в случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах);

4. опасность поражения током лиц, пользующихся распредели­тельной сетью. Кроме того, обе цепи (первичная и вторичная) должны быть одинаково изолированы по отношению к земле, что ведет к удорожанию сети.

Преимущества автотрансформаторов тем значительнее, чем их коэффициент трансформации ближе к единице, поэтому ав­тотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (k = 1 — 2).

Запомните

· Электроэнергия в автотрансформаторах передается не только электромагнитным путем, но и за счет непосредственной элек­трической связи обмоток.

· Преимущества автотрансформаторов существенны лишь при малых коэффициентах трансформации.

Пример 6. Автотрансформатор включен в сеть с напряжением U₁ = 220 В. Напряжение на вторичных зажимах U₂ = 180 В, ток нагрузки I ₂ = 10 А. Обмотка имеет 600 витков. Определить коэффициент трансформации автотрансформатора, ток, потребляемый из сети, и число витков, к которым, подсоединена нагрузка.

Решение

Коэффициент трансформации автотрансформатора

 

 

 

Ток, потребляемый из сети,

 

Число витков, к которым присоединена нагрузка,