2.2 Трехфазные трансформаторы

Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.

Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены в трехфазную систему — в звезду или треугольник, как сказано раннее. Именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные в звезду, подключены к соответствующим фазам дальней линии передачи.

Можно иметь трехфазный трансформатор и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 7). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

Рисунок 7 — Схема трехфазного трехстержневого трансформатора

В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нейтральном соединении в звезду.

Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

В трехфазном трансформаторе электрические и электромагнитные системы трех однофазных трансформаторов объединены в одну. Физическую сторону такого совмещения схематично можно пояснить следующим образом. Если три магнитные системы однофазных трансформаторов с обмотками ВН и НН, размещенными на одном стержне, составить под углом 120° друг к другу, свободные от обмоток стержни примкнуть — состыковать в один, соединить обмотки в трехфазные схемы и подать на одну из них трехфазное напряжение, то и получится трехфазный трансформатор с общей электрической и магнитной системой, состоящей из трех стержней с обмотками и одного центрального стержня без обмоток. Однако исходя из известного положения электротехники о том, что сумма мгновенных значений токов и магнитных полей трехфазной системы равна нулю, магнитный поток в центральном стержне будет отсутствовать, а следовательно, в нем нет необходимости, поэтому его из конструкции магнитной системы удаляют. Полученная при этом трехстержневая пространственная магнитная система является симметричной — у нее длина путей основного магнитного поля каждой фазы одинакова.[6]

Рисунок 8 — Пространственная (а) и плоская несимметричная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками (б): 1 — элементы навитой ленточной магнитной системы; 2 — стеклобандаж, скрепляющий составной стержень; 3 — изоляционная прокладка стыка стержня

Симметричная магнитная система наиболее совершенна, однако трудности, связанные с технологией изготовления и ремонта трансформаторов с такой магнитной системой, ограничивают ее применение; она используется только в трансформаторах некоторых серий мощностью в основном до 250 кВ-А. На Рисуноке 8, а изображена одна из трехфазных пространственных магнитных систем, применяемая в трансформаторах I и частично II габаритов. Она состоит из трех ленточных магнитных систем, составленных под углом 60° и скрепленных стеклобандажной лентой. Каждая из них навита (намотана) непрерывной (без стыков) электротехнической лентой. Чтобы форма составленного стержня  была близка к кругу и в местах  стыка. Так как навитая магнитная система неразъемная, то обмотки с помощью специальных станков приходится наматывать («вматывать») непосредственно на стержне. У навитых магнитных систем переход из стержней в ярма плавный, совпадающий с направлением магнитного потока, тем самым исключаются добавочные потери в местах перехода стержней в ярма под прямым углом при применении анизотропной стали. Кроме того, процесс сборки трансформаторов с пространственными магнитными системами может быть полностью механизирован. Однако, по ранее указанным причинам, они нашли применение только в трансформаторах небольшой мощности. Для упрощения конструкции и технологии сборочно-разборочных операций в трехфазном трансформаторе применяют главным образом плоскую несимметричную магнитную систему (Рисунок 8, б). Она состоит из трех стержней, расположенных в одной плоскости, и перекрывающих их ярм —  верхнего и нижнего. Асимметрия магнитной системы несколько сказывается на значении токов холостого хода отдельных фаз. Фазные обмотки на стержнях трехфазной магнитной системы размещаются так же, как и на однофазной, — концентрически соосно и соединяются в трехфазные схемы. Стоимость изготовления и монтажа одного трехфазного трансформатора ниже стоимости трех однофазных на ту же суммарную мощность. Современные силовые трансформаторы преимущественно имеют трехфазное исполнение. Масса трехфазного трансформатора на 30—35% меньше массы трех однофазных трансформаторов. Кроме того, он экономичнее в работе и обслуживании. Применение в отдельных случаях однофазных силовых трансформаторов объясняется тем, что одновременное повреждение нескольких фаз маловероятно. Поэтому достаточно иметь один запасной однофазный трансформатор, чтобы в случае аварии заменить поврежденную фазу. Однако в настоящее время однофазные трансформаторы применяют только для очень крупных мощностей, где транспортировка и установка трехфазных трансформаторов, имеющих большие массы и размеры, вызывает значительные трудности.[5]