2.2.Устройство трансформаторов. Схемы и группы соединения обмоток
Обмотки трансформатора, а также стальной (ферромагнитный) сердечник образуют активную часть трансформатора, в ней непосредственно происходит преобразование энергии. Можно говорить о совокупности токо- и магнитопроводов, или взаимообусловленных электрических и магнитных цепях.
Рис. 2.4. Конструктивные схемы однофазных и трехфазных трансформаторов: а, в — однофазный стержневой; б — однофазный броневой; г — трехфазный трех- стержневой; д — трехфазный пятистержневой; е — трехфазный броневой
Другие конструктивные элементы (см. рис. 2.2) должны обеспечить надежную и длительную работу трансформатора с наилучшими технико-экономическими показателями.
Основные конструктивные схемы силовых трансформаторов, однофазных и трехфазных, приведены на рис. 2.4.
По типу сердечника, образующего магнитную цепь, трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Независимо от типа, сердечники набираются из листов холоднокатаной (трансформаторной) стали, изолированных друг от друга лаком. При этом коэффициент заполнения сердечника сталью достигает значения 0,95. Соединение сердечников с ярмами может быть встык или в переплет (рис. 2.5).
1-й, 3-й и т. д. слои 2-й, 4-й и т. д. слои
Рис. 2.5. Сборка сердечника в переплет
Сборка встык требует большей массы крепежных деталей, а сам стык является источником вихревых токов, следовательно, дополнительных потерь и местного нагрева. Установка в месте стыка изоляционной прокладки толщиной до 0,5 4- 1 мм приводит к увеличению тока холостого хода (рост магнитного сопротивления), т. е. его намагничивающей составляющей. Поэтому для силовых трансформаторов сборка сердечника в переплет является общепринятой, а основной тип сердечника — стержневой.
Обмотки трансформатора должны удовлетворять ряду требований, основные из которых: 1) экономичность в отношении расхода меди и потерь; 2) соответствие требованиям режима; 3) механическая устойчивость к электродинамическим усилиям в режимах внезапного короткого замыкания; 4) необходимая электрическая прочность в отношении перенапряжений.
Указанные требования зачастую противоречивы. Так, например, снижение затрат меди за счет повышения плотности тока приводит к росту потерь и снижению КПД. Практически при проектировании решается задача оптимизации по определенным критериям с учетом накопленного опыта разработки и эксплуатации. Плотность тока J = 2- 3,5 А/мм2, в зависимости от конструкции, мощности и способа охлаждения.
Обмотки низшего напряжения (НН) располагают, как правило, ближе к стержню, так как по сравнению с обмоткой высшего напряжения (ВН) их легче изолировать от стержня.
По способу расположения обмоток высшего и низшего напряжений (ВН и НН) относительно друг друга различают: 1) концентрические обмотки (рис. 2.6, а); 2) чередующиеся (рис. 2.6, б).
Рис. 2.6. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки
Основным типом обмоток трансформаторов является концентрическая, разновидности которой представлены на рис. 2.7.
Рис.2.7. Обмотки трансформатора: а - цилиндрическая двухслойная; б - винтовая; в - непрерывная.
Конструкция масляного бака (см. рис. 2.2), в котором непосредственно помещается выемная (активная) часть трансформатора, зависит в основном от мощности и во многом определяет условия охлаждения. При малых мощностях применяют гладкие баки, а при средних и больших - трубчатые, с охладителями - радиаторами, с естественным или принудительным воздушным и водяным охлаждением.
Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов. Отметим сразу, что полученные в п. 2.1 соотношения (2.3-2.5) действительны и для трехфазных трансформаторов, если w, Е (или U) представляют собой число витков и ЭДС фазы.
В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду (Y) или в треугольник (∆). При этом концевые точки каждой фазной первичной обмотки называют: одну началом (А, В, С), а другую — концом (X, Y, Z); для вторичной — а, Ь, с и х, у, z.
Для любой из фаз выбор ее начала и конца можно сделать произвольно. Но тогда за начала (концы) двух других обмоток необходимо взять такие концевые точки, идя от которых, мы наматываем обмотки в том же направлении, что и первую. Это означает, что все обмотки ВН должны иметь маркировку, соответствующую направлению намотки. В равной мере сказанное относится и к обмоткам НН. При этом для одной фазы в зависимости от способа маркировки и направления намотки угол сдвига между напряжениями может быть или 0° (рис. 2.8, а) или 180° (рис. 2.8, б, в).
Рис. 2.8. Влияние маркировки и направления намотки на угол фазового сдвига между векторами первичного и вторичного напряжений
Говоря о работе трансформатора, заранее предусматривается возможность включения его на параллельную работу с другими трансформаторами, когда могут быть соединены между собой только зажимы с равными потенциалами. Поэтому одного указания на способ соединения обмоток трансформатора недостаточно; необходимо еще знать угол сдвига α между первичным и вторичным линейными напряжениями, в соответствии с чем определяется группа, к которой принадлежит трансформатор.
Угол α зависит от направления намотки и маркировки зажимов (рис. 2.8) и от схемы соединения обмоток — Y или А. При существующих шести возможных схемах соединения обмоток — Y/Y0 или Y/Y; Y/∆; ∆/Y; ∆/∆ путем «выворачивания» одной обмотки относительно другой, возможно получить двенадцать групп трехфазных трансформаторов (угол α изменяется от 0° до 360° с интервалом 30°).
На практике используются, в основном, только три группы (см. табл. 2.2).
Таблица 2.2 - Основные схемы и группы соединений обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов
В сельской электрификации широко распространены трансформаторы по схеме звезда-звезда с нулем (Y/Y0), когда на стороне низшего напряжения получается четырехпроводная линия. При этом бытовой сектор в целом (лампы, бытовые приборы) включают на фазное напряжение = 220В, а двигатели и другую силовую технику на линейное Uл = 380В. Трансформаторы средней мощности изготавливают со схемой и группой соединений Y/Y0 - 12 и Y/∆ - 11, а большой мощности, как правило, Y0/∆ - 11 или Y/∆ - 11.