Лекция 20

11.6. Трехфазные трансформаторы

В цепях трехфазного тока для трансформирования электрической энергии переменного тока в большинстве случаев применяются трех­фазные трансформаторы, хотя для этой цели могут быть использо­ваны, три однофазных трансформатора (если их мощности достаточно велики - более 10000 кВА в фазе). Однако применение трехфазных трансформаторов предпочтительнее, так как они меньше по размерам (чем три однофазных) и дешевле.

На рис. 11.13 показан трехфазный трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, на каждый стержень которого нанесены пер­вичная и вторичная обмотки соответствующей фазы. Магнитопровод трансформатора имеет три стержня А, В, С равного сечения, которые расположены в одной плоскости, и ярмо D.

Стержнем называют часть магнитной системы, на которой распола­гаются обмотки трансформатора.

Часть магнитной системы трансформатора, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи, называется ярмом.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы собирают из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм (если частота питающего напряжения 50 Гц). Для высоких частот (более 20 кГц) магнитопроводы выпол­няют из ферритов.

Обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически одна поверх другой. Обычно ближе к стержню располагают обмотку НН. Обмотки изолированы друг от друга и от стержня жесткими цилиндрами, изготовленными из бумаги с последующей пропиткой ее бакелитовым лаком. Обмотки наматываются в одну сторону, каждая из них имеет условное начало и конец.

Принято начала фаз обмоток высшего напряжения обозначать А, В, С, а их концы - X, Y, Z; начала фаз обмоток низшего напря­жения обозначают а, b, с, а концы — х, у, z.

При питании трансформатора от симметричной трехфазной сети в его стержнях возбуждаются магнитные потоки Ф_A, Ф_B и Фс, сдви­нутые по фазе относительно друг друга на угол 120°. Эти потоки, в свою очередь, индуцируют в фазах обмоток трансформатора сим­метричные системы э. д. с.: в фазах обмотки высшего напряжения E_A, E_B, E_C, в фазах обмотки низшего напряжения E_a, E_b, E_c. В симметрич­ных трехфазных системах фазные э. д. с. сдвинуты относительно друг друга на угол 120°.

На рис. 11.14 показана векторная диаграмма трехфазного трансфор­матора в режиме холостого хода. Векторы магнитных потоков в стержнях Ф_А, Фв, Фс образуют симметричную звезду, вследствие чего их сумма равна нулю. По этой причине магнитопровод трехфазного трансфор­матора не имеет четвертого замыкающего стрежня [подобно тому, как нет четвертого (нейтрального) провода в трехфазных цепях при сим­метричной нагрузке]. Следует иметь в виду, что только при правильном соединении первичной обмотки сумма фазных потоков в трехстержневом магнитопроводе равна нулю. В противном случае результирую­щий магнитный поток трех фаз не равен нулю и замыкается по воздуху и баку трансформатора (если последний имеет масляное охлаждение).

Симметричный трехстержневой трансформатор имеет небольшую магнитную несимметрию контуров, так как длина магнитной цепи, по которой замыкается поток Ф_B, несколько меньше, чем для потоков Ф_А и Фс (см. рис. 11.13).

Небольшая магнитная несимметрия контуров, по которым прохо­дят магнитные потоки отдельных фаз, вызывает несимметрию токов холостого хода этих фаз. Однако несимметрия токов холостого хода существенного значения не имеет, так как при нагрузке ток холостого хода оказывает незначительное влияние на значение токов как в первичной, так и во вторичной обмотке. Следовательно, при симметрии напряжения на фазах первичной обмотки и симметричной нагрузке, подключенной ко вторичной обмотке, все фазы трансформатора нахо­дятся в равных условиях и для анализа можно рассматривать работу только одной фазы, считая, что процессы в других фазах аналогичны. Для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справед­ливы формулы, полученные для однофазного тока, при подстановке в них фазных напряжений, токов, мощностей.

Фазы первичной и вторичной обмоток трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой, звездой с выведенной нулевой точкой и треугольником. Эти способы соединений условно обозначают соответственно символами Y, Y₀, Δ. Символ способа соединения обмотки высшего напряжения принято писать первым, между симво­лами ставят наклонную черту, например Y/∆ или Y/Y₀. Наиболее дешевым и простым соединением обмоток трансформатора является соединение звездой, так как в этом случае каждая из обмоток нахо­дится под фазным напряжением. Такое соединение является наиболее предпочтительным для высокого напряжения, ибо в этом случае изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение; кроме того, при передаче электрической энергии с ростом напряжения умень­шается ток и соединение треугольником становится относительно более дорогим (при этом следует иметь в виду, что соединение тре­угольником конструктивно удобнее при больших токах).

Соединение Y/Δ наиболее приемлемо для трансформаторов боль­шой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется соединение звездой с нулевым проводом.

Трехфазные трансформаторы обычно характеризуют двумя коэф­фициентами трансформации: фазным и линейным. Фазный коэффи­циент трансформации равен отношению числа витков w_вн фазы обмотки высшего напряжения к числу витков w_нн фазы обмотки низшего напря­жения или отношению фазных напряжений этих обмоток при холостом ходе;

Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейного напряжения обмотки высшего напряжения к линейному напряжению обмотки низшего напряжения при холостом ходе:

Для соединений Y/Y и Δ/Δ линейный и фазный коэффициенты трансформации равны между собой: k_л = k_ф; для соединения Y/Δ k_л = k_ф, а для соединения Δ/Y k_л = k_ф/.

Группы соединений обмоток. По группам соединений обмоток трансформаторы подразделяют на основании значения угла α сдвига фаз между линейными высшим и низшим напряжениями. У трансформа­торов одной группы сдвиг фаз одинаков. Сдвиг фаз между линейными высшим и низшим напряжениями имеет большое значение при парал­лельной работе трансформаторов, так как на параллельную работу можно включить трансформаторы только одной группы соединений обмоток, в противном случае возникают уравнительные токи, вызываю­щие перегрев обмоток.

Для сопоставления относительного положения векторов высшего и низшего линейных напряжений используют положения минутной и часо­вой стрелок на часовом циферблате: вектор линейного высшего напря­жения совмещают с минутной стрелкой и устанавливают на цифру 12, а часовую стрелку совмещают с положением линейного низшего напря­жения. Отсчет угла между минутной и часовой стрелками производится по направлению их вращения, и при определении номера группы этот угол делят на 30°.

Так, для однофазного трансформатора, если направление вектора высшего напряжения составляет с направлением вектора низшего напряжения угол α = 0°, минутная и часовая стрелки будут находиться на цифре 12 (нуль часов), поэтому такое соединение называют группой 0. Если первичная и вторичная обмотки намотаны в одну сторону и имеют симметричную маркировку зажимов, то также имеем α = 0°, т. е. группу 0.

При изменении направления намотки одной из обмоток или при изменении маркировки зажимов одной из них получаем сдвиг фаз α = 180° (рис. 11.16, б), т. е. часовая стрелка совмещена на циферблате с цифрой 6 (180⁰/30⁰ = 6) - группа 6. Следовательно, для однофазного трансформатора возможны две группы соединений: нулевая и шестая.

В трехфазных трансформаторах каждая пара обмоток высшего и низшего напряжения расположена на одном и том же стержне, поэтому фазные э. д. с. могут как совпадать, так и быть противоположными по фазе. Однако в зависимости от схемы соединений первичной и вторичной обмоток этих трансформаторов и порядка соединений их начал и концов можно получить различные группы соединений. Для трехфазных трансформаторов возможны двенадцать групп соединений, однако трехфазные силовые трансформаторы выпускают только двух групп: нулевой и одиннадцатой. Нулевой группе соответствует соеди­нение звезда/звезда с выведенной нулевой точкой: одиннадца­той группе соединения — звезда/треугольник и звезда с выве­денной нулевой точкой/треугольник