Трехфазный трансформатор. Схема трехфазного трансформатора

Трехфазные трансформаторы применяются для питания от 3х-фазной сети. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются звездой или треугольником. Они позволяют обеспечить питание достаточно мощной нагрузки. Обычно мощность превышает несколько киловатт. Трансформаторы позволяют понизить напряжение сети и одновременно увеличить ток нагрузки. Еще одной причиной применения трехфазных трансформаторов является необходимость обеспечить непрерывность протекания тока в нагрузке.

В качестве первичного источника питания широко используется электрическая сеть. Форма напряжения электрической сети представляет собой синусоиду частотой 50 Гц. Однако при достаточно протяженных линиях электропередачи энергия излучается в пространство, вызывая дополнительные потери. В мощных цепях электропитания используется трехфазное напряжение. Впервые это решение было предложено немецкой фирмой Симменс при участии русского инженера М.О. Доливо-Добровольского.

Для уменьшения излучения в любой момент времени сумма напряжений всех трех фаз равна 0 (e_a+e_b+e_c=0). Для этого синусоидальное напряжение в каждом проводе сдвинуто относительно соседнего по фазе на 120° При этом существует два варианта передачи энергии — черырехпроводная и трехпроводная линия передачи. Схемы включения фаз для этих вариантов приведены на рисунке 1,

Рисунок 1 Трехпроводная и четырехпроводная линии передачи трехфазного напряжения

В четырехпроводной линии потребителю может быть выдано либо фазное напряжение 220 В, либо линейное напряжение 380 В. В трехпроводной схеме присутствуют только линейные напряжения. Для понимания формирования линейного напряжения удобно воспользоваться векторной диаграммой напряжений фаз, приведенной на рисунке 2. На этом же рисунке показаны временные диаграммы напряжения всех трех фаз.

Временная и векторная диаграммы трехфазного напряжения

Рисунок 2 Временная диаграмма (а) и векторная диаграмма (б) трёхфазного напряжения

На временной диаграмме Т — это период частоты 50 Гц, U — напряжение одной фазы 220 B. Мгновенные значения напряжений фаз A, B, и C можно записать следующим образом:

(1)

За положительное чередование фаз условились считать увеличение фазы по часовой стрелке. Обмотки в трёхфазных трансформаторах можно соединить тремя способами: звездой Y, треугольником Δ и зигзагом Z. Из них наиболее распространенными схемами являются соединение звездой и треугольником. На рисунке 3 приведена схема соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки. При этом и источник и нагрузка соединены звездой (схема звезда-звезда).

Рисунок 3 Схема соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки звездой

На приведенном рисунке U_A, U_B, U_C, вырабатываемые вторичными обмотками трансформатора — это фазные напряжения. Проводники, идущие от фазных обмоток к нагрузке называют линейными проводами. Однако напряжение существует не только между нулевым проводом и линейным. Оно существует и между двумя линейными проводниками. Это напряжение получило название линейного, например, U_AC или U_CA. Линейное напряжение больше фазного. Конкретное значение линейного напряжения можно определить из рисунка 2б. Оно больше фазного в раз, т.к. является векторной разностью фазных напряжений. Поэтому от трехфазной линии электропередач можно получить как 220В, так и 380В, в зависимости от схемы включения нагрузки.

В приведенной на рисунке 3 схеме линейный ток равен фазному. Обратите внимание, что наличие нулевого провода для нормального функционирования линии передачи необязательно. В случае симметричной нагрузки (токи I_A, I_B, I_C равны) ток по нулевому проводу не протекает.

Теперь рассмотрим схему соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки треугольником. Она приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема соединения источника и нагрузки треугольником

При таком соединении вторичных обмоток трехфазного трансформатора линейные напряжения будут соответствовать фазным для соединения звездой (220В), а при одинаковой потребляемой мощности линейные токи будут больше в раз, так как для них сложится ситуация, подобная приведенной на рисунке 2.

(2)

Мощность, передаваемая в трёхфазной цепи, не зависит от схемы соединения и складывается из мощностей потребления каждой фазы. При этом разделяют понятиеЖ

Активной мощности: P = P_A + P_B + P_C = 3P_Ф

Реактивной мощности: Q = Q_A + Q_B + Q_C = 3Q_Ф

Полной мощности: (3)

Теперь рассмотрим линейные токи и напряжения. Так, при соединении звездой получаем:

(4)

При соединении треугольником:

(5)

То есть, действительно не зависит от схемы соединения.

Трансформацию трёхфазного напряжения можно осуществлять двумя способами:

тремя отдельными однофазными трансформаторами, как показано на рисунке 5а. Подобную схему включения называют групповым трансформатором.
одним трёхфазным трансформатором с общей магнитной системой. Его условно-графическое обозначение приведено на рисунке 5б

Рисунок 5 Условно-графическое обозначение группового (а) и трёхфазного (б) трансформаторов

На рисунке 5 как для первичной, так и для вторичной цепи использована схема включения звезда (звезда-звезда). Первичные обмотки трансформатора называются обмотками высшего напряжения (ВН) и обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки называются обмотками низшего напряжения (НН) и обозначаются малыми буквами. Следует отметить, что как первичные, так и вторичные обмотки можно соединять и треугольником и звездой (треугольник-треугольник, звезда-треугольник, треугольник-звезда, звезда-звезда).

Соединение в зигзаг применяют, чтобы неравномерную нагрузку вторичных обмоток распределить между фазами первичной сети и для получения требуемых фазовых сдвигов в многопульсных схемах выпрямления. На рисунке 6 показано соединение обмоток звезда–зигзаг и векторная диаграмма напряжений. Видно, что между напряжениями первичной и вторичной обмоток в одноимённых фазах появился фазовый сдвиг φ, который можно изменять соотношением витков в частях вторичной обмотки. Если вторичная обмотка разделена на две равные части, то угол φ = 30°.

Рисунок 6 Трёхфазный трансформатор при включении звезда-зигзаг

Трёхфазная система напряжений является симметричной, значит и магнитная система трёхфазного трансформатора должна быть симметричной, как показано на рисунке 7а. Изготовить такую магнитную систему очень сложно. Пошли по другому пути. Учитывая, что в трехфазной системе e_a + e_b +e_c = 0, то и сумма магнитных потоков в центральном стержне Ф_a + Ф_b +Ф_c = 0. Необходимость в центральном стержне отпадает и, если сократить ярмо фазы В, то получится плоская, широко известная трёхфазная магнитная система:

Рисунок 7 Магнитная система трёхфазного трансформатора: а) симметричная, б) несимметричная

Плоская конструкция магнитной системы высоко технологична и удобна при компоновке (размещению трансформаторов), но она в принципе является несимметричной. Вследствие различия магнитных сопротивлений для разных фаз, намагничивающие токи крайних фаз А и С больше тока средней фазы В. Это приводит к нарушению фазовых углов (они отличаются от 120 градусов). Для уменьшения магнитной асимметрии сечение верхнего и нижнего ярма делают на 10...15% больше чем стержня. Но асимметрия всё равно остаётся. Внешний вид трехфазного трансформатора подобной конструкции приведен на рисунке 8.

Рисунок 8 Внешний вид трехфазного трансформатора с плоской магнитной системой

В настоящее время [10] трёхфазные трансформаторы на мощности единицы киловатт и более изготавливают с симметричной магнитной системой, но такой, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9 Магнитная система трёхфазного трансформатора: а) симметричная, б) несимметричная

Изготовление ярма сложности не представляет – его наматывают из стальной ленты c помощью оправки. Затем стержни с обмотками и оба ярма стягивают крепежом. Конструкция получилась симметричной и весьма технологичной.

Обмотки низшего напряжения часто соединяют треугольником, так как токи в них в раз меньше чем линейные, а поэтому уменьшается влияние асимметрии фазных нагрузок на первичную сеть.

Вместе со статьей "Трехфазные трансформаторы" читают: