Трехфазный трансформатор

Трехфазные трансформаторы

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 (ea+eb+ec=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.


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

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Циркуляция каждого потока происходит лишь по собственному стержню. В конечном итоге все потоки сходятся в центральных частях верхнего и нижнего ярма. В этих точках получается геометрическое сложение этих потоков, сдвинутых между собой на величину угла 120 градусов. В результате, геометрическая сумма сложенных величин, окажется равной нулю. Следовательно, каждый магнитный поток проходит лишь по собственному стержню, обратного пути не имеет, а все три потока в сумме дают нулевое значение.

Движение потоков крайних фаз происходит не только по стержню. Оно захватывает половину каждого ярма. Поток в средней фазе будет проходить только по своему стержню. Поэтому значение токов холостого хода в фазах, расположенных по краям, всегда превышает аналогичное значение в средней фазе.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Соединение треугольником

Соединение вторичных обмоток в трехфазном трансформаторе треугольником будет выдавать одинаковое линейное и фазное напряжение, как и при соединении звездой, если напряжение составит 220 В. При одинаковом значении потребляемой мощности, линейные токи будут превышать фазные в √3 раза.

Трехфазная система напряжений представляет собой симметричную схему. Это означает, что и магнитная система, которую имеют все трехфазные трансформаторы, будет симметричной. Такая система очень сложная в изготовлении, поэтому широкое распространение получила плоская конструкция, в которой отсутствует центральный стержень. Необходимость в нем отпадает, поскольку сумма магнитных потоков здесь равна нулю.

Плоский вариант конструкции считается более технологичным и удобным при компоновке, хотя она и является несимметричной. Токи в крайних фазах заметно превышают ток в средней фазе, из-за чего нарушаются фазовые углы. Для ликвидации такой асимметрии сечение в верхнем и нижнем ярме увеличивается примерно на 10-15% по сравнению со стержнем. Однако, несмотря на принятые меры, некоторая асимметрия все равно остается.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *