Основные положения теории

По конструкции сердечника трехфазные трансформаторы можно разделить на две большие группы: с независимой (автономной) магнитной системой и со связанной (общей) магнитной системой.

К первой группе относится трехфазная система, образованная из однофазных трансформаторов (групповой трансформатор). Такие групповые трансформаторы используются в некоторых случаях при сверхвысоких напряжениях и больших передаваемых мощностях.

Большое применение нашли трансформаторы со связанной магнитной системой, когда обмотки каждой фазы располагаются на отдельных стержнях, соеди-ненных между собой ярмами в общую магнитную систему (рис. 11). Такая конструкция магнитопровода называется стержневой.

Самой распространенной является трехстержневая конструкция (рис. 11, а). В некоторых специальных случаях используется пятистержневая система (бронестержневые сердечники, рис. 11, б).

а б

Рис. 11

Принципиальная разница между групповым и стержневым трансформатора-ми заключается в том, что у первого магнитный поток каждой фазы замыкается по своему отдельному магнитопроводу, тогда как у стержневого потоки всех трех фаз замыкаются по общему сердечнику. Это вносит некоторые различия в работу трансформаторов в режиме х.х. и при несимметричных режимах.

.

В лабораторной работе 4 было установлено, что при синусоидальном магнитном потоке ток х.х. несинусо- идален и содержит в своем составе третью гармоническую.

Рассмотрим работу трансфор-маторов в режиме х.х. при различных магнитных системах и различных схе-мах соединения обмоток.

Схема Y/Y. При соединении об-моток «звездой» для третьей гармо-нической тока х.х. нет пути, так как в любой момент времени третьи гармо-нические любой фазы направлены либо к нулевой точке, либо от нее. Отсутствие третьей гармонической тока вызывает искажение магнитного потока, поскольку при этом в его сос-таве появится третья гармоническая (рис. 12, а). Если трансформатор представляет собой группу однофаз-ных трансформаторов, то третья гар- моническая магнитного потока Ф ₃

Рис. 12

каждой фазы замыкается по своему сердечнику, магнитное сопротивление которого невелико, вследствие чего амплитуда Ф ₃ может достигать 15–20 % от основной волны Ф ₁

Каждая составляющая потока (Ф ₁, Ф ₃) создает в обмотках трансформатора

соответствующие ЭДС, отстающие от потока на четверть периода (рис. 12, б). При нормальном насыщении сердечника амплитуда третьей гармонической ЭДС е ₃ может достигать 45–60 % от амплитуды основной волны ЭДС е ₁. При сложении той и другой составляющих форма кривой фазовых ЭДС резко искажается, амплитуда результирующей ЭДС также возрастает на 45–60 %, а ее действующее значение – на 10–17 % (рис. 12, б). Такое повышение напряжения при х.х. нежелательно и опасно в эксплуатационных условиях, так как может привести к повреждению изоляции и выходу из строя электроустановок.

Подобная картина будет наблюдаться и при эксплуатации трехфазных трансформаторов при схеме Y/Y с бронестержневой магнитной системой. В этом случае третьи гармонические магнитного потока всех фаз замыкаются по боковым ярмам (стержням) магнитопровода.

При трехстержневой магнитной системе третьи гармонические магнитного потока не имеют пути по магнитопроводу и замыкаются по маслу, воздуху, стенкам бака, т. е. по среде с малой магнитной проницаемостью. В связи с этим

величина третьей гармонической потока каждой фазы оказывается очень малой и

практически не приводит к искажению формы кривой ЭДС.

Вместе с тем наличие даже небольшого магнитного потока утроенной частоты в стенках бака, стяжных элементах (ярмовых балках, шпильках) вызывает дополнительные потери, увеличивает нагрев и снижает КПД.

Схема D/Y. При соединении первичной обмотки в «треугольник» третья гармоническая тока х.х. свободно замыкается по обмоткам трансформатора. Следовательно, магнитный поток и ЭДС сохраняют синусоидальную форму, т. е. отпадают все неблагоприятные явления, рассмотренные выше.

Схема Y / D. В этом случае в сердеч-нике трансформатора также появляется третья гармоническая магнитного потока Ф ₃ и наводится третья гармоника ЭДС во вторичной обмотке е ₂₃. Поскольку вторич-ная обмотка соединена «треугольником», ЭДС е ₂₃ создает во вторичной обмотке ток i ₂₃, циркулирующий по «треугольнику» и отстающий от ЭДС почти на четверть пе- риода (рис. 13). В свою очередь, ток i ₂₃

Рис. 13

создает свой магнитный поток Ф ₂₃, который оказывается направленным почти встречно первоначальному потоку Ф ₃. Результирующий поток в сердечнике и, следовательно, ЭДС обмоток остаются практически синусоидальными.

Таким образом, наличие в схеме соединения обмоток «треугольника» ослаб-ляет вредное воздействие третьих гармонических магнитного потока и ЭДС.

В трансформаторах большой мощности и высоких напряжений по ряду причин иногда необходимо иметь соединение «звезда» на обеих сторонах Y₀/Y₀. В этих случаях часто выполняется еще одна обмотка, соединенная «треугольни-

ком» и не несущая электрической нагрузки. Эта обмотка предназначена лишь

для улучшения формы кривой ЭДС.

Чаще всего используются трехобмоточные трансформаторы, которые всегда имеют одну из обмоток, соединенную в «треугольник».

Во всех рассмотренных случаях линейные напряжения, представляющие собой разность фазных напряжений, остаются синусоидальными, поскольку третья гармоническая фазовых напряжений уничтожается:

(19)

так как U_{3 ф А} = U_{3 ф В} =U_{3 ф С} .