Трехфазные трансформаторы

Лекция №17 Трехфазные трансформаторы. Автотрансформаторы.

Трехфазный ток обычно преобразуют с помощью трехстержневых трехфазных трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне.

На каждом из трех стержней, набранных из листов электротехнической стали и объединенных сверху и снизу ярмом, расположены первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начальные выводы обмотки высшего напряжения, обозначаются буквами A, B, C (или C ₁, C ₂, и C ₃), конечные выводы — буквами X, Y, Z (или C ₄, C ₅, C ₆). Для начальных выводов обмоток низшего напряжения применяется обозначения малыми буквами: a, b, c, для конечных выводов – x, y, z.

Магнитные потоки трех фаз Ф₁, Ф₂, Ф₃ сдвинуты друг относительно друга по времени на одну треть периода или по фазе на 120^о. Поэтому мгновенное значение их суммы равны нулю. В этом случае магнитный поток в любом из стержней в каждый момент времени равен алгебраической сумме потоков двух других стержней. При симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке (являющейся наиболее распространенной) все фазы трехфазного трансформатора находятся практически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные выше формулы и схемы замещения для однофазного трансформатора справедливы и для трехфазного трансформатора.

Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены по схемам: звезда (символ Υ или Υ₀ при выведенной нейтральной (нулевой) точке) или треугольник (символ ∆). Таким образом, могут быть соединения Y/Y, Y/∆, ∆/∆, ∆/Y. Существуют и другие более сложные соединения, например, соединения типа «зигзаг». Кроме указания на способ соединения обмоток, на щитке трансформаторов обычно указывается и условное обозначение группы соединений трансформаторов, например, Y/Y - 12 и Y/∆ - 11. Обычно обмотку высшего напряжения соединяют по схеме «звезда», что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе.

Для получения схемы звезда концы фазных обмоток (ХYZ, xyz) соединяют в общую точку, а для получения схемы треугольник конец обмотки одной фазы соединяют с началом следующей и так далее в замкнутый контур (ay, bz, cx).

Схема звезда                               Схема треугольник

        

Соединение обмоток трансформатора обозначают в технической документации Y/Y, Δ/Δ, Y/Δ, Δ/Y, при этом в числителе указывается способ соединения фаз высокого напряжения (ВН), в знаменателе — соединение фаз низкого напряжения (НН). Если от обмотки трехфазного трансформатора, соединенной в звезду, выводится нулевой провод, то такое соединение обозначают Y₀.

При соединении фаз обмотки «звездой»:

U ф = U л /  ; I ф = I л.

При соединении фаз обмотки «треугольником»:

U ф = U л; I л = I ф.

Коэффициент трансформации трансформатора:

n = W ₁/ W ₂ = E ₁/ E ₂ ≈ U ₁/ U ₂ .

Трехфазные трансформаторы характеризуются двумя коэффициентами трансформации:

а) фазным — равным отношению числа витковW_ВН фазы обмотки BH к числу витков W _нн фазы обмотки HH или же отношению фазных напряжений этих обмоток в режиме холостого хода:

n _ф = W _вн/ W _нн = U _ф.вн / U _ф.нн,

б) линейным — равным отношению линейного напряжения обмотки ВН к линейному напряжению обмотки НН в режиме холостого хода:

n _л = U _л.вн / U _л.нн.

Следует иметь в виду, что отношение линейных напряжений U _л1 и U _л2 трехфазного трансформатора зависит не только от чисел витков первичной и вторичной обмоток W ₁ и W ₂, но и от способов их соединений:

при Y/Y, Δ/Δ:        U _л1/ U _л2 = W ₁/ W ₂;

при Y/Δ:               U _л1 / U_л2 = W ₁/ W ₂;

при Δ/Y:               U _л1/ U _л2= W ₁/ W 2.

Поэтому можно изменять величину вторичного линейного напряжения соответствующим изменением схем соединения его обмоток.

В зависимости от сдвига фаз между линейными первичными и вторичными напряжениями трансформаторы разделяются на группы соединений, причем каждую группу составляют трансформаторы с одинаковым сдвигом по фазе между указанными напряжениями.

Для обозначения группы соединений обмоток трехфазного трансформатора выбирается ряд чисел от 1 до 12, причем здесь условно принято, что единица соответствует 30°, по аналогии с углами между минутной и часовой стрелками часов при 1, 2,..., 12 час. При определении группы соединений с вектором напряжения обмотки высшего напряжения нужно совместить минутную стрелку, а с вектором напряжения обмотки низшего напряжения — часовую стрелку. Отсчет угла производится от минутной стрелки к часовой стрелке по направлению их вращения.

Современные трансформаторы выпускаются с соединением фаз обмоток Y/Y− 0 и Y/∆ − 11. Над знаком дроби указывается способ соединения фаз обмотки высшего напряжения, под знаком дроби − способ соединения фаз обмотки низшего напряжения, цифра указывает на группу соединения обмоток трансформатора.

Номинальная мощность трехфазного трансформатора:

S _ном = U _1ном I _1ном ≈ U _2ном I _2ном

Автотрансформатор

Автотрансформатор – это такой трансформатор, в котором помимо магнитной связи между обмотками имеется ещё и электрическая связь.

Обмотки обычного трансформатора можно включить по схеме автотрансформатора, для чего выход X обмотки w_ax соединяют с выводом а обмотки w_ax.

Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформатора. Обмотка w_ax одновременно являются частью первичной обмотки и вторичной обмотки. В этой обмотке проходит ток I₁₂. Для точки a запишем уравнение токов:

I₂ = I₁+ I₁₂

или

I₁₂ = I₂ - I₁

т.е. по виткам wax проходит ток I₁₂, равный разности вторичного I₂ и первичного I₁ токов.

Если коэффициент трансформации автотрансформатора k_А = w_Ax/w_ax немногим больше единицы, то токи I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину.

Это позволяет выполнить витки w_ax проводомуменьшенногосечения.

Проходной мощностью автотрансформатора называется передаваемая мощность из первичной цепи во вторичную.

S_пр = U₂I₂

Расчётная мощность S_расч, — это мощность, передаваемая из первичной во вторичную цепь магнитным полем.

Расчётной мощностью называют мощность, при которой размеры и вес трансформатора зависят от величины этой мощности.

В трансформаторе вся проходная мощность является расчётной, так как между обмотками трансформатора существует лишь магнитная связь. В автотрансформаторе между первичной и вторичной цепями помимо магнитной связи существует ещё и электрическая. Поэтому расчётная мощность составляет лишь часть проходной мощности, другая её часть передаётся между цепями без участия магнитного поля.

Разложим проходную мощность автотрансформатора S_пр = I₂U₂ на составляющие.

S_пр = U₂I₂ = U₂(I₁+I₁₂) = U₂I₁+U₂ I₁₂ = S_э +S_расч

Где S_э = U₂I₂ – мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную благодаря электрической связи между этими цепями.

Таким образом, расчётная мощность в автотрансформаторе S_расч = U₂I₁₂ составляет лишь часть проходной. Это даёт возможность для изготовления автотрансформатора использовать магнитопровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности. 

Средняя длина витка обмотки также становится меньше; следовательно, уменьшается расход меди на выполнение обмотки автотрансформатора. Одновременно уменьшаются магнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается.