Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

Рис. 1.20. Трансформаторная группа (а) и трехфазный трансформатор (б)

Трансформирование трехфазной системы напряжений можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу (рис. 1.20, а). Однако относительная громоздкость, большой вес и повышенная стоимость — недостаток трансформаторной группы, поэтому она применяется только в установках большой мощности с целью уменьшения веса и габаритов единицы оборудования, что важно при монтаже и транспортировке трансформаторов.

Рис. 1.21. Трехстержневой магнитопровод и векторные диаграммы

В установках мощностью примерно до 60000 кВ-А обычно применяют трехфазные трансформаторы (рис. 1.20, б), у которых обмотки расположены на трех стержнях, объединенных в общий магнитопровод двумя ярмами (см. рис. 1.2). Но полученный таким образом магнитопровод является несимметричным: магнитное сопротивление потоку средней фазы Ф_В меньше магнитного сопротивления потокам крайних фаз Ф_А и Ф_с (рис. 1.21, а).

Так как к первичным обмоткам трехфазного трансформатора подводится симметричная система напряжений и то в магнитопроводе трансформатора возникают магнитные потоки и , образующие также симметричную систему (рис. 1.21, 6). Однако вследствие магнитной несимметрии магнитопровода намагничивающие токи отдельных фазовых обмоток не равны: намагничивающие токи обмоток крайних фаз ( и ) больше намагничивающего тока обмотки средней фазы . Кроме того, токи и оказываются сдвинутыми по фазе относительно соответствующих потоков и на угол α. Таким образом, при симметричной системе трехфазного напряжения, подведенного к трансформатору, токи х.х. образуют несимметричную систему (рис. 1.21, в).

Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого магнитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение ярм делают на 10—15% больше сечения стержней, что уменьшает их магнитное сопротивление. Несимметрия токов х.х.трехстержневого трансформатора практически не отражается на работе трансформатора, так как даже при небольшой нагрузке различие в значениях токов , и становится незаметным.

Таким образом, при симметричном питающем напряжении и равномерной трехфазной нагрузке все фазы трехфазного трансформатора, выполненного на трехстержневом магнитопроводе, практически находятся в одинаковых условиях. Поэтому рассмотренные выше уравнения напряжений, МДС и токов, а также схема замещения и векторные диаграммы могут быть использованы для исследования работы каждой фазы трехфазного трансформатора.

Обмотки трехфазных трансформаторов принято соединять по следующим схемам: звезда; звезда с нулевым выводом; треугольник; зигзаг с нулевым выводом. Схемы соединения обмоток трансформатора обозначают дробью, в числителе которой указана схема соединения обмоток ВН, а в знаменателе — обмоток НН. Например, Y/A означает, что обмотки ВН соединены в звезду, а обмотки НН — в треугольник.

Рис. 1.22. Соединение обмоток в зигзаг

Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например в трансформаторах для выпрямителей. Для выполнения соединения каждую фазу обмотки НН делят на две части, располагая их на разных стерж­нях. Указанные части обмоток соединяют так, чтобы конец одной части фазной обмотки был присоединен к концу другой части этой же обмотки, расположенной на другом стержне (рис. 1.22, а). Зигзаг называют равноплечным, если части обмоток, располагаемые на разных стержнях и соединяемые последовательно, одинаковы, и неравноплечными, если эти части неодинаковы. При соединении в зигзаг ЭДС отдельных частей обмоток геометрически вычитаются (рис. 1.22, б).

Выводы обмоток трансформаторов принято обозначать следующим образом: обмотки ВН — начало обмоток А, В, С, соответствующие концы X, Y, Z; обмотки НН — начала обмоток а, Ь, с, соответствующие концы х, у, z.

При соединении обмоток звездой линейное напряжение больше фазного (), а при соединении обмоток треугольником линейное напряжение равно фазному (U_л = U_ф).

Отношение линейных напряжений трехфазного трансформатора определяется следующим образом:

Схема соединения обмоток	Y/Y	∆/Y	∆/∆	Y/∆
Отношение линейных напряжений

Таким образом, отношение линейных напряжений в трехфазном трансформаторе определяется не только отношением чисел витков фазных обмоток, но и схемой их соединений.

Пример 1.3. Трехфазный трансформатор номинальной мощностью S_ном = 100 кВ-А включен по схеме Y/∆. При этом номинальные линейные напряжения на входе и выходе трансформатора соответственно равны: U_1ном = 3,0 кВ, U_2ном = 0,4 кВ. Определить соотношение витков w_llw₂ и номинальные значения фазных токов в первичной I_1ф и вторичной I_2ф обмотках.

Решение. Фазные напряжения первичных и вторичных обмоток

Требуемое соотношение витков в трансформаторе w ₁/ w ₂ = U_1ф/U_2ф= 1,73/0,4 = 4,32.

Номинальный фазный ток в первичной обмотке (соединенной в звезду)

I_1Ф = I_1ном=S_HOM/(√3U_1ном) = 100/(√3·3,0) = 19,3 А.

Номинальный фазный ток во вторичной обмотке (соединенной в треугольник)

I_2Ф = I_2ном /√З = S_HOM /(3 U_2ном) = 100/(З • 0,4) = 8,33 А.

Таким образом, соотношение фазных токов I_2Ф/ I_1Ф =83,3/19,3 = 4,32 равно соотношению витков в обмотках трансформатора.