Принцип работы трансформатора трехфазного – Трансформаторы Однофазные трансформаторы Конструкция и принцип действия трансформатора

220v.guru

трехфазный трансформатор, принцип работы | e-help.com.ua

Разберем трехфазный трансформатор, принцип работы, Кому будет интересно, подключайтесь, есть полезные советы и предложения

Для того чтобы получить трехфазный ток можно использовать три совершенно одинаковых однофазных трансформатора. При таком варианте трансформации обмотки всех трех фаз не будут иметь между собой никакой связи, так как у каждой фазы будет собственная магнитная цепь.

Однако можно пойти и другим путем – собрать единый трехфазный трансформатор, все обмотки которого будут объединены между собой единой магнитной цепью.

Для того чтобы проще всего понять, как устроен и на каких принципах работает трехфазный трансформатор, мысленно представим себе три отдельных однофазных трансформатора, плотно приставленные друг к другу таким образом, что их три стержня вместе образуют единый для всех центральный стержень (рис. 1). На оставшиеся свободные три стержня намотаны первичные и вторичные обмотки. Для того чтобы было более наглядно, на рисунке 1 вторичные обмотки не показаны.

рис.1

За исходное состояние принимаем то, что обмотки всех трех стержней совершенно одинаковые и намотанные в одном и том же направлении (на рисунке 1, если наблюдать сверху, они намотаны по часовой стрелке). Верхние концы обмоток соединяем в нейтраль, а нижние подключаем к трем клеммам трехфазной сети.

Изменяющиеся токи в обмотках трансформатора вызовут изменяющиеся во времени магнитные потоки в стержнях трансформатора, каждый из которых будет замыкаться в собственной магнитной цепи. Причем в центральном составном стержне все три магнитных потока складываются и в сумме образуют нуль. Это происходит потому, что все эти магнитные потоки образуются симметричными трехфазными токами. А как известно из электротехники, сумма их мгновенных значений в любой момент времени равна нулю.

Предположив, что через обмотку АХ протекает наибольший ток I1 в направлении,  показанном на рисунке 1. Создаваемый им магнитный поток Ф, обладая наибольшим значением, протекал бы по центральному составному стержню сверху вниз. В остальных двух обмотках, обозначенных на рисунке как BY и CZ, протекающие в тот момент токи I2 и I3 были бы по величине равны половине величины тока I1 и направлены в противоположную ему сторону. Это обусловлено специфическими свойствами трехфазных токов. Из этого вытекает, что и величины магнитных потоков, создаваемых токами I2 и I3 в стержнях обмоток BY и CZ, будут равны половине величины потока в стержне АХ и направлены будут в противоположную сторону. Общая сумма всех магнитных потоков в любой момент времени, опять таки, равняется нулю.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы уберем, единый центральный стержень всех трех трансформаторов, и соединим их ярма в верхней и нижней частях, как показано на рисунке 2. Теперь магнитному потоку из стержня АХ придется прокладывать себе путь через стержни BY и CZ, складывая свою магнитодвижущую силу воедино с их собственными МДС. Таким образом, мы получаем трехфазный трансформатор, имеющий единую магнитную цепь для всех его трех фаз.

рис.2

В связи с тем, что токовые фазы в трансформаторе смещены на треть периода, то и образуемые ими магнитные потоки аналогично смещены по времени на 1/3. Из этого понятно, что самые максимальные значения магнитных потоков в трансформаторе следуют один за другим через 1/3 периода.

Сдвиг на треть периода магнитных потоков вызывает аналогичный сдвиг электродвижущих сил, которые возникают как в первичных, так и во вторичных обмотках стержней трансформатора.

ЭДС первичных обмоток практически уравновешивают приложенное к ним трехфазное напряжение. А электрические движущие силы вторичных обмоток, если правильно соединить концы обмоток, дадут на выходе вторичное трехфазное напряжение, подающееся во вторичную цепь.

Конструктивно трехфазные трансформаторы делятся на стержневые и броневые.

Соответственно стержневые трехфазные трансформаторы можно разделить на трехфазные трансформаторы с симметричной и несимметричной магнитной цепью. Схематичные изображения этих трансформаторов приведены на рисунках 3 и 4. На рисунках четко видно, что оба вида трансформаторов представляют собой три стержня 1,2 и 3, объединенных сверху и снизу специальными накладками-ярмами. Каждый из стержней имеет первичную и вторичную обмотки одинаковой фазы. У трансформаторов с симметричной магнитной цепью стержни занимают положение вершин углов равностороннего треугольника. А у трансформаторов имеющих несимметричную магнитную цепь — размещены в одной плоскости.

При схеме размещения стержней по углам равностороннего треугольника все магнитные потоки разных фаз преодолевают одинаковое магнитное сопротивление, так как имеют совершенно одинаковые пути прохождения. Если присмотреться к схематическому изображению, то становится видно, что магнитный поток каждой фазы проходит полностью один из вертикальных стержней, а два других по половине.

На рисунке 3 показано пунктиром, как замыкается магнитный поток фазы стержня 2. Не трудно понять, что для остальных стержней пути, которые проходят их магнитные потоки фаз, совершенно одинаковы. Вследствие этого можно сделать вывод, что магнитные сопротивления для всех потоков трехфазного трансформатора одинаковы.

рис.3

Несколько иное положение дел в трансформаторах с несимметричной магнитной цепью. Тут магнитное сопротивление для потока средней фазы (стержень 2) меньше, чем для крайних потоков (стержни 1 и 3). Из рисунка 4 видно, что магнитный поток средней фазы проходит путь короче, чем магнитные потоки крайних фаз. Помимо этого, магнитные потоки крайних фаз проходят первую половину ярма полностью, а вторую половину ярма (после того, как часть потока устремилась в средний стержень) проходят только половины их потоков. Поток средней фазы при выходе его из среднего стержня сразу же разветвляется на две равные половины, которые и проходят по обеим частям ярма.

Ввиду вышесказанного становится понятным, что трехфазный трансформатор имеет большее насыщение ярма магнитными потоками крайних фаз, для них магнитное сопротивление является более значительным, чем для среднего потока.

В связи с тем, что несимметричные трансформаторы обладают неодинаковым сопротивлением для магнитных потоков различных фаз, это приводит к неравенству токов холостой работы в разных фазах при одинаковом фазном напряжении.

Однако если качественно собирать железо трансформаторных стержней этим неравенством токов можно пренебречь.

Просты в конструкции трехфазные трансформаторы с несимметричной магнитной цепью, что обусловило ее более активное применение. А  трансформаторы с симметричной магнитной цепью, наоборот, очень редко встречаются.

рис.4

Если еще раз взглянуть на схематические рисунки 3 и 4, то, беря за основу наличие токов во всех трех фазах, можно заметить, что все фазы связаны между собой магнитным потоком. Это означает, что магнитодвижущие силы каждой фазы трехфазного трансформатора влияют друг на друга, чего не может быть при использовании трех однофазных трансформаторов.

Еще одну крупную группу среди трехфазных трансформаторов составляют, так называемые, броневые трансформаторов. Броневой трехфазный трансформатор можно условно представит себе, как три однофазных, соединенных между собой ярмами.

На рисунке 5 представлен типовой броневой трехфазный трансформатор с вертикальными стержнями.

На рисунке четко видно, что данный трехфазный трансформатор может быть условно разделен линиями АВ и CD на три однофазных трансформатора. Причем магнитные потоки каждого однофазного броневого трансформатора проходят каждый по своей индивидуальной магнитной цепи.

На рисунке 5 пути прохождения этих магнитных потоков показаны пунктирными линиями.

Из рисунка можно определенно понять, что полный магнитный поток проходит только по вертикальным средним стержням а, с наложенными на них первичной и вторичной обмотками одной  и той же фазы. В то же время по ярмам  b-b и боковым стенкам проходит только половина потока. Выходит, что при одинаковой индукции, сечение среднего стержня а, должно вдвое превышать сечения боковых стенок и ярма трансформатора.

Относительно величины магнитного потока в промежуточных частях, показанных на рисунке, как с-с, то она зависит от способа подключения средней фазы трансформатора.

Броневой трехфазный трансформатор имеет преимущество, которое выгодно отличает их от стержневых, в нем есть небольшие трассы замыкания магнитных потоков и, как следствие, незначительные токи их холостой работы.

Броневой трехфазный трансформатор имеет недостаток — низкую доступность для ремонта обмоток и большую склонность к перегоранию.

www.e-help.com.ua

Принцип действия и устройство трехфазных трансформаторов

Трехфазный ток можно трансформировать 3-мя совсем отдельными однофазными трансформаторами. В данном случае обмотки всех 3-х фаз магнитно не связаны вместе: любая фаза имеет свою магнитную цепь. Но тот же трехфазный ток можно трансформировать и одним трехфазным трансформатором, у которого обмотки всех 3-х фаз магнитно связаны меж собою, потому что имеют общую магнитную цепь.

Чтоб уяснить для себя принцип действия и устройства трехфазного трансформатора, представим для себя три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень (рис. 1). На каждом из других 3-х стержней наложены первичные и вторичные обмотки (на рис. 1 вторичные обмотки не изображены).

Представим, что первичные катушки всех стержней трансформатора совсем схожи и намотаны в одном направлении (на рис. 1 первичные катушки намотаны по часовой стрелке, если смотреть на их сверху). Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети.

Рисунок 1.

Токи в катушках трансформатора создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в собственной магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сумме дадут ноль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма моментальных значений их равна нулю в хоть какой момент времени.

К примеру, если б в катушке АХ ток I, был больший и проходил в обозначенном на рис. 1 направлении, то магнитный поток был бы равен большему собственному значению Ф и был ориентирован в центральном составном стержне сверху вниз. В 2-ух других катушках BY и CZ токи I2 и I3 в тот же момент времени равны половине большего тока и имеют оборотное направление по отношению к току в катушке АХ (таково свойство трехфазных токов). По этой причине в стержнях катушек BY и CZ магнитные потоки будут равны половине большего потока и в центральном составном стержне будут иметь оборотное направление по отношению к сгустку катушки АХ. Сумма потоков в рассматриваемый момент равна нулю. То же самое имеет место и для любого другого момента.

Отсутствие потока в центральном стержне не значит отсутствия потоков в других стержнях. Если б мы убрали центральный стержень, а верхние и нижние ярма соединили в общие ярма (см. рис. 2), то поток катушки АХ отыскал бы для себя путь через сердечники катушек BY и CZ, при этом магнитодвижущие силы этих катушек сложились бы с магнитодвижущей силой катушки АХ. В таком случае мы получили бы трехфазный трансформатор с общей магнитною цепью всех 3-х фаз.

Рисунок 2.

Потому что токи в катушках сдвинуты по фазе на 1/3 периода, то и создаваемые ими магнитные потоки также сдвинуты во времени на 1/3 периода, т. е. самые большие значения магнитных потоков в стержнях катушек следуют последовательно через 1/3 периода.

Следствием сдвига по фазе магнитных потоков в сердечниках на 1/3 периода является таковой же сдвиг по фазе и электродвижущих сил, индуктируемых как в первичных, так и во вторичных катушках, наложенных на стержнях. Электродвижущие силы первичных катушек практически уравновешивают приложенное трехфазное напряжение. Электродвижущие силы вторичных катушек при правильном соединении концов катушек дают трехфазное вторичное напряжение, которое подается во вторичную цепь.

В отношении конструкции магнитной цепи трехфазные трансформаторы, как и однофазные, делятся на стержневые рис. 2. и броневые.

Стержневые трехфазные трансформаторы разделяются на:

а) трансформаторы с симметричной магнитной цепью

б) трансформаторы с несимметричной магнитной цепью.

На рис. 3 схематически изображен стержневой трансформатор с симметричной магнитной цепью, а на рис. 4 изображен стержневой трансформатор с несимметричной магнитной цепью. Как видно из из 3-х стальных стержней 1, 2 и 3, схваченных сверху и снизу стальными накладками-ярмами. На каждом стержне находятся первичная I и вторичная II катушки одной фазы трансформатора.

 Рисунок 3.

У первого трансформатора стержни размещены по верхушкам углов равностороннего треугольника; у второго трансформатора стержни размещены в одной плоскости.

Размещение стержней по верхушкам углов равностороннего треугольника дает равные магнитные сопротивления для магнитных потоков всех 3-х фаз, потому что пути прохождения этих потоков схожи. По правде, магнитные потоки 3-х фаз проходят каждый в отдельности через один вертикальный стержень стопроцентно и через два других стержня но половине.

На рис. 3 пунктиром изображены пути замыкания магнитного потока фазы стержня 2. Просто созидать, что для потоков фаз стержней 1 и 3 пути замыкания их магнитных потоков совсем схожи. Это означает, что у рассматриваемого трансформатора магнитные сопротивления для потоков равны меж собою.

Размещение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы (на рис. 4 для фазы стержня 2) меньше, ежели для потоков последних фаз (на рис. 4 — для фаз стержней 1 и 3).

Рисунок 4.

Магнитные потоки последних фаз проходят по немного более длинным путям, чем поток средней фазы. Не считая того, поток последних фаз, выйдя из собственных стержней, проходит в одной половине ярма стопроцентно, и исключительно в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и поэтому в обеих частях ярма проходит только половина потока средней фазы.

Таким образом потоки последних фаз насыщают ярмо в основном, чем поток средней фазы, а поэтому магнитное сопротивление для потоков последних фаз больше, чем для потока средней фазы.

Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков различных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении.

Но при маленький насыщенности железа ярма и неплохой сборке железа стержней это неравенство токов непринципиально. Потому что конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью существенно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то 1-ые трансформаторы и отыскали для себя преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.

Рассматривая рис. 3 и 4 и предполагая, что во всех 3-х фазах проходят токи, просто наблюдать, что все фазы магнитно связаны вместе. Это означает, что магнитодвижущие силы отдельных фаз оказывают влияние друг на друга, чего мы не имеем, когда трехфазный ток трансформируется 3-мя однофазными трансформаторами.

Вторую группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трансформатор можно рассматривать вроде бы состоящим из 3-х однофазных броневых трансформаторов, приставленных один к другому своими ярмами.

На рис. 5 схематически изображен броневой трехфазный трансформатор с вертикально размещенным внутренним стержнем. Просто созидать из рисунка, что плоскостями АВ и CD он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по собственной магнитной цепи. Пути прохождения магнитных потоков на рис. 5 указаны пунктирными линиями.

Рисунок 5.

Как видно из рисунка, в средних вертикальных стержнях а, на которых наложены первичная I и вторичная II обмотки одной фазы, проходит полный поток, тогда как в ярмах b-b и боковых стенах проходит по половине потока. При одной и той же индукции сечения ярма и боковых стен должны быть в два раза меньше сечения среднего стержня а.

Что касается магнитного потока в промежуточных частях с-с, то его величина, как мы увидим дальше, находится в зависимости от метода включения средней фазы.

Основным преимуществом броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами являются короткие пути замыкания магнитных потоков, а как следует, маленькие токи холостой работы.

К недостаткам броневых трансформаторов можно отнести, во-1-х, малую доступность обмоток для ремонта, в виду того, что они окружены железом, и, во-2-х, худшие условия остывания обмотки — по той же причине.

У стержневых трансформаторов обмотки практически полностью открыты и поэтому более доступны для осмотра и ремонта, также и для охлаждающей среды.

elektrica.info

12. Устройство трехфазного трансформатора.

Для преобразования тока трехфазной системы можно вос­пользоваться группой из трех однофазных трансформаторов, обмотки которых могут быть соединены либо звездой (рис. 7.4, а), либо треугольником (рис. 7.4, б). В этом случае каж­дый трансформатор работает независимо от остальных как обычный однофазный трансформатор, включенный в одну из фаз трехфазной системы.

а

б

На практике значительно чаще применяют трехфазные трансформаторы, выполненные на одном магнитопроводе (рис. 7.5). При этом три магнитных потока, возбуждаемые токами в первичных обмотках, замыкаются через два других стерж­ня сердечника.

При изготовлении трехфазных трансформаторов на каж­дый стержень его сердечника навивают по две обмотки: низ­кого напряжения, а поверх нее —высокого напряжения. Вы­воды обмоток принято обозначать следующим образом: на­чала обмоток — заглавными буквами латинского алфавита А, В и С для обмоток высокого напряжения и строчными буквами а, b и с для обмоток низкого напряжения; концы обмоток — буквами X,YиZ для обмоток высокого напряже­ния и буквами х, у и z — для обмоток низкого напряжения.

Обмотки трехфазного трансформатора обычно соединяют звездой или треугольником. Наиболее простым и дешевым является первый способ.

13. Способы соединения обмоток трехфазных транс­форматоров.

Обмотки трехфазного трансформатора обычно соединяют звездой или треугольником. Наиболее простым и дешевым является первый способ. В этом случае каждая обмотка и ее изоляция при заземлении нулевой точки должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток. Поскольку число витков обмотки трансформатора прямо про­порционально напряжению, то при соединении звездой каж­дая обмотка требует меньшего количества витков при боль­шем сечении провода; при этом изоляция проводников дол­жна быть рассчитана лишь на фазное напряжение. Такое соединение широко применяется для трансформаторов не­большой и средней мощности. Соединение звездой наибо­лее желательно для высокого напряжения, так как изоля­ция рассчитывается лишь на фазное напряжение. Соедине­ние треугольником удобнее при больших токах и в тех слу­чаях, когда нагрузки могут быть подключены без нулевого провода.

Применяется также комбинированное включение трехфаз­ных трансформаторов (первичные обмотки соединены звез­дой, а вторичные — треугольником, или наоборот). Соедине­ние звезда/треугольник часто используют для трансформа­торов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низкого напряжения не требуется нулевой провод.

Из соотношений в трехфазной системе следует, что при трехфазной трансформации только отношение фазных на­пряжений всегда приближенно равно отношению чисел вит­ков первичной и вторичной обмоток. Отношение же линей­ных напряжений зависит от способа соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (звез­да/звезда или треугольник/треугольник) отношение линей­ных напряжений равно фазному коэффициенту трансформа­ции. Но при комбинированных способах соединения (звез­да/треугольник или треугольник/звезда) отношение линей­ных напряжений меньше или больше этого коэффициента в (корень из 3) раз. Это дает возможность регулировать вторичное ли­нейное напряжение трансформатора соответствующим из­менением схемы соединения его обмоток.

studfiles.net

Трёхфазный трансформатор: особенности и конструкция

Трехфазный трансформатор – трансформатор, предназначенный целям гальванической развязки цепей трех фаз с одновременным изменением амплитуды напряжения. Три фазы, это общеизвестно, ввел Доливо-Добровольский, но патент на изобретение получить не смог, потому что опережен на годы Николой Теслой.

Благодарности

Вспомним замечательного автора СССР довоенных времен – Холуянова Федора Ивановича. Упрощенный рассказ приятнее слуху неподготовленного читателя, нежели лучший современный очерк о трехфазных трансформаторах.

Определения

Силовой трехфазный трансформатор средней мощности – не более 33,3 МВА с полным сопротивлением короткого замыкания не выше 25 – 0,3N/W%. N – номинальная мощность трансформатора (МВА), W – число стержней сердечника.

Большой силовой трехфазный трансформатор – мощность до 100 МВА, импедансом выше, определенного формулой, указанной для предыдущего класса изделий.

Распределительный трехфазный трансформатор – понижающий, мощностью до 2,5 МВА, с раздельными обмотками и охлаждением типа ON.

Строение

Авторы предлагают начинать рассмотрение трехфазного трансформатора с упрощения. Предполагается, читатели знакомы с цепями 220 вольт. Знают, как работает трансформатор.

Краткое описание работы однофазного трансформатора

Начать нужно с простой вещи: катушка индуктивности вокруг себя создает вихревое магнитное поле. Тянется вдоль оси, выходит наружу на северном полюсе. На рисунке показаны два витка проволоки. Ток идет с плюса на минус, направление линий напряженности магнитного поля определяется правилом «буравчика». Траектория загибается, в результате соседний виток (целый соленоид) охватывается некачественно.

Требуется по мере возможности полнее передать магнитный поток, обеспечивая гальваническую развязку (по току). При трансформации легко варьируется выходное напряжение. Используется при передаче электроэнергии потребителям.

Окончательно транспортировать поле вторичной обмотку способен сердечник из ферромагнитного сплава. Внутри материала напряженность магнитной индукции многократно возрастает. Обеспечивается плотное потокосцепление, ЭДС, наведенная на выходе, обретает громадную величину. Сердечник линии напряженности поля пронизывают вдоль оси. Получается описанный выше эффект.

Конструкция трехфазного трансформатора

Проще рассмотреть трехфазный трансформатор, представив тремя однофазными. Скрин показывает образчик стержневого типа. Подобно «броневому» (название принадлежит авторам) означает: обмотки надеты на стержни. Объединяются, замыкая линии магнитного поля ярмами. Слово стержень не предполагает наличия круглого сечения. Вероятно, присутствовало прежде, современными трансформаторами практикуются иные форы.

Сердечник изготавливается шихтованным, по определению не круглый. Сложно технологически. Трансформатор, снабженный круглым сердечником, круглый? Да, виток, охватывающий квадрат, по площади уступает круглому, аналогичной длины жилы. Очевидный факт, коэффициент использования материалов современного трансформатора чужд совершенству. Сердечник прямоугольный, ярма, легче компоновать пластинки шихты.

Трехфазный трансформатор рекомендуется представить тремя стержневыми, составленными бок к боку с образованием единого центрального не используемого стержня.

Поскольку фазы сдвинуты равномерно на угол 120 градусов друг относительно друга, геометрическая сумма векторов будет равна нулю. Если составить сердечники однофазных трансформаторов, магнитный поток по центральной части не пойдет. Выступает базисом работа цепей с изолированной нейтралью. Средний стержень не несет магнитного потока, следовательно, может быть выкинут из конструкции. Оставшаяся часть компонуется так:

1. Катушки располагаются на параллельных стержнях.
2. Первичная, вторичная обмотки фаз лежат на едином стержне.
3. Сердечник замкнут ярмами.
4. Согласно симметричности фаз различают две конструкции:

• Вид сверху – равносторонний треугольник. Симметричность фаз.
• Вид сверху – единая линия. Асимметричность фаз.

Симметричность фаз означает: входы равноправны. Если стержни выстроены в ряд, расстояние вдоль ярма меж крайними больше, нежели меж двумя другими парами. Магнитный поток станет смещаться по фазе, сигнал будет искажен. Сопротивление сердечника асимметрично для поля. Вызывает неравенство токов в холостом режиме. Эффект усиливается некачественной сборкой, плохой насыщенностью железа ярма.

Броневые трехфазные трансформаторы фактически поставленные друг на друга, охваченные единым сердечником однофазные. Асимметрия фаз отсутствует, первичная, вторичная обмотки лежат на одном стержне. Поскольку на центральных ярмах поток удваивается, сечение сердечника области должно сообразно увеличиваться.

Обмотка первичная разделена пополам, охватывает вторичную с обеих сторон, как показано рисунком (первичная – I, вторичная – II). У броневых трансформаторов одно неоспоримое преимущество – малые токи холостого хода. Считается, обусловлено коротким ходом напряженности поля внутри сердечника. Недостатков целых три:

1. Больший вес при прежнем передаточном коэффициенте, аналогичной мощности.
2. Обмотки сложно ремонтировать, поскольку со всех сторон окружены броней.
3. Условия охлаждения хуже, хотя номинально объем больше. Сердечник нагревается, работая, перемагничиванием, сравнительно малыми вихревыми токами.

Сердечники

Шихтованные сердечники набираются листами стали. Меньше толщина пластин, ниже будут потери на вихревые токи, сборка более кропотливая. Слои разделяются лаковым покрытием для взаимной изоляции. Препятствуя возникновению вихревых токов. Требования, предъявляемые к стали, достаточно типичные:

1. Большое значение магнитной проницаемости обеспечивает усиление в десятки тысяч раз индукции поля. Следовательно, первое необходимое условие для работы трансформатора.
2. Большое удельное сопротивление обеспечивается примесями кремния (по весу – до 4%). В результате потери снижаются до 50% у сильно-легированных образцов.
3. Малая коэрцитивная сила, обусловливающая низкие потери на перемагничивание (узкая петля гистерезиса).

Давно замечено: площадь квадрата составляет 0,88 окружности. Следовательно, наиболее благоприятной станет выбранная кривая. Нерационально усложнять процесс производства, на практике поступают по-другому: трансформаторы малой мощности снабжены квадратными стержнями, средней – крестовидной (см. рис.), большой – круглой. Цель оправдывает средства, если подстанции перестанут беречь энергию, потери станут огромными. Скромный транзисторный приемник обходится малым. Экономия — потери невелики. Прямоугольный сердечник обеспечивает наивыгоднейшие условия теплоотвода, поскольку характеризуется большим объемом.

Иногда по углам располагают вставки диэлектрика, удерживающие обмотку вдоль нужной кривой. В масляных трансформаторах сердечник иногда снабжается щелями. Предполагается, циркулируя в ходах, жидкость станет охлаждать обмотку, сталь. Каналы оборудуются вдоль пластин, поперек. Второй случай продуктивнее по простой причине. Торцы пластин не покрываются лаком, поскольку в направлении токи Фуко (вихревые) не возникают, металл быстрее отдает тепло, распространяемое вдоль пластины. Первый способ проще обеспечить с точки зрения технологического процесса производства.

Провод плохо ложится прямой гранью сердечника, выгибается кнаружи, на углах трескается лаковая изоляция. Накладывает ограничения на процесс сборки. В процессе эксплуатации неизбежны тепловые вариации геометрических размеров, со временем усугубляет названные эффекты. Следовательно, прямоугольная катушка имеет меньшую механическую прочность. Вправду сказать, круглый стержень за счет более толстой намотки увеличивает объем ярма, применяют из-за частых отказов мощных трехфазных трансформаторов иной конструкции.

Несмотря на преимущества конструкций с симметричными фазами, чаще стержни ставятся рядком по очевидным причинам: упрощается технологический процесс. Если сердечник стержневой, сборка внахлест используется только для маломощных образцов, в других случаях ярмо идет встык. У броневых наоборот – маломощные впритык, прочие — внахлест.

Обмотка

В силовых трансформаторах обмотки концентрические, располагаются одна в другой, имеют общую ось. Чередующиеся обмотки показаны на рисунке выше, для сбыта широким массам радиолюбителей не выпускаются. При расчете внимание уделяют вычислению следующих параметров:

1. Механическая прочность (см. выше), включая режим короткого замыкания.
2. Электрическая прочность жил, изоляции.
3. Температурные режимы работы (включая, максимальный).

Обмотка выполняется круглым, прямоугольным (иногда транспонированным) проводом. Разделение единой жилы на ряд жил выполняется, дополняя меру шихтования сердечника. Позволит уменьшить токи Фуко. При требуемом диаметре проволоки более 3,5 мм заменяют прямоугольной (ТК 16.К71 – 108 – 94). Слишком велики становятся просветы меж проводами. Круглое сечение наделено преимуществом: легче изготавливается, чаще встречается в обиходе. Прямоугольная проволока используется по большей части для намотки катушек. Следовательно, изготавливать невыгодно, процесс обходится дороже.

Прямоугольный проводник размером более 8х25 мм транспонируется. Медь под обмотку берется электротехническая, чистотой не менее 99,95%. Из-за дороговизны часто заменяется рафинированным алюминием. Металл характеризуется меньшим пределом прочности на растяжение, меньшей пластичностью, большим удельным сопротивлением. Изоляция провода изготавливается из телефонной, трансформаторной бумаги. Встречается лаковая:

• ПБУ, прямоугольный медный провод с изоляцией из трансформаторной бумаги.
• ПБ, медный прямоугольный провод с изоляцией из телефонной бумаги.
• ПТБУ, транспонированный медный провод с бумажной изоляцией.
• ПТБ, транспонированный медный провод с общей бумажной изоляцией.

Виды намотки

1. Винтовая обмотка идет спирально с каналами охлаждения маслом. В силовых трехфазных трансформаторах применяются для низких напряжений. Между слоями ставится прокладка.
2. Непрерывная обмотка получила название за способ: одним куском медного провода наматывается множество обмоток. Часто внешний виток кладут первым, после выполняется перекладка.
3. Переплетенная обмотка, благодаря переплетению соседних витков характеризуется большой механической прочностью.
4. Цилиндрическая слоевая обмотка напоминает винтовую, витки кладутся впритык без промежуточных каналов для охлаждения.
5. Дисковая катушечная обмотка схожа с непрерывной, отличие ограничено дополнительной изоляцией, накладываемой отдельно для каждой катушки. Отличается большой механической прочностью.

vashtehnik.ru

4.8. Особенности устройства и работы трехфазных трансформаторов

Описание рабочих процессов относится как к однофазным, так и к трехфазным трансформаторам, в последнем случае—к одной фазе трансформатора, нагруженного симметрично. Трансформирование трехфазной системы токов может осуществляться трансформаторной группой — тремя однофазными трансформаторами, работающими как одни агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат и при этом достигнуть экономии материалов. Это было сделано изобретателем трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Покажем наглядно, как создается экономия материала при построении трехфазного трансформатора. Представим себе три однофазных трансформатора (рис. 4.6а). Составляя сердечник для трехфазного трансформатора, оставим без изменения те части сердечников однофазных трансформаторов, на которых расположены обмотки, а свободные части этих трех сердечников соединим в один общий магнитопровод (рис. 4.6б). Такое построение магнитной системы можно сопоставить с соединением трех электрических цепей звездой. Но в трехфазной системе при равномерной на грузке нейтральный провод не нужен; отказываясь от него, получаем экономию меди.

Рис. 4.6 Схема преобразования трех однофазных трансформаторов в один трехфазный

Рис. 4.7 Кривые мгновенных значений магнитных потоков трехфазного трансформатора и распределение потоков в сердечнике

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии симметричной трехфазной системы магнитных потоков этот стержень не нужен и может быть удален (рис. 4.6в), так как алгебраическая сумма этих магнитных потоков всегда равна нулю. Магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы, следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).

Показанный на рис. 4.6в симметричный сердечник неудобен для изготовления и в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 4.6г), который, можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 4.6в) Симметричная трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в таком несимметричном магнитопроводе симметричную систему магнитных потоков. Но из-за неравенства магнитных сопротивлений намагничивающие токи отдельных фаз между собой не равны. Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент магнитный поток одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 4.7).

Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.

Рис. 4.8.Трехфазный масляный трансформатор с трубчатым баком в частичном разрезе:

1 — катки, 2 — спускной кран для масла, 3 – изолирующий цилиндр, 4 — обмотка высшего напряжения, 5 — обмотка низшего напряжения, 6 — сердечник, 7 — термометр, 8, 9 — выводы низшего напряжения, 10 — выводы обмотки высшего напряжения. 11 — расширитель для масла, 12 — указатель уровня масла, 13 — радиаторы

Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, занимает больше места, а кпд несколько ниже. Зато в качестве резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фаз трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно. Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов при больших мощностях значительно проще перевозки и установки трехфазного трансформатора большой мощности.

Практически большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняют трехфазными (рис. 4.8), а больших мощностей — с учетом конкретных условий установки. Трехфазные трансформаторы изготовляют мощностью до 60 000 кВА, но уже начиная с мощности 3 х 600 = 1800кВАдопускается применять трехфазные группы трехфазных трансформаторов.

Зажимы трехфазного трансформатора размечаются в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А,В,С—начала обмоток,X, У, Z—их концы; на стороне низшего напряжения — соответственноа, Ь, с, их, у., z(см. рис. 4.6г).

Основными способами соединения обмоток трехфазного трансформатора являются соединения звездой и треугольником.

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой, при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток; так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Соединение обеих обмоток звездой широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВА). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U_1ф/U_2ф. всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмотокw₁/w₂, что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (Y/Yили/) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/и/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента вЗраз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.

Пример. Трехфазный понижающий трансформатор с номинальной мощностьюS_HOM= 20кВАи номинальными линейными напряжениями:U_1НОМ= 6000В,U_2HOM= 400Впри частотеf= 50Гцимеет потери мощности холостого ходаР₀= 180Вт, потери мощности короткого замыканияР_к= 600Вти напряжение короткого замыканияU_к= 5,5%. Соединение обмоток трансформатора выполнено по схеме «звезда». Определить коэффициент трансформацииКтрансформатора, токиI_1номI_2номв обмотках, фазные напряженияU_lHOMиU_2HOM, сопротивления обмоток:R₁, R₂, X₁, Х₂, а такжеКПДприcos ₂= 0,8 и нагрузке, равной 75% от номинальной (= 0,75).

Решение. Коэффициент трансформации трансформатора при заданной схеме соединения обмотокК=U_1HOM/U_2HOM= 6000/400 =15.

Номинальные токи, при S_1ном=S_2ном=S_HOM: первичной обмотки:I_1ном=S_HOM/3U_1HOM== 1,93A; вторичной обмотки:I_2HOM=S_HOM/3U_2HOM== 29А.

Номинальные фазные напряжения трансформатора: U_{1ф ном}=U_1НОМ/З = 6000/1,73 = 3470В;U_{2ф ном}=U_2ном/3 = 400/1,73 = 230В.

Активные сопротивления

короткого замыкания: R_K=R₁, +R‘₂=P_K/3I²_1HOМ= 600/319,3²= 10,3Ом;

первичной обмотки R₁=R ‘₂=R_K/2 = 10,35/2 = 5,17Ом;

вторичной обмотки R₂=R‘₂=R_K/K²= 5,17/15²= 0,023Ом.

Коэффициент полезного действия трансформатора при cos ₂= 0,8 и= 0,75;

Сопротивления короткого замыкания:

полное

индуктивное Хк=X₁+Х’₂=Индуктивные сопротивления:

первичной обмотки X₁=Х’₂=Х_к/2 = 98,8/2 = 49,4Ом;

вторичной обмотки Х₂=Х’₂=Х_К/К²= 49,4/15²= 0,22Ом.

Для определения годового эксплуатационного КПДучитывать время трансформатора под нагрузкой н-р 4200 час. (Sнcos ₂4200), потериРк(²Рк4200) и потери холостого хода, которые определяются временем 365д24ч. = 8760ч. и равныРо8760ч.

studfiles.net