Трехфазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми.
Схема построения магнитопровода трехфазного стержневого трансформатора показана на изо,а. Три одинаковых однофазных транстрансформаторавыполнены так, что их первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки.

Схема построения трехфазного трансформатора:
а - три однофазных трансформатора, б - три однофазных трансформатора объединены в один магнитопровод, в - схема трехфазного стержневого трансформатора

Если эти три трансформатора расположились так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один 0 (изо, б).
Через объединенный стержень 0 будут замыкаться магнитные потоки трех однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на 1/3 периода.
Так как сумма трех равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 1/3 периода магнитных потоков равна нулю в любой момент времени (Фа + Фв + Фс = 0), то в объединенном стержне магнитного потока нет и надобность в этом стержне отпадает.

Таким образом, для образования магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям располагаются в одной плоскости (изо,в). На каждом стержне трехфазного трансформатора размещаются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу.
Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.
Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются прописными буквами А, В и С, а концы фаз - X, Y и Z.
Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается буквой О.
Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначаются строчными буквами a, b, с, а концы фаз - х, у, z; о - вывод нулевой точки.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником.
При соединении обмоток звездой концы (или начала) трех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную, или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подключаются к трем проводам сети источника (или приемника) электрической энергии переменного тока.

При соединении обмоток треугольником начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы - с концом третьей, начало третьей фазы - с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключаются к проводам трехфазной сети переменного тока.

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обозначается Y, а треугольником - . Если обмотки соединены звездой и имеют выведенную нулевую точку, то такое соединение обозначается .

Группы трехфазных трансформаторов обозначаются знаками следующего вида:
и т. д., где знак перед косой линией показывает схему соединения обмоток высшего напряжения, знак после косой линии - схему соединения обмоток низшего напряжения, цифра - угол между векторами линейных напряжений обмоток высшего и низшего напряжения, выраженный числом угловых единиц по 30.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки высшего и низшего напряжения соединены звездой, причем обмотки низшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, и угол между векторами линейных эдс обмоток высшего и низшего напряжения равен 0x30°, т. е. 0°.

Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соединения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и направления намоток.
Если направление намоток витков обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то эдс, индуктируемые в фазах обмоток высшего и низшего напряжения, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки, то эдс фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.

Стандартными группами являются следующие:

В стандартных схемах обмотки высшего напряжения соединены звездой, так как при такой схеме фазное напряжение в 3 раз меньше линейного, тем самым упрощается изоляция обмоток.
Обмотки низшего напряжения чаще соединяются треугольником, так как при таком соединении трансформатор менее чувствителен к несимметрии нагрузки фаз.
Обмотки низшего напряжения соединяются также по схеме звезда с нулем, так как при такой схеме можно в четырехпроводной сети получить два различных напряжения - линейное и фазное (например, 127 и 220 В, 220 и 380 В и т. д.).

Для увеличения мощности трансформаторной подстанции и для упрощения резерва используется параллельное включение трансформаторов, одним из непременных условий которого является принадлежность их к одинаковым группам.

Опыты холостого хода и короткого замыкания

Для испытания трансформатора служат опыты холостого хода и короткого замыкания.
При опыте холостого хода трансформатора (изо,а) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (I2 = 0)

Схема опыта холостого хода (а) и схема опыта короткого
замыкания (б) трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет проходить ток холостого хода I0. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5—10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25— 30% номинального тока.

Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется па покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos его весьма мал и обычно равен 0,2—0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется ток холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации n.
Ток холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора.
При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника Рст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток.

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания (изо,б) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и выражается в процентах от номинального значения uк%.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания uк%, его активная uа% и реактивная uх% составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора Ро6м при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании RK, XK и ZK. Потери в обмотках измеряются ваттметром.

Активное, реактивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора определяются следующими выражениями:
ZK = UK/I; RK = PK/I; XK =(ZK - RK), где UK, I и Рк - напряжение, ток и мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной обмотки трансформатора.
При испытании трехфазного трансформатора следует в приведенных выше выражениях подставить фазные значения напряжения, тока и мощности.

Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие равны:
ua% = (IHRK/UH) 100;
uP% = (IHXK/UH) 100
uK% = (IHZK/UH) 100, где UH и Iн — номинальные напряжение и ток первичной обмотки трансформатора.

Определение рабочих свойств трансформаторов по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

Свойства трансформатора при работе его под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием.
Если включить трансформатор на какую-либо нагрузку и изменять ее, то по показаниям приборов можно определить, каким образом будет изменяться напряжение на зажимах вторичной обмотки и кпд трансформатора.

Однако при испытании трансформатора под нагрузкой происходит очень большой расход электроэнергии (тем больший, чем больше мощность трансформатора), и для создания активной, индуктивной и емкостной нагрузок необходимо громоздкое оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы).
Кроме этого, непосредственное испытание трансформатора дает очень неточные результаты.

Рабочие свойства трансформатора могут быть определены по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. При этом требуется сравнительно малая затрата энергии, отпадает надобность в громоздком оборудовании, кроме того значительно повышается точность измерений, чем при непосредственном испытании.

По данным опыта холостого хода измеряют напряжения на первичной и вторичной обмотках U1 и U2, ток холостого хода I0 и потребляемую при холостом ходе мощность Р0, которая расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода, т. е. РСТ = Р0.

По данным опыта короткого замыкания, измеряют напряжение короткого замыкания UK, ток первичной обмотки, равный номинальному IH, и мощность Рк, потребляемую трансформатором при опыте короткого замыкания и расходуемую на покрытие потерь в обмотках при номинальной нагрузке, т. е. Робм = Рк, сопротивления (полное, активное и реактивное) трансформатора при коротком замыкании ZK, RK и Хк, а также относительные значения напряжения короткого замыкания uк, его активной uа и реактивной uр составляющих.

При испытании трехфазного трансформатора все величины определяются для одной фазы.
По данным опытов холостого хода и короткого замыкания можно найти напряжение на зажимах вторичной обмотки и кпд трансформатора при любой нагрузке.

Процентное понижение вторичного напряжения при любой нагрузке равно:
u% = ((U20 - U2)/U20) • 100 = (uаcos 2 +up sin2),
где = I/IH - коэффициент нагрузки; I - ток при выбранной нагрузке;
2 - фазный сдвиг между напряжением и током вторичной обмотки.

Напряжение вторичной обмотки при нагрузке U2 = U20 (1 - u/100),
где U20 - напряжение при холостом ходе.

Таким образом, напряжение вторичной обмотки зависит не только от величины, но и от характера нагрузки.
При индуктивном характере нагрузки напряжение понижается с ростом нагрузки в большей степени, чем при чисто активной. При емкостном характере нагрузки происходит повышение напряжения с ростом нагрузки.
Задаваясь значениями и 2, можно определить u и U2 при любой нагрузке трансформатора, не подвергая его испытанию под нагрузкой.

Коэффициентом полезного действия (кпд) или отдачей трансформатора называется отношение полезной мощности трансформатора Р2 к мощности, потребляемой им из сети источника электрической энергии P1, т. е. = P2/P1.

Потребляемая мощность P1 будет всегда больше полезной мощности Р2, так как при работе трансформатора происходит потеря преобразуемой им энергии. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали магнитопровода Рст и потерь в обмотках Робм.
Таким образом, потребляемую трансформатором мощность можно определить следующим выражением:P1= Р2 + Pст + Pобм.

Полезную мощность трансформатора находят следующим образом:
для однофазного P2 = U2I2cos2, для трехфазного P2=3U2I2cos2.

Следовательно, кпд можно определить для однофазного и трехфазного трансформатора для любой нагрузки Р2 следующими выражениями:
= (U2I2cos2)/(U2I2cos2 + Pст + Pобм)

и = (3 U2I2cos2)/(3 U2I2cos2 + Pст + Pобм)

Наибольший кпд трансформатора будет при нагрузке, для которой потери в стали равны потерям в обмотках. У современных трансформаторов кпд очень высок и достигает при полной нагрузке 95—99,5%.
Задаются полезной мощностью Р2, например 0, 25, 50, 75, 100, 125% номинальной мощности, и для каждой из выбранных мощностей определяют потери в трансформаторе.

Потери в стали магнитопровода Рст зависят от марки стали, из которой выполнен сердечник, от частоты тока сети и магнитной индукции в сердечнике.
Так как частота тока сети и магнитная индукция остаются неизменными при работе трансформатора, то и потери в стали не зависят от нагрузки и остаются постоянными.

Потери в обмотках расходуются на нагревание проводников этих обмоток проходящими по ним токами и пропорциональны току во второй степени. Таким образом, при нагрузке 0,5 от номинальной токи в обмотках будут вдвое, а потери в обмотках в четыре раза меньшими, чем при номинальной нагрузке. Задаваясь значениями cos2, определяют кпд при любой нагрузке трансформатора.

Опыт ХХ	Опыт с нагрузкой	Опыт КЗ	Магнитопровод

По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода трансформатора, определить:
а) коэффициент трансформации трансформатора
n = U1 ном / U2 ном;
б) амплитудные значения магнитного потока и магнитной индукции в сердечнике трансформатора
Фm = U1ном /4,44f1w1, Вm = Фm/S,
где w1 - число витков первичной обмотки трансформатора; s - площадь поперечного сечения сердечника трансформатора ( вычислить по данным замеров);

n = 220/22,8 = 9,6
Zm = U1/I0 = 220/0,026 = 8461 om

s = 20 x 50 = 1000 кв.мм.;
Фm =220/4,44 x 50гц x 790вит =0,0013;
Вm = Фm/S = 0,0013/1000 = 0,0000013;

По результатам измерений опыта короткого замыкания определить:
электрические потери мощности в трансформаторе
Рэ ном Рк

Полный расчёт трансформатора возможен только при наличии ваттметра.