Электромагнитная система трехфазного трансформатора

Магнитные системы трехфазных трансформаторов.

Трехфазный трансформатор может быть образован из трех однофазных, если их обмотки определенным образом соединены между собой (например, обе обмотки соединены звездой). Такой трансформатор называют трансформаторной группой или групповым трансформатором (Рис. 2.15). Однако можно выполнить трансформатор с общей магнитной системой для трех фаз с тремя стержнями, или так называемый трехстержневой трансформатор (Рис. 2.16).

Рисунок 2.15 Принципиальная схема трехфазной трансформаторной группы.

Рисунок 2.16 Магнитная цепь трехстержневого трансформатора: с — стержень; я — ярмо.

Группа из трех однофазных трансформаторов несколько дороже трехфазного трансформатора на ту же мощность, имеет несколько более низкий КПД и занимает больше места, хотя каждый однофазный трансформатор группы (так называемая «фаза») меньше но габаритам и по весу, чем трехстержневой трансформатор на полную мощность группы, что имеет большое значение при установке и перевозке мощных единиц. Кроме того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва обычно достаточно иметь всего одну фазу (треть мощности группы), т.к. повреждение одновременно двух фаз трансформатора маловероятно. При трехстерженевом трансформаторе приходиться иметь в резерве другой трансформатор на полную мощность. Таким образом, групповой трансформатор имеет преимущество при больших мощностях, где условие перевозки и надежность при эксплуатации имеют особенно важное значение. Наоборот, трансформаторы средней и особенно малой мощности выполняются главным образом, как трехстержневые. В РФ трехстержневые трансформаторы стандартизованы на мощность до 60000кВА, а групповые – начиная с мощности 3 х 600 кВА и выше.

2.10 Схемы и группы соединений трёхфазных трансформаторов.

Каждая из обмоток трансформатора как первичная, так и вторичная может быть соединена звездой или треугольником. Кроме того, обмотки низшего напряжения масляных трансформаторов средней мощности может иметь соединение зигзаг при котором каждая фаза вторичной обмотки располагается на двух различных стержнях, по половине общего количества витков на каждом стержне.

Соединение обмоток в звезду обозначают — соединение треугольником – знаком , соединение зигзаг – знаком .

Схему соединения пишут в виде дроби, ставя над чертой знак, указывающую соединение фаз высшего напряжения, например: / . Для обозначения обмотки, соединённой в звезду с выведенной нулевой точкой, применяется знак ,для вывода нулевой точки обмоток – 0. Этого обозначения для магнитно – связанных трансформаторов недостаточно, в особенности, если трансформатор масляный, т.к. тогда изменение схемы соединений (находятся внутри бака) сопряжено с большими трудностями, а не все схемы при одинаковом их написании в виде дроби (как указано выше) могут быть включены на параллельную работу. Это обстоятельство побудило, во – первых, определённые условные обозначения зажимов и ответвлений трансформаторов, во – вторых ограничить заводы в свободе выборов схем некоторым числом общеупотребительных соединений и, в – третьих, ввести в обозначение схемы, наряду с вышеупомянутым условным символом, ещё угловое смещение обмоток. При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку. При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй с концом первой, а начало третье с концом второй. В первом случае все начала, а во втором случае общие точки обмоток присоединяются к сети. Следует отметить, что понятия начала и концы обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трёхфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определённое направление магнитного потока в стержнях; в трёхстержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым. На рисунке 2.17 представлена одна фаза трансформатора в которой А, – обмотка высшего напряжения, а вторичная а, – низшего напряжения. По условию обе обмотки намотаны в одну и ту же сторону, а их верхние зажимы «А» и «а» приняты за начала, а нижние зажимы «Х» и « » – за концы обмоток.

Рисунок 2.17 Направления ЭДС одной фазы трансформатора в зависимости от направления намотки и обозначения начала и конца обмоток.

Так как обе обмотки располагаются на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком, то наводимые в этом случае в обмотках эдс имеют в любой момент времени одинаковые относительно зажимов обмоток направление, например от конца «Х» к началу «А» в одной обмотке и от конца «х» к началу «а» – в другой. Соответственно этому эдс на зажимах и совпадают по фазе и изображаются двумя векторами «ХА» и «ха», одинакового направления.

Если обмотки намотаны в разные стороны, но сохраняют то же обозначение зажимов, то эдс и относительно начала обмоток направлены в разные стороны, например от «Х» к «А» и от «а» к «х». Соответственно этому, эдс и должны быть изображены векторами «ХА» и «ха», направленными в противоположные стороны.

Такое же расположение векторов может быть получено путём изменения обозначения концов и при одинаковом направлении намотки катушек. Таким образом, угол сдвига фазной вторичной эдс относительно первичной зависит от направления намотки обмоток и от принятого обозначения зажимов обмоток (маркировки). При расположении обмоток на одном стержне этот угол может быть равным нулю или 180˚.

Угол сдвига линейной эдс будет зависеть ещё от способа соединения фазных обмоток.

Пусть обе обмотки трансформатора соединены звездой, намотаны в одну и ту же сторону и имеют одинаковые обозначения зажимов. Обмотка высшего напряжения по-прежнему принята первичной, а обмотка низшего напряжения – вторичной. Системы линейных и фазных первичных и вторичных эдс предполагаются симметричными. Так как вторичная обмотка как бы повторяет собой первичную. Углы сдвига фаз линейных эдс и фазных эдс вторичной обмотки относительно первичной равен нулю (Рис.2.18).

Рисунок 2.18 Углы сдвига фаз линейных и фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора

При обмотках, намотанных в противоположные стороны (противоположных направлениях), векторы вторичных фазных и линейных эдс должны быть повёрнуты на 180˚ относительно предыдущего их положения (Рис.2.19).

Рисунок 2.19 Углы сдвига фаз линейных и фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора намотанных в противоположные стороны.

На практике принято этот угол выражать не в градусах, а в условных угловых единицах, равных 30˚ каждая. Совпадающим по фазе векторам соответствует угол равный нулю и в условных угловых единицах. Полученная группа соединения обмоток в первом случае обозначается следующим образом / — 0. (Рис.2.18)

Тогда для второго примера угол между вторичными и первичными линейными эдс равен шести условным угловым единицам. Полученная группа соединения обмоток обозначается / — 6. (Рис.2.19)

Угловое смещение векторов линейных эдс обмотки НН по отношению к векторам соответствующих линейных эдс обмотки ВН называется группой соединения обмоток двухобмоточного трансформатора.

Принято сдвиг между линейными напряжениями обмоток характеризовать положением стрелок на циферблате часов. Электродвижущую силу обмотки высшего напряжения совмещать с минутной стрелкой и устанавливать на цифре 12. Часовая (малая) стрелка совмещается с напряжением обмотки низшего напряжения и покажет группу соединения обмоток трансформатора.

Продолжим рассмотрение схемы соединения обмоток двух обмоточного трёхфазного трансформатора / .Учитывая что обмотки имеют одинаковое направление намотки, причём принимается за положительное направление эдс в обмотках направление от конца обмотки к началу. В том случае, если маркировка зажимов выбрана произвольно без учёта согласного направления токов в обмотках, расположенных на одних и тех же стержнях, то возможно несколько групп соединения обмоток. При этом положительное графическое направление эдс в обмотках может совпадать и не совпадать с физическим положительным направлением эдс.

При произвольной маркировки зажимов вторичной обмотки, то можно получать ряд других групп: / — 2, / -4 и т.д., но так как эти группы не имеют практического применения, то мы их не рассматриваем.

Обмотки трансформатора имеют соединение первичной обмотки звездой, а вторичная – треугольником. Обмотки намотаны в одну и ту же сторону. В этом случае имеем следующую систему эдс обмоток (рис. 2.20).

Рисунок 2.20 Векторная диаграмма обмотки трансформатора имеют намотку, первичная , вторичная

Из составления треугольников АВС и авс видно, что угол между векторами соответствующих вторичных и первичных эдс равен 330˚, т.е. 11 условных угловых единиц, следовательно данная группа соединения обмоток должна иметь обозначение — / -11.

Если бы обмотки были намотаны в противоположные стороны, но маркировка зажимов осталась прежняя, то треугольник авс повернётся относительно положения (предыдущего) на 180˚. В этом случае угол между векторами «АВ» и вектором «ав» был бы 150˚, соответственно чему группа соединения обозначалась бы: / — 5. Если вторичная обмотка соединена треугольником по схеме ax — by – cz, то при одинаковом направлении получается группа соединений / — 1.

Всего существует 12 возможных вариантов групп при круговой перестановке обозначений зажимов. Чётные группы 0,2,4,6,8,10 будут в том случае, когда схемы соединения обмоток одинаковы, и нечётные группы 1,3,5,7,9,11 когда схемы соединения различны. ГОСТ 11677 предусматривает изготовление силовых трансформаторов только с группами соединения обмоток 0 и 11, т.к. в эксплуатации вполне достаточно иметь две группы.

Опытным путём группа соединений определяется следующим образом. Соединяют одноимённые выводы обмоток высшего и низшего напряжений, например «А» и «а». Присоединяют трансформатор к сети с симметричным напряжением и измеряют напряжение между выводами трансформатора. По измеренным напряжениям строят векторную диаграмму, которая должна совпасть с одной из диаграмм таблицы групп соединений трёхфазных трансформаторов.

Выбор схемы соединения обмоток определяется экономическими соображениями с учётом явлений в трансформаторе и нагрузке.

Для двухобмоточных трёхфазных трансформаторов рекомендуются схемы: / ; / ; / ; / .

Схемы соединения / и / применяют в трансформаторах распределительных сетей небольшой мощности. Обмотка ВН имеет соединение . В это случае фазное напряжение меньше в раза, чем при соединении , следовательно, и меньше расход изоляционных материалов. Обмотки НН имеет смеху соединения или для создания четырех проводных линий питающих осветительную и силовую нагрузку.

Схему соединения / применяют в трансформаторах распределительных сетей при значительно большем диапазоне мощностей и напряжений, чем / . Эта схема используется главным образом для питания силовой нагрузки.

Схему соединения обмоток / применяют в повышающих и понижающих трансформаторах большой мощности для передачи и распределения электрической энергии. Эта схема повсеместно используется в трансформаторах, установленных на обоих концах линии электропередач, причем обмотка ВН соединяется по схеме .

Соединения вторичной обмотки в зигзаг ( ) при _2н= 0,4 кВ предусматривается для трехфазных трансформаторов мощностью 0,25 до 250 кВА. Положительной особенностью трансформатора с соединением вторичной обмотки по сравнению со схемой соединения является то, что при несимметричной нагрузке практически не нарушается симметрия фазных напряжений. Такие трансформаторы целесообразно применять в сельской электрификации, где наиболее вероятна несимметричная нагрузка фаз однофазными потребителями.

Недостаток трансформатора изготовленного по схеме / — дополнительный расход меди для вторичной обмотки, так как соединение ее получается путем разбивки каждой фазы на две половины и размещения этих половин на различных стержнях по принципу кругового перемещения. При одинаковом числе витков во вторичной обмотке отношение эдс фаз при соединении и будет = 0,866. При заданном фазном напряжении соответственно в 2/ раза должно быть увеличено число витков. Общий расход меди на трансформатор повышается в среднем на 8%. Вследствие увеличенного числа витков вторичной обмотки, а также размещения на одном стержне полуобмоток, по котором протекают различные по фазе токи, потоки рассеяния таких обмоток больше, следовательно и больше индуктивные сопротивления, чем при схемах соединения фаз / .

Дата добавления: 2015-09-18 ; просмотров: 2910 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Принцип работы трехфазного трансформатора

Принцип действия трехфазного трансформатора

Трансформаторы – статические электромагнитные аппараты, с помощью которых возможно преобразовать переменный ток из одного класса напряжения в другой, при этом с неизменной частотой.

В энергосистемах трансформатор, который преобразовывает электроэнергию трехфазного напряжения, называют трехфазным силовым.

Для передачи электроэнергии от генераторов электростанций к линиям электропередач (ЛЭП) применяют повышающие трансформаторы (они увеличивают класс напряжения), от ЛЭП к распределительным подстанциям и далее к потребителям – понижающие (они уменьшают класс напряжения).

Конструктивная особенность

Трехфазный трансформатор имеет основу – магнитный сердечник, собранный из трёх ферромагнитных стержней.

На стержнях располагаются первичная обмотка высокого напряжения и вторичная обмотка низкого напряжения. Для соединения фаз первичных обмоток применяют схемы «треугольник» либо «звезда». Аналогичным способом соединения выполняются и вторичные обмотки.

На первичную обмотку подаётся электроэнергия из питающей сети, а на вторичную подключается нагрузка.

Электроэнергия передаётся за счет электромагнитной индукции.

Главная функция магнитопровода – обеспечить между обмотками магнитную связь. Магнитопровод изготавливают из тонких стальных пластин (электротехническая листовая сталь). Чтобы сократить потери, стальные листы между собой изолируют, используя оксидную пленку или специальный лак.

Трансформатор силовой трехфазный с литой изоляцией ТСЛ (ТСГЛ) и ТСЗЛ (ТСЗГЛ)

Трансформатор силовой трехфазный ТС и ТСЗ

Трансформатор-стабилизатор высоковольтный дискретный ВДТ-СН

Обмотки с магнитопроводом погружаются в бак, в котором находится трансформаторное масло. Оно одновременно выполняет функцию изоляции и охлаждающей среды. Такие трансформаторы называются масляными. Трехфазный трансформатор, у которого в качестве охлаждения и изоляции используется воздух, называют сухим. Недостаток масляных трансформаторов заключается в повышенной пожароопасности.

Принцип работы

Электромагнитная индукция является базовым явлением в работе трансформатора.

Из электрической сети подается питание к первичной обмотке, в ней появляется переменный ток, в магнитопроводе при этом образуется магнитный переменный поток. Как известно из физики, если поместить второй проводник в магнитное поле, в нем также появляется переменный ток. В качестве второго проводника в трансформаторе выступает вторичная обмотка. Таким образом, в ней появляется напряжение.

Разница между первичным и вторичным напряжением зависит от коэффициента трансформации, который определяется числом витков в обмотках.

Трехфазный трансформатор: строение, виды, принцип работы

Преобразование трёхфазной системы напряжения можно реализовать с помощью трёх однофазных трансформаторов. Но при этом будет использован аппарат значительного веса и внушительных размеров. Трехфазный трансформатор лишён этих недостатков, так как его обмотки располагаются на стержнях общего магнитопровода. Поэтому в сетях мощностью до 60 тыс. кВА его применение является оптимальным вариантом.

Назначение трёхфазного трансформатора

Главной функцией трансформаторов является передача электроэнергии на большие дистанции. Электрическая энергия переменного тока вырабатывается на электростанциях. При передаче электроэнергии появляются потери на нагревание проводов. Их можно уменьшить, снизив силу тока. Для этого необходимо увеличить напряжение таким образом, чтобы его значение находилось в диапазоне от 6 до 500 кВ.

Кратность увеличения зависит от значения передаваемой мощности и расстояния до конечного пункта.

Мощность, которая при этом передаётся, зависит от двух параметров: напряжения и силы тока.

Главной характеристикой, влияющей на изменение потерь проводов, связанных с нагревом, является значение силы тока. Для того, чтобы снизить потери на нагревание, необходимо уменьшить силу тока. Уменьшая ток, величину напряжения соответственно нужно увеличивать. Тогда значение мощности, которая передаётся, останется неизменным.

После того, как напряжение будет доставлено потребителям, его следует снизить до необходимой величины.

Соответственно, основной задачей трёхфазных трансформаторов является повышение напряжения перед передачей электроэнергии и понижение после неё.

Определение и виды прибора

Трехфазный трансформатор — это статический аппарат с тремя парами обмоток. Прибор предназначен для преобразования напряжения при передаче мощности на значительные дистанции.

Классификация по количеству фаз:

Однофазные трансформаторы имеют небольшую мощность. Основными областями их применения являются быт и проведение работ специального назначения (сварка, измерения, испытания).

Диапазон мощности трёхфазных трансформаторов варьируется в больших пределах. Поэтому и область их применения весьма разнообразна:

• для питания токоприёмников специального назначения;
• для присоединения измерительных приборов;
• для изменения значения напряжения при испытаниях;
• для увеличения или уменьшения напряжения при подключении освещения или силовой нагрузки.

Принцип действия

Основой трёхфазного трансформатора являются магнитопровод и обмотки. В каждой фазе присутствует своя повышающая и понижающая обмотка. Так как фаз три, соответственно обмоток шесть. Между собой они не соединены.

Принцип работы трёхфазного трансформатора, как и однофазного, базируется на законе электромагнитной индукции.

При подключении к сети первичной обмотки в ней начинает протекать переменный ток. Из-за него в сердечнике магнитопровода из стали появляется основной магнитный поток, который охватывает обмотки в каждой фазе. В каждом витке появляется одинаковая по значению и величине электродвижущая сила.

Если количество витков вторичной обмотки меньше, нежели число витков первичной, то на выходе окажется напряжение меньшего значения, чем на входе и наоборот.

Тот факт, что значение электродвижущей силы зависит лишь от количества витков определённой обмотки, подтверждают формулы:

E 1, Е 2 — значение электродвижущей силы в первичной и вторичной обмотках соответственно, В;

f 1 — частота тока в сети, Гц;

Ф — максимальное значение основного магнитного потока, Вб;

W 1, W 2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Строение трансформатора

Основными частями преобразователя напряжения являются:

• магнитопровод;
• обмотки высокого и низкого напряжения;
• бак;
• вводы и выводы.

К дополнительной аппаратуре относятся:

• расширительный бак;
• выхлопная труба;
• пробивной предохранитель;
• приборы для контроля и сигнализации.

Магнитопровод необходим для крепления всех частей аппарата. Он является своеобразным скелетом преобразователя напряжения. Второй его задачей является создание направление движения для основного магнитного потока. В зависимости от особенностей крепления обмоток к сердечнику, магнитопровод трансформатора может быть трёх видов:

Для изготовления обмоток трансформаторов небольшой мощности используют провод из меди, имеющий прямоугольное или круглое сечение.

Трансформаторное масло является очень важным элементом в аппарате. В маломощных трансформаторах (сухих) его не применяют. При средней и высокой мощности его использование обязательно.

У трансформаторного масла две задачи:

• охлаждение обмоток, нагревающихся вследствие протекания по ним тока;
• повышение изоляции.

Схемы и группы соединения обмоток

В трёхфазных трансформаторах необходимо соединять между собой первичные обмотки по фазам и вторичные.

Существует три схемы соединения:

При соединении обмоток звездой напряжение линейное — между началами фаз — будет в 1,73 раза больше, чем фазное (между началом и концом фазы). При соединении обмоток трансформатора треугольником фазное и линейное напряжения будут одинаковы.

Соединять обмотки звездой более выгодно при высоких напряжениях, а треугольником — при значительных токах. Соединение обмоток зигзагом даёт возможность сгладить асимметрию намагничивающих токов. Но недостатком такого способа соединения является повышенная трата обмоточного материала.

Сфера использования

Такие трансформаторы в основном используются в промышленности. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Его изделие не имело замкнутого сердечника, он появился позже – в 1884 году. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый трёхфазный асинхронный двигатель и трансформатор. Через два года была представлена презентация трёхфазной высоковольтной линии протяженностью 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Чуть позже появились масляные агрегаты, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

Источник