Трехфазные трансформаторы

   Ещё одно отличие состоит в том, что  ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в  броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

   Основными частями конструкции  трансформатора являются:

   • магнитная система (магнитопровод)

   • обмотки

   • система охлаждения

   Магнитная система (магнитопровод) трансформатора — комплект элементов (чаще всего  пластин) электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определённой геометрической форме, предназначенный для локализации в нём основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система в полностью собранном виде совместно со всеми узлами и деталями, служащими для скрепления отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора.

   Часть магнитной системы, на которой располагаются  основные обмотки трансформатора, называется — стержень. Часть магнитной системы  трансформатора, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи, называется — ярмо.

   В зависимости от пространственного  расположения стержней, выделяют:

   1. Плоская магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости

   2. Пространственная магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси стержней или ярм, или стержней и ярм расположены в разных плоскостях

   3. Симметричная магнитная система — магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней

   4. Несимметричная магнитная система — магнитная система, в которой отдельные стержни могут отличаться от других стержней по форме, конструкции или размерам или взаимное расположение какого-либо стержня по отношению к другим стержням или ярмам может отличаться от расположения любого другого стержня

   Обмотки

   Основным  элементом обмотки является виток  — электрический проводник, или ряд параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток которого совместно с токами других таких проводников и других частей трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.

   Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой  суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.

   Проводник обмотки в силовых трансформаторах  обычно имеет квадратную форму для  наиболее эффективного использования  имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади проводника проводник может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы называется жилой. Каждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо эмалевого лака. Две отдельно изолированных и параллельно соединённых жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем. Особым видом проводника обмотки является непрерывно транспонированный кабель. Этот кабель состоит из жил, изолированных при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом положении друг к другу, как показано на рисунке. Непрерывно транспонированный кабель получается путём перемещения внешней жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения общей внешней изоляции. Бумажная обмотка кабеля выполнена из тонких (несколько десятков микрометров) бумажных полос шириной несколько сантиметров, намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для получения требуемой общей толщины.

   Обмотки разделяют по:

   1. Назначению

   o Основные — обмотки трансформатора, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.

   o Регулирующие — при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.

   o Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. п.

   2. Исполнению

   o Рядовая обмотка — витки обмотки располагаются в осевом направлении во всей длине обмотки. Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.

   o Винтовая обмотка — винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.

   o Дисковая обмотка — дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и наружу на соседних дисках.

   o Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

   Трехфазный трансформатор 

   Трансформирование электроэнергии трехфазного тока можно  осуществить тремя однофазными  трансформаторами или одним трехфазным трансформатором. На каждом из трех стержней трансформатора размещается по две  обмотки, принадлежащие одной фазе , одна из которых является первичной, а другая – вторичной. Начала первичных обмоток обозначаются буквами A, B, C, а их концы X, Y, Z; для вторичных обмоток их начала обозначаются малыми буквами a, b, c концы – x, y, z.

   Физические  процессы, происходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора, ничем не отличаются от аналогичных в однофазном трансформаторе; следовательно, векторная диаграмма однофазного трансформатора может рассматриваться как диаграмма одной фазы трехфазного трансформатора.

   Обмотки трехфазных трансформаторов могут  соединяться по схемам «звезда» или  «треугольник», которые условно   

   Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторов 

   Существуют  три основных способа соединения фазовых обмоток каждой стороны трёхфазного трансформатора:

   • Y-соединение, так называемой соединение звездой, где все три обмотки соединены вместе одним концом каждой из обмоток в одной точке, называемой нейтральной точкой или звездой

   • D-соединение, так называемое дельта-соединение, или соединение треугольником, где три фазных обмотки соединены последовательно и образуют кольцо (или треугольник)

   • Z-соединение, так называемое соединение зигзагом

   Первичная и вторичная стороны трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше. Данные способы предлагают несколько различных комбинаций соединений в трансформаторах с различными характеристиками, выбор которых также может быть обусловлен типом сердечника.

   Y-соединение  обычно является естественным  выбором для самых высоких напряжений, когда нейтральная точка предназначена для зарядки. В любом случае в целях защиты от перенапряжения или для прямого заземления предусмотрено наличие нейтрального проходного изолятора. В последнем случае в целях экономии уровень изоляции нейтрали может быть ниже, чем уровень изоляции фазного конца обмотки. Соединённая звездой обмотка также имеет то преимущество, что переключение регулирования коэффициента трансформации может быть предусмотрено на нейтральном конце, где также может быть размещён переключатель числа витков. Поэтому переключатель числа витков сможет функционировать при напряжении низкого логического уровня, а разница напряжений между фазами также будет незначительная. По сравнению с расходами, затраченными на установку переключателя числа витков, при более высоком уровне напряжения экономические затраты будут ниже.

   Соединение  звездой используется на одной стороне  трансформатора, другая сторона должна быть соединена треугольником, особенно в случаях, если нейтраль соединения звездой планируется для зарядки. Соединение обмотки треугольником обеспечивает баланс ампер-виток для тока нулевой последовательности, следующего по нейтрали, и каждой фазы соединения звездой, что даёт приемлемый уровень полного сопротивления нулевой последовательности. Без соединения треугольником обмотки ток нулевой последовательности привёл бы к образованию поля токов нулевой последовательности в сердечнике. Если сердечник имеет три стержня, данное поле от ярма к ярму проникнет сквозь стенки бака и приведёт к выделению тепла. В случае с броневым сердечником, или при наличии пяти стержней сердечника, данное поле проникнет между раскрученными боковыми стержнями и полное сопротивление нулевой последовательности существенно повысится. Вследствие этого ток, в случае пробоя на землю может стать настолько слабым, что защитное реле не сработает.

   В соединенной треугольником обмотке  ток, протекающий по каждой фазовой  обмотке равен фазному току, разделённому на  , в то время как в соединении звездой, линейный ток каждой фазной обмотки идентичен линейному току сети. С другой стороны, для одинакового напряжения соединение треугольником требует наличия трёхкратного количества витков по сравнению с соединением звездой. Соединение обмотки треугольником выгодно использовать в высоковольтных трансформаторах, когда сила тока высока, а напряжение относительно низкое, как например, в обмотке низшего напряжения в повышающих трансформаторах.

   Соединение  обмотки треугольником позволяет  циркулировать третьей (и кратным  ей) гармонике тока внутри треугольника, образованного тремя последовательно соединёнными фазными обмотками. Токи третьей гармоники необходимы во избежание искажения синусоидальности потока магнитных, и, следовательно, наведённой ЭДС во вторичной обмотке. Третья гармоника тока во всех трёх фазах имеет одинаковое направление, данные токи не могут циркулировать в обмотке, соединённой звездой, с изолированной нейтралью.

   Недостаток  троичных синусоидальных токов в  намагничивающем токе может привести к значительным искажениям наведённого напряжения, в случаях, если у сердечника 5 стержней, или он исполнен в броневом варианте. Соединённая треугольником обмотка трансформатора устранит данное нарушение, так как обмотка с соединением треугольником обеспечит затухание гармонических токов. Иногда в трансформаторах предусмотрено наличие третичной D-соединённой обмотки, предусмотренной не для зарядки, а для предотвращения искажения напряжения и понижения полного сопротивления нулевой последовательности. Такие обмотки называются компенсационными. Распределительные трансформаторы, предназначенные для зарядки, между фазой и нейтралью на стороне первого контура, снабжены обычно соединённой треугольником обмоткой. Однако ток в соединённой треугольником обмотке может быть очень слабым для достижения минимума номинальной мощности, а требуемый размер проводника обмотки чрезвычайно неудобен для заводского изготовления. В подобных случаях высоковольтная обмотка может быть соединена звездой, а вторичная обмотка — зигзагообразно. Токи нулевой последовательности, циркулирующие в двух отводах зигзагообразно соединённой обмотки будут балансировать друг друга, полное сопротивление нулевой последовательности вторичной стороны главным образом определяется полем рассеяния магнитного поля между двумя разветвлениями обмоток, и выражается весьма незначительной цифрой.

   При использовании соединения пары обмоток  различными способами возможно достигнуть различных степеней напряжения смещения между сторонами трансформатора.

   Сдвиг фаз между ЭДС первичной и  вторичной обмоток принято выражать группой соединений. Для описания напряжения смещения между первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками, традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0° до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны указывает на другую цифру циферблата.