Трехфазные трансформаторы — это машины, которые передают электрическую энергию между цепями. Во вторичной цепи магнитный поток индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), тем самым повышая (увеличивая) или понижая (уменьшая) напряжение без изменения частоты. Существуют разные виды электрических систем, поэтому трансформаторы должны работать вместе с совместимыми системами. Трехфазный трансформатор работает с трехфазной электрической системой переменного тока, обеспечивая потребителям стабильное и безопасное для устройства электричество. В зависимости от отрасли или применения размер, конструкция, номинальное напряжение и допустимая нагрузка трехфазного трансформатора будут различаться.
Что такое трехфазный трансформатор?
В некоторых трансформаторах выпрямления постоянного тока трансформаторы напряжения могут быть рассчитаны на одну фазу или на две, три, шесть и даже сложные комбинации до 24 фаз. В процессах производства, распределения и передачи электроэнергии может использоваться трехфазный режим, обозначаемый как 3φ или 3-фазный. Трехфазный трансформатор работает от трехфазного источника питания, и первичная и вторичная обмотки имеют по три набора обмоток.
Что такое трехфазная электрическая система?
Трехфазные и однофазные электрические системы используют переменный ток (AC). Переменный ток обычно имеет синусоидальную форму, но также могут генерироваться и другие формы сигналов, такие как прямоугольные, треугольные и сложные волны. Сигналы переменного тока имеют три важных свойства: амплитуду, период и частоту. Амплитуда описывает величину волны. Период — это время, когда происходит одно полное колебание, а частота — это количество циклов, появляющихся в секунду.
Полное колебание переменного тока имеет как пик, так и минимум. Для обычного цикла 360° эти точки находятся под углами 90° и 270°. Однофазная система имеет один пик и впадину внутри одного проводника, и в этих точках наблюдаются максимальные значения, но в противоположных направлениях. С другой стороны, трехфазные системы имеют три пика и минимума на трех проводниках. Напряжения и токи опережают или отстают друг от друга на 120° (см. рисунок 2).
Значение закона индукции Фарадея.
Работа всех типов трансформаторов подчиняется закону электромагнитной индукции Фарадея – он гласит, что величина ЭДС, индуцируемая внутри цепи, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пересекающего цепь.
Следовательно, в проводнике, помещенном рядом с изменяющимся магнитным полем (например, от электромагнита, питаемого переменным током), будет течь электрический ток. Электромагнитные цепи такого типа называются первичными обмотками.
Когда электрический ток сжимается и постоянно генерируется с определенной частотой, магнитное поле сжимается и воссоздается аналогичным образом. Это переменное магнитное поле индуцирует ток в проводниках, пересекаемых этим потоком; тогда их называют вторичными обмотками. Частота одинакова на обеих обмотках.
Различные типы трехфазных трансформаторов
Трехфазные трансформаторы можно разделить на категории в зависимости от их конструкции. Существует два типа трехфазных трансформаторов: сердечниковый с первичной и вторичной обмотками, намотанными на один сердечник, и кожуховый трансформатор, объединяющий три однофазных трансформатора.
Тип ядра
В трехфазных трансформаторах с сердечником сердечник имеет три плеча в одной плоскости. Каждое плечо содержит первичную и вторичную обмотки, и эти обмотки равномерно распределены между тремя плечами. Нередко можно услышать об обмотках высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН).
Поскольку обмотку низкого напряжения легче изолировать, эти обмотки расположены ближе к сердечнику, чем катушки более высокого напряжения. Последние обмотки наматываются на первую, между ними находится изоляционный материал. В этой конструкции обмотки магнитно связаны друг с другом, причем одна обмотка использует другую пару плеч в качестве обратного пути для своего магнитного потока (см. Рисунок 3).
Трехфазный трансформатор кожухового типа представляет собой три отдельных однофазных трансформатора. Магнитные поля трех фаз этого трансформатора практически независимы, а сердечник этого трансформатора имеет пять ветвей, как показано на рисунке 3.
Обмотки ВН и НН расположены вокруг трех основных конечностей. Как и в трехфазном устройстве с сердечником, катушка низкого напряжения расположена ближе всего к сердечнику. Два крайних конечности служат обратными путями потока.
Магнитный поток делится на две части по мере приближения поля к ярму. Обычно внешние конечности и ярмо составляют половину размера основных конечностей. Вы можете уменьшить высоту трансформатора, уменьшив размер ярма.
Конструкция трехфазного трансформатора
Помимо сердечника и обмоток, в трансформаторе есть и другие важные части, описанные ниже:
- Изоляция: эта часть действует как барьер, отделяющий обмотки от сердечника.
- Трансформаторное масло: Трансформаторное масло выполняет две основные функции: изоляцию и охлаждение. Изоляционные свойства масла предотвращают короткое замыкание и искрение. Это масло действует как охлаждающая жидкость, отводя тепло от сердечника и обмоток.
- Термометры: Термометры контролируют температуру масла.
- Системы сброса давления. Системы сброса давления являются частью протокола безопасности. Они разрядят ситуации избыточного давления, когда масло вспыхивает из-за короткого замыкания.
- Охладитель: Система охлаждения охлаждает охлаждающую жидкость. Он охлаждает горячее масло через трубки с водяным или воздушным охлаждением. Затем охлаждающая жидкость возвращается в сердечник и обмотки.
- Бак: Бак защищает обмотки и сердечник трансформатора от внешних воздействий и удерживает охлаждающую жидкость.
- Маслорасширитель: Маслорасширитель представляет собой емкость, установленную отдельно от бака. Он помогает удерживать масло после его расширения из-за нагрева в обмотках и сердечнике.
- Регуляторы напряжения. Регуляторы напряжения изменяют выходное напряжение, которое имеет тенденцию к снижению в условиях нагрузки. Изменение витков ответвления с помощью переключателя ответвлений регулирует соотношение напряжений.
- Газовое реле: Газовые реле имеют еще одно название – реле Бухгольца. Он удерживает пузырьки газа, выделяющегося из бака трансформатора, и появление этого свободного газа указывает на проблему с трансформатором.
- Сапуны: Сапуны сохраняют трансформаторное масло сухим. Эти сапуны удаляют влагу из воздушных карманов над уровнем масла маслорасширителя.
Конфигурации трехфазного трансформатора
У этих трехфазных машин есть два важных соединения: конфигурации звезда и треугольник. Подробно эти типы подключения для нагревателей мы уже описывали в нашей предыдущей статье, также как и особенности их применения в трехфазных двигателях, а сейчас давайте подробнее рассмотрим варианты подключения в трансформаторах.
Звездообразную конфигурацию также называют соединением «звезда». У него четыре вывода, но три обмотки. Три обмотки образуют три фазы цепи, а четвертая клемма является клеммой, где встречаются три другие обмотки; это общая нейтральная точка.
Соединение треугольником, также известное как дельта соединение, представляет собой соединение трех обмоток, концы которых соединены, образуя замкнутый контур. Он имеет три клеммы и обмотки без нейронной точки, вместо этого используются заземляющие соединения. Соединение треугольником конфигурируется в системах с высокой ветвью путем заземления средней точки одной фазы, как показано на рисунке 4.
Характеристики напряжения и тока
Есть свои плюсы и минусы в использовании трехфазных трансформаторных систем со звездой или треугольником. Понимание фазовых и линейных токов и напряжений имеет первостепенное значение для выбора правильной системы для ваших приложений.
Фазные токи и напряжения измеряются по одному компоненту, тогда как параметры линии измеряются по двум клеммам. Таблица 1 демонстрирует взаимосвязь между этими характеристиками:
- VL: линейное напряжение (линейное напряжение)
- VP: фазное напряжение (фазное напряжение)
- IL: линейный ток
- IP: фазный ток
Помимо напряжений и токов, калькулятору трехфазного трансформатора потребуется еще один параметр для правильного определения размера устройства — коэффициент трансформации (TR). Поскольку трансформатор представляет собой линейную машину, напряжения во вторичных обмотках можно определить, используя первичные напряжения и коэффициент трансформации. Это соотношение витков вторичной и первичной обмоток.
Схемы обмоток 3-фазного трансформатора
Первичная и вторичная обмотки трехфазного трансформатора могут иметь как разную, так и одинаковую конфигурацию. Четыре основных перестановки включают в себя:
Конфигурация Звезда-Звезда (Y-Y)
Первичная и вторичная обмотки намотаны по схеме звезды. Его главное преимущество заключается в наличии нейтральной клеммы на двух сторонах трансформатора, обеспечивающей заземление. Заземление устраняет искажения формы сигнала. При отсутствии заземления работа такого трансформатора является удовлетворительной, если три нагрузки на трех фазах сбалансированы. В основном это касается небольших трансформаторов высокого напряжения.
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: вторичное напряжение
- VP: первичное напряжение
- IS: вторичный ток
- IP: первичный ток
Такое подключение уменьшает количество витков, поскольку фазное напряжение составляет 1/√3 напряжения сети. Количество требуемой изоляции также снижается.
Конфигурация Треугольник-Треугольник (Δ-Δ)
Первичная и вторичная обмотки расположены по схеме треугольника. Эта система предназначена для больших трансформаторов низкого напряжения и использует большее количество витков, чем тип YY. Одним из преимуществ этого соединения является то, что оно совместимо с несимметричными нагрузками на фазах. Еще одним преимуществом является то, что даже когда трансформатор отключен, его трехфазные нагрузки могут оставаться запитанными. Обычно это конфигурация открытого треугольника с пониженной производительностью.
В конфигурации «дельта-дельта»:
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: вторичное напряжение
- VP: первичное напряжение
- IS: вторичный ток
- IP: первичный ток
Конфигурация Звезда-Треугольник (Y-Δ)
В этой конфигурации первичная обмотка соединена звездой и заземлена на нейтральной клемме. Вторичные витки соединены по схеме треугольника. Его основная область применения – понижение напряжения на стороне подстанции в электрической передаче.
Вторичные и первичные линейные напряжения имеют соотношение, которое в 1/√3 раза превышает коэффициент трансформации устройства. Также существует сдвиг на 30 градусов между первичным и вторичным линейным напряжением.
Конфигурация Треугольник-Звезда (Δ-Y)
Первичная обмотка подключается по схеме треугольника, а вторичная – по схеме заземленной звезды. В основном он используется в повышающих трансформаторах, расположенных в месте начала линии передачи. Соотношение напряжений вторичной и первичной линий в √3 раза превышает коэффициент трансформации устройства. Также существует сдвиг на 30 градусов между первичным и вторичным напряжением сети, как в трансформаторе Звезда-Треугольник.
Помимо четырех основных перестановок, есть еще две конфигурации. Остальные являются результатом изменения первичных обмоток треугольника и звезды.
Применение трехфазных трансформаторов
Трехфазные трансформаторы — это универсальные машины, которые находят применение во многих областях.
- В процессах производства и передачи электроэнергии используются трехфазные трансформаторы.
- Трехфазные трансформаторы могут повышать/понижать напряжение во многих отраслях промышленности. Эти трансформаторы широко используются в горнодобывающей промышленности, полиграфии, текстильной промышленности, лифтах, промышленной автоматизации и нефтехимии, а также в ряде других областей.
- Поскольку трехфазный трансформатор может исключить шум и высокочастотные импульсные помехи из-за своей внутренней связи, они необходимы при изготовлении прецизионных станков. Присутствует в системах промышленных нагрузок большой мощности, таких как электроприводы и выпрямители, а также в другом оборудовании.
Часто задаваемые вопросы
Может ли трехфазный трансформатор использовать однофазный источник для подачи трехфазной мощности?
Невозможно преобразовать однофазное входное напряжение в трехфазное питание на выходе трансформатора. Фазосдвигающие машины или фазопреобразователи, такие как конденсаторы и реакторы, необходимы при преобразовании однофазной системы в трехфазную.
Могут ли трехфазные трансформаторы работать на частотах выше номинальной?
Допускается использование трехфазных трансформаторов на частотах выше номинальных. Но чем выше частота превышает номинальное значение, тем сильнее снижается регулирование напряжения.
Что означает полное сопротивление, когда речь идет о трехфазных трансформаторах?
Импеданс — это противодействующая/ограничивающая характеристика тока трансформатора, обычно выражаемая в процентах. Этот параметр определяет отключающую способность предохранителя или автоматического выключателя для защиты первичных обмоток трансформатора.