Трехфазные трансформаторы являются ключевыми устройствами в передаче электроэнергии между различными цепями. Они эффективно изменяют уровень напряжения во вторичных цепях, используя индуцированное электромагнитное поле (ЭМП), которое либо увеличивает, либо снижает напряжение, при этом сохраняя постоянную частоту. Учитывая разнообразие электрических систем, трансформаторы должны быть согласованы с соответствующими системами для эффективной работы. В трехфазных электросистемах переменного тока эти трансформаторы обеспечивают надежное и безопасное электроснабжение для потребителей. В зависимости от сферы применения, такие параметры трехфазных трансформаторов, как размер, конструкция, номинальное напряжение и максимально допустимая нагрузка, могут существенно варьироваться.
Основы трехфазных трансформаторов и их роль в электроснабжении
Трехфазный трансформатор представляет собой важное устройство в системах электроснабжения. В отличие от трансформаторов, используемых в системах постоянного тока, где напряжение может быть рассчитано для одной, двух, трех, шести или даже более сложных конфигураций до 24 фаз, трехфазный трансформатор специально разработан для работы в 3φ (трехфазном) режиме. Это особенно актуально для производственных, распределительных и передающих процессов электроэнергии. Трехфазные трансформаторы оснащены тремя наборами обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах, позволяя им эффективно работать с трехфазным источником питания.
Иллюстрация 2: Трехфазный трансформатор с тремя комплектами обмоток на первичной и вторичной сторонах.
Понимание трехфазной электрической системы переменного тока
Трехфазные и однофазные системы являются основными типами систем, работающих с переменным током (AC). Переменный ток характеризуется своей синусоидальной волной, хотя могут генерироваться и другие формы волн, такие как квадратные, треугольные и другие сложные волны. Три ключевых атрибута переменного тока включают амплитуду (максимальную величину волны), период (длительность одного полного колебания) и частоту (количество полных колебаний за секунду).
В типичном цикле переменного тока 360°, пиковые и минимальные значения волны расположены на 90° и 270° соответственно. В однофазной системе, один проводник демонстрирует один пик и одну впадину за цикл, с максимальными значениями в противоположных направлениях. В отличие от этого, в трехфазной системе, три проводника обеспечивают три пика и три минимума, с фазовым сдвигом напряжения и тока на 120° друг от друга, что обеспечивает более равномерное распределение мощности (см. рисунок 2).
Важность закона электромагнитной индукции Фарадея в трансформаторах
Все трансформаторы функционируют в соответствии с принципами электромагнитной индукции, описанными Фарадеем. Этот закон утверждает, что электродвижущая сила (ЭДС) в цепи напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока, который проходит через эту цепь.
Когда проводник находится рядом с магнитным полем, изменяющимся во времени (как, например, в случае электромагнита, подключенного к источнику переменного тока), в проводнике возникает электрический ток. Такие проводники в контексте трансформаторов называются первичными обмотками.
В ситуациях, когда электрический ток изменяется с определенной частотой, создавая магнитное поле, которое также изменяется, это изменяющееся магнитное поле вызывает возникновение индуцированного тока в соседних проводниках. Эти проводники известны как вторичные обмотки. Важно отметить, что частота тока остается одинаковой как в первичных, так и во вторичных обмотках.
Классификация трехфазных трансформаторов по типам конструкции
Разнообразие трехфазных трансформаторов обусловлено их конструктивными особенностями. Они подразделяются на две основные категории. Первая категория - это сердечниковые трансформаторы, где как первичные, так и вторичные обмотки расположены на общем сердечнике. Второй тип - кожуховые трансформаторы, представляющие собой комбинацию трех отдельных однофазных трансформаторов, объединенных в единое целое.
Конструктивные особенности ядра трехфазных трансформаторов
В трехфазных трансформаторах сердечникового типа используется ядро с тремя стержнями, расположенными на одном уровне. На каждом стержне находятся как первичные, так и вторичные обмотки, равномерно распределенные по всем стержням. Обычно в этих трансформаторах используются обмотки высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН).
Для обеспечения лучшей изоляции обмотки низкого напряжения располагаются ближе к ядру, а обмотки высокого напряжения - поверх них, с промежуточным изоляционным слоем. В этой конструкции обмотки магнитно связаны, при этом одна обмотка использует соседние стержни как обратный путь для своего магнитного потока.
Что касается трехфазных трансформаторов кожухового типа, они состоят из трех отдельных однофазных трансформаторов. Магнитные поля этих трех фаз практически независимы друг от друга, а ядро такого трансформатора имеет пять ветвей. Обмотки высокого и низкого напряжения находятся вокруг трех основных стержней, причем обмотки низкого напряжения, как и в сердечниковом типе, расположены ближе к ядру. Две крайние ветви служат обратными путями потока.
В этой конструкции магнитный поток разделяется, приближаясь к боковым ветвям, где размер боковых ветвей и ярма обычно составляет половину размера основных стержней. Регулирование размера ярма может позволить уменьшить высоту трансформатора.
Рисунок 3: Схематическое изображение трансформаторов кожухового (А) и сердечникового (Б) типов.
Конструкция трехфазного трансформатора
Трехфазный трансформатор состоит не только из сердечника и обмоток, но и из других ключевых компонентов, описанных ниже:
- Изоляция: Этот компонент служит барьером, разделяющим обмотки от сердечника трансформатора.
- Трансформаторное масло: Используется для изоляции и охлаждения. Оно предотвращает короткое замыкание и искрение, а также отводит тепло от сердечника и обмоток.
- Термометры: Они отслеживают температуру трансформаторного масла.
- Системы сброса давления: Они предотвращают избыточное давление, возникающее, например, при коротком замыкании, что способствует повышению безопасности.
- Охладитель: Он охлаждает масло, пропуская его через трубки с водяным или воздушным охлаждением, и затем возвращает его обратно в сердечник и обмотки.
- Бак: Защищает компоненты трансформатора от внешних воздействий и удерживает охлаждающую жидкость.
- Маслорасширитель: Это отдельная емкость, компенсирующая расширение масла при нагреве.
- Регуляторы напряжения: Они адаптируют выходное напряжение трансформатора, особенно при нагрузке, изменяя количество витков на ответвлениях.
- Газовое реле (реле Бухгольца): Оно улавливает газовые пузырьки, выходящие из бака, что может указывать на наличие проблемы в трансформаторе.
- Сапуны: Они поддерживают сухость трансформаторного масла, удаляя влагу из воздушных карманов над маслом в маслорасширителе.
Конфигурации подключения в трехфазных трансформаторах
Трехфазные трансформаторы обычно используют два основных типа подключений: звезда и треугольник. Эти конфигурации уже были описаны в нашей предыдущей статье в контексте их использования в нагревателях и трехфазных двигателях, но теперь давайте углубимся в особенности этих подключений в трансформаторах.
-
Соединение Звезда имеет четыре вывода, но лишь три обмотки. Эти обмотки формируют три фазы цепи, а четвертая клемма является общей нейтральной точкой, где сходятся все три обмотки.
-
Соединение Треугольник, известное также как дельта-соединение, это конфигурация, в которой концы трех обмоток соединяются, формируя замкнутый контур. В этой конфигурации используются три клеммы, и вместо нейтральной точки применяются заземляющие соединения. В системах с высокой ветвью треугольное соединение обычно конфигурируется путем заземления средней точки одной из фаз.
Рисунок 4: Соединения звездой и треугольником.
Особенности напряжения и тока в трехфазных трансформаторах
Использование трехфазных трансформаторов с звездным или треугольным соединением имеет свои преимущества и недостатки. Для эффективного выбора системы подходящей для конкретного применения важно понимать разницу между фазными и линейными токами и напряжениями.
Фазные токи и напряжения измеряются в отдельных компонентах, в то время как линейные параметры определяются между двумя клеммами. Ниже приведена таблица, иллюстрирующая связь между этими характеристиками:
Таблица 1: Характеристики напряжения и тока в трехфазных системах
- VL: Линейное напряжение
- VP: Фазное напряжение
- IL: Линейный ток
- IP: Фазный ток
Важным параметром для расчета трехфазного трансформатора является также коэффициент трансформации (TR), который необходим для определения размеров устройства. Трансформатор, будучи линейной машиной, позволяет определить напряжение на вторичных обмотках, исходя из первичного напряжения и коэффициента трансформации. Этот коэффициент представляет собой соотношение между количеством витков во вторичной и первичной обмотках.
Схемы обмоток в трехфазных трансформаторах
Первичные и вторичные обмотки трехфазных трансформаторов могут быть сконфигурированы различным образом. Одна из основных схем включает:
Конфигурация Звезда-Звезда (Y-Y)
В этой конфигурации обе обмотки — первичная и вторичная — выполнены по схеме "звезда". Главное преимущество такой схемы — наличие нейтральной клеммы на обеих сторонах трансформатора, что обеспечивает возможность заземления и помогает устранить искажения сигнала. Эта конфигурация показывает удовлетворительные результаты в случае, если нагрузки на всех трех фазах сбалансированы, особенно это актуально для небольших высоковольтных трансформаторов.
Коэффициент трансформации (TR) определяется следующим образом:
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: Вторичное напряжение
- VP: Первичное напряжение
- IS: Вторичный ток
- IP: Первичный ток
Эта схема позволяет уменьшить количество витков на обмотках, так как фазное напряжение составляет 1/√3 от напряжения сети, а также сокращает необходимость в изоляции.
Рисунок 5: Схема соединения Звезда-Звезда.
Конфигурация Треугольник-Треугольник (Δ-Δ) в трехфазных трансформаторах
В конфигурации Треугольник-Треугольник (Δ-Δ), как первичные, так и вторичные обмотки располагаются в соответствии со схемой треугольника. Эта система обычно используется в больших трансформаторах с низким напряжением и требует большего количества витков по сравнению с конфигурацией YY. Одно из ключевых преимуществ этого подхода заключается в совместимости с несимметричными нагрузками на различных фазах. Кроме того, даже при отключении трансформатора его трехфазные нагрузки могут продолжать получать питание. Обычно это реализуется в конфигурации открытого треугольника, хотя и с некоторым снижением производительности.
В схеме Δ-Δ коэффициент трансформации (TR) определяется следующим образом:
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: Вторичное напряжение
- VP: Первичное напряжение
- IS: Вторичный ток
- IP: Первичный ток
Рисунок 6: Конфигурация "Треугольник-Треугольник".
Конфигурация Звезда-Треугольник (Y-Δ) в трехфазных трансформаторах
В конфигурации Звезда-Треугольник (Y-Δ), первичная обмотка выполнена по схеме звезды и подключена к нейтральной клемме для заземления. Вторичные обмотки соединены в соответствии со схемой треугольника. Эта конфигурация чаще всего используется для понижения напряжения на стороне подстанций в системах электрической передачи.
Соотношение между вторичным и первичным линейным напряжением в этой конфигурации превышает коэффициент трансформации на величину 1/√3. Кроме того, между первичным и вторичным линейным напряжениями существует фазовый сдвиг на 30 градусов.
Конфигурация Треугольник-Звезда (Δ-Y) в трехфазных трансформаторах
В конфигурации Треугольник-Звезда (Δ-Y), первичные обмотки подключаются по схеме треугольника, в то время как вторичные обмотки соединяются по схеме заземленной звезды. Эта конфигурация часто применяется в повышающих трансформаторах, установленных в начале линий электрической передачи. Соотношение между вторичным и первичным линейным напряжениями превышает коэффициент трансформации в √3 раза. Аналогично конфигурации Звезда-Треугольник, здесь также присутствует фазовый сдвиг на 30 градусов между первичным и вторичным напряжениями.
Рисунок 7: Конфигурация "Треугольник-Звезда".
Кроме четырех основных перестановок, существуют и другие варианты, которые могут быть созданы путем изменения первичных обмоток треугольника и звезды.
Применение трехфазных трансформаторов в различных сферах
Трехфазные трансформаторы являются многофункциональными устройствами, нашедшими широкое применение в множестве областей.
- Производство и передача электроэнергии: Трехфазные трансформаторы играют ключевую роль в этих процессах, обеспечивая эффективную работу систем.
- Промышленное применение: Они используются для регулирования напряжения в различных отраслях, включая горнодобывающую промышленность, полиграфию, текстильную промышленность, системы лифтов, промышленную автоматизацию и нефтехимическую промышленность, среди прочих.
- Прецизионные станки и оборудование: Благодаря своей способности устранять шумы и высокочастотные импульсные помехи, трехфазные трансформаторы неотъемлемы в производстве высокоточного оборудования. Они также широко используются в системах с большими промышленными нагрузками, включая электроприводы, выпрямители и другое оборудование.
Часто задаваемые вопросы о трехфазных трансформаторах
Можно ли использовать трехфазный трансформатор с однофазным источником для получения трехфазной мощности?
Прямое преобразование однофазного входного напряжения в трехфазное на выходе трансформатора невозможно. Для преобразования однофазной системы в трехфазную необходимы фазосдвигающие устройства или фазопреобразователи, такие как конденсаторы и реакторы
Могут ли трехфазные трансформаторы работать на частотах выше их номинальных значений?
Трехфазные трансформаторы могут функционировать на частотах, превышающих их номинальные значения, но стоит учитывать, что с увеличением частоты выше номинальной уровень регулирования напряжения может снижаться
Что подразумевается под полным сопротивлением в контексте трехфазных трансформаторов?
Полное сопротивление (импеданс) трансформатора — это мера его способности ограничивать ток, обычно выражаемая в процентном отношении. Этот параметр важен для определения способности предохранителей или автоматических выключателей обеспечивать защиту первичных обмоток трансформатора от перегрузок
