Устройство электроприбора
Трансформация трехфазного тока не обязательно подразумевает использование одного трансформатора, имеющего общую магнитную цепь. Хотя подобные установки широко применяются в народном хозяйстве.
Существует возможность такой трансформации тремя отдельными однофазными трансформаторами, не связанными между собой магнитно, то есть для каждой отдельной фазы будет предназначаться своя отдельная магнитная цепь.
Трансформатор, изготовленный по данной схеме, носит название группового. Первичные и вторичные обмотки устройства сопрягаются между собой по одной из схем, принятых для трансформации трехфазного тока.
Конструктивно трехфазный трансформатор представляет собой трехстержневой магнитопровод с расположенными на каждом из стержней обмотками, выполненными таким же образом, как для однофазных устройств.
Интересный материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор.
Представим себе три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень. На каждом из остальных трех стержней наложены первичные и вторичные обмотки.
Токи в катушках трансформатора создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в своей магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сумме дадут ноль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма мгновенных значений их равна нулю в любой момент времени.
Предположим, что первичные катушки всех стержней трансформатора совершенно одинаковы и намотаны в одном направлении. Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети. Стержни магнитопроводов набираются из листовой электротехнической стали. Для ослабления вихревых токов и уменьшения потерь на перемагничивание стальные листы перед сборкой изолируются лаком.
Подробное устройство трехфазного трансформатора.
Соединение обмоток трансформатора в треугольник
Соединение в треугольник так называется из-за внешнего сходства с треугольником (видно на рисунке).
При соединении в треугольник действуют следующие соотношения –
- линейные токи больше фазных в √3 раз
- линейные напряжения равны фазным
Три вторичные обмотки, при соединении в треугольник соединены последовательно, образуя тем самым замкнутую цепь. В этой цепи отсутствует ток, так-как ЭДС фаз сдвинуты на 120 градусов и их сумма в каждый момент времени равна нулю. Так же ток равен нулю при соблюдении тотчасно следующих условий – ЭДС имеют синусоидальную форму, обмотки имеют одинаковые числа витков.
Звезда и треугольник в вопросе о третьих гармониках трансформаторов
В трансформаторах схему треугольник используют кроме прочего для получения токов третьих гармоник, которые необходимы для создания синусоидальной ЭДС вторичных обмоток. Другими словами, для исключения третьей гармонической составляющей в магнитном потоке.
Чтобы ввести третьи гармоники при соединении в звезду – соединяют нейтраль звезды с нейтралью генератора, по этому пути и начинают пробегать третьи гармоники.
Расположение магнитной цепи
Стержневые трехфазные трансформаторы подразделяются на трансформаторы с симметричной магнитной цепью и трансформаторы с несимметричной магнитной цепью. Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы меньше, нежели для потоков крайних фаз.
Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы.
Таким образом потоки крайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.
Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении. Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно.
Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.
Будет интересно➡ Устройство тороидального трансформатора и его преимущества
Основные виды устройства
Основную группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трехфазный трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трансформаторов, приставленных один к другому своими ярмами. Он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи.
У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды. Есть ряд преимуществ и недостатков, по которым выбирают тип трансформатора.
Плюсы и минусы броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами.
Устройства коммутируются по различным схемам соединения обмоток. Групповые трехфазные трансформаторы применяются при наличии очень больших мощностей, от 630кВА на каждую фазу.
Использование при таких условиях группового трансформатора целесообразно потому, что габариты и масса изделия существенно меньше аналогичного агрегата, работающего на общую мощность группы.
Тем более что при использовании одиночного трансформатора для обладания резервной мощностью приходится устанавливать еще один подобный прибор, а в групповом трансформаторе в качестве резервного можно задействовать один из трех однофазных.
Этим и обуславливается выбор групповых трансформаторов для озвученных целей, несмотря на то что они по сравнению с одиночными аналогами имеют меньший КПД, большие габариты и несколько дороже.
Более подробно об устройстве трансформаторов можно почитать в материале о трансформаторах тока.
§ 79. Соединение треугольником
Кроме соединения звездой, генераторы, трансформаторы, двигатели и другие потребители трехфазного тока могут включаться треугольником.
На рис. 179 представлена несвязанная трехфазная система. Объединяя попарно провода несвязанной шестипроводной системы и соединяя фазы так, как указано на чертеже, переходим к трехфазной трехпроводной системе, соединенной треугольником.
Рис. 179. Несвязанная трехфазная система
Как видно из рис. 180, соединение треугольником выполняется таким образом, чтобы конец фазы А был соединен с началом фазы В, конец фазы В соединен с началом фазы С и конец фазы С соединен с началом фазы A. К местам соединения фаз присоединяют линейные провода.
Рис. 180. Связанная трехфазная система, соединенная треугольником
Если обмотки генератора соединены треугольником, то, как видно на рис. 180, линейное напряжение создает каждая фазная обмотка. У потребителя, соединенного треугольником, линейное напряжение подключается к зажимам фазного сопротивления. Следовательно, при соединении треугольником фазное напряжение равно линейному:
Определим зависимость между фазными и линейными токами при соединении треугольником, если нагрузка фаз будет одинакова по величине и характеру. Составляем уравнения токов по первому закону Кирхгофа для трех узловых точек A 1 , В 1 и С 1 потребителя:
Отсюда видно, что линейные токи равны геометрической разности фазных токов. При симметричной нагрузке фазные токи одинаковы по величине и сдвинуты один относительно другого на 120°. Производя вычитание векторов фазных токов согласно полученным уравнениям, получаем линейные токи (рис. 181). Зависимость между фазными и линейными токами при соединении в треугольник показана на рис. 182:
Рис. 181. Фазные и линейные токи при соединении треугольником
Рис. 182. Зависимость между фазными и линейными токами при соединении треугольником
Следовательно, при симметричной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в √3 раз больше фазного тока.
На рис. 183 дана векторная диаграмма токов и напряжений при равномерной активно-индуктивной нагрузке, соединенной треугольником. Построение диаграммы производится следующим образом. В выбранном масштабе строим равносторонний треугольник линейных напряжений сети UAB, UBC И UAC, которые равны фазным напряжениям потребителя. В сторону отставания под углами φAB, φBC, φСА к линейным напряжениям UAB, U BC и UСА строим в масштабе векторы фазных токов IAB, IBC и ICA. Затем, как было указано раньше, определяем линейные токи IА, IB и IС.
Рис. 183. Векторная диаграмма токов и напряжений при равномерной нагрузке, соединенной треугольником
У двигателей и у других потребителей трехфазного тока в большинстве случаев наружу выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на которую и выводят все шесть концов.
Магнитопровод стержневого типа
Для питания радиоэлектронных устройств обычно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой через ярмо Я для трех фаз с тремя стержнями С, или трехстержневые трансформаторы. Каждая из обмоток трансформатора, как первичная, так и вторичная, может быть соединена: а) звездой; б) треугольником.
При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку 0. При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй — с концом первой и начало третьей — с концом второй. В первом случае все начала, а во втором общие точки обмоток присоединяются к сети.
Следует отметить, что понятия начала и конца обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трехфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определенное направление магнитного потока в стержнях; в стержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым.
Соединение обмоток: а — звездой; б — треугольником.
Начала фазных обмоток высокого напряжения (ВН) принято обозначать прописными (большими) буквами А, В и С, а концы их — буквами X, У и Z, причем для обмоток фазы используются буквы АХ, ВУ и CZ. Начала и концы обмоток низкого напряжения (НН) обозначаются соответственно строчными (малыми) буквами — а, в, с и х, у, г.
Наибольшее распространение имеют соединения обмоток по схеме «звезда» (Y) и «треугольник» (D), причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток «звездой» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулем» (Yо).
Соединение обмоток «звездой»
Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой (Y/Y), при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток.
Соединение обмоток трансформатора звездой.
Так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение.
У трехфазного трансформатора соединяют обмотки звездой (Y/Y). Такое соединение широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ-А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.
Где применяют обмотку треугольником
Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/D широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.
При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2ф всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора.
Соединение обмоток трансформатора треугольником.
При одинаковом способе соединения (Y/Y или D/D) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/D или D/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в √3 раз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.
На значения рабочих характеристик трансформаторов влияют потери энергии при нагреве обмоток в совокупности с другими внешними и внутренними факторами, значительно усложняющими связь формы вторичного напряжения от аналогичных параметров первичной цепи.
В чем различия
Главная разница между типами обмоток – это способ достижения и получения разных параметров электрического напряжения и тока внутри двигателя. Первый случай предполагает постепенное наращивание показателей, второй вариант обеспечивает мощную передачу тока.
Способы треугольник и звезда отличаются реализацией поставленной задачи. Часто электрики применяют сочетание схем. Это дает щадящий режим для провода или трансформатора, но одновременно с этим ток принимает меньшее значение.
Мнение эксперта
Карнаух Екатерина Владимировна
Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»
Система треугольник, как правило, допустима при соединении мощных механизмов и наличии больших пусковых нагрузок. Если в этом случае использовать не треугольник, а звезду, то можно нанести урон двигателю. Этим типы обмоток и отличаются друг от друга.
Определение токов устройства
При определении тока первичной обмотки следует учитывать потери, а также намагничивающий ток трансформатора, относительная величина которых в маломощных силовых трансформаторах весьма значительна. Величины токов могут быть определены по следующей формуле:
Будет интересно➡ Необходимые условия для выполнения параллельной работы трансформаторов
где U1 и U2 – напряжения обмоток по заданию;
P2 – мощность вторичной обмотки по заданию;
cos φ2 – коэффициент мощности нагрузки по заданию;
η – коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.
Выбор индукции в стержне сердечника и плотности тока в проводах обмоток трансформатора – допустимая величина индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора определяется выбранным значением намагничивающего тока, мощностью, частотой, типом трансформатора, числом стыков в сердечнике и материалом последнего.
Можно ознакомиться в статье более подробно об устройстве силовых трансформаторах.
Соединение обмоток трансформатора в зигзаг
Соединение в зигзаг используется в случае, если на вторичных нагрузках неравномерная нагрузка. После соединения в зигзаг нагрузка распределяется более равномерно по фазам и магнитный поток трансформатора сохраняет равновесие, несмотря на неравномерную нагрузку.
Рассмотрим соединение в зигзаг-звезду трехфазного силового трансформатора. Схематично изображение приведено на рисунке.
Первичные обмотки соединяются в звезду. Далее разделяем каждую вторичную обмотку напополам. И далее соединяем, как показано на рисунке.
При соединении в зигзаг-звезду потребуется большее число витков, чем при простой звезде. Также при таком соединении возможно получение трех классов напряжения, например 380-220-127В.
Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями
Источник: pomegerim.ru
Схемы питания трансформатора
Допускаемая величина плотности тока в проводах обмоток трансформатора в значительной мере определяет вес и стоимость последнего. Чем выше плотность тока в обмотках, тем меньше их вес меди и соответственно стоимость трансформатора. С другой стороны, с увеличением плотности тока возрастают потери в меди обмоток и нагрев трансформатора.
Схема питания тяговой сети системы 2×25 кВ трехфазным трансформатором с повышающими автотрансформаторами.
Самой простой является схема питания тяговой сети системы 2×25 кВ с помощью трехфазного трансформатора и повышающих автотрансформаторов. Особенностью схемы является то, что для повышения напряжения до 55 кВ используется обычный линейный автотрансформатор АТ, который подключен к контактной сети и питающему проводу, а трансформатор Т включен между контактной сетью и рельсами.
Автотрансформаторы устанавливаются на выводах 27,5 кВ трансформатора или на фидерах контактной сети. Последний вариант предпочтительнее, так как позволяет иметь на подстанции только шины контактной сети, а автотрансформаторы могут быть установлены и за пределами территории тяговой подстанции.
В схеме существенно большая часть электроэнергии поступает к электрическим локомотивам непосредственно по контуру контактная сеть — рельсы, минуя повышающий автотрансформатор.
Это обстоятельство позволяет устанавливать повышающие автотрансформаторы на подстанции такой же мощности, что и на фидерной зоне, и не резервировать их на подстанции. При отключении автотрансформатора на подстанции роль повышающего воспринимает на себя ближайший к подстанции автотрансформатор на фидерной зоне.
Как увеличить передачу энергии
Увеличить передачу электроэнергии по контуру питающий провод-рельсы можно путем установки на подстанциях специальных повышающих автотрансформаторов, мощность которых соответствует нагрузке плеча питания подстанции, или специальным включением на подстанции двух стандартных трехфазных трансформаторов.
Группа соединения У/Д-1 у второго трансформатора получена одноименной двойной перемаркировкой выводов двух фаз первичной и тяговой обмоток стандартного трансформатора. Обозначение выводов вторичной обмотки по заводской маркировке показано на рисунке с индексом «Т».
С рельсами, как и в системе 25 кВ, соединен один и тот же вывод тяговой обмотки обоих трансформаторов (вывод ст по заводской маркировке). Соединение с рельсами вывода ст определяет, что наименее нагруженными у обоих трансформаторов будут обмотки на среднем стержне.
По аналогии с трехфазными трансформаторами в системе 25 кВ в случае присоединения провода к выводу ат имеем положительное напряжение этого провода относительно рельсов, а к выводу Ьт — отрицательное напряжение провода относительно рельсов.
Схема питания тяговой сети системы 2×25 кВ при последовательном соединении двух фаз трехфазных трансформаторов (а), векторные диаграммы напряжений первичных и вторичных обмоток (б).
Первый трансформатор присоединен выводом ат к контактной сети первой фидерной зоны, а выводом Ьт к контактной сети второй фидерной зоны.
Второй трансформатор имеет обратное присоединение: выводом ят он присоединен к питающему проводу второй фидерной зоны, а выводом Ьт — к питающему проводу первой фидерной зоны.
Последовательное включение двух вторичных обмоток трансформаторов с группами соединения обмоток У/Д-11 и У/Д-1 позволяет получить удвоенное напряжение двух фаз, питающих тяговую сеть по разные стороны от подстанции.
Будет интересно➡ Что нужно знать о трансформаторах тока
Как и выше, у контактной сети и питающего провода, а указаны напряжения питающей линии, с которыми совпадают по фазе напряжения контактной сети и питающего провода. Последние сдвинуты на 180°. Поэтому под рисунком показано положение только напряжений контактная сеть—рельсы. Оно не отличается от положения этих векторов в системе 25 кВ, если в системе 2×25 кВ трансформатор, подключенный к контактной сети, присоединен к тем же фазам питающей линии, что и в системе 25 кВ.
ВКЛЮЧЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ ЭНЕРГИИ В СЕТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Электрические лампы изготовляются на номинальные напряжения 127 и 220 в, а трехфазные электродвигатели на номинальные фазные напряжения 127, 220 и 380 в
и выше.
Способ включения приемника в сеть трехфазного тока зависит от линейного напряжения сети и от номинального напряжения приемника.
Лампы с номинальным напряжением 127 в
включаются треугольником при линейном напряжении сети 127
в
и звездой с нейтральным проводом при линейном напряжений сета 220
в.
Лампы с номинальным напряжением 220
в
включаются треугольником в сеть с линейным напряжением 220
в
и звездой с нейтральным проводом в сеть с линейным напряжением 380
в.
Трехфазный электродвигатель включается треугольником в сеть, линейное напряжение которой равно номинальному фазному напряжению электродвигателя. Если линейное напряжение сети превышает в √3 раз номинальное фазное напряжение электродвигателя, то он включается звездой.
Статья на тему Соединение приемников энергии треугольником
Схема работы при отключении одного из трансформаторов
В случае отключении на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам питающих проводов, будем иметь практически рассмотренную на рисунке схему с повышающими автотрансформаторами, роль которых выполняют ближайшие к подстанции автотрансформаторы на фидерных зонах.
При этом на участках от подстанции до ближайших к ней автотрансформаторов имеем систему 25 кВ, а на большей части обеих фидерных зон сохраняется система 2×25 кВ. Поскольку сопротивления участков при системе 25 кВ больше, чем их же сопротивление при системе 2×25 кВ, большую нагрузку принимают на себя соседние подстанции.
В случае отключения на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам контактной сети, ближайшие к подстанции автотрансформаторы будут работать в трансформаторном режиме и при значительных размерах движения или при тяжелых поездах могут перегружаться.
Схема работы при отключении одного из трансформаторов.
Избежать этого можно или переходом на время отключения указанного трансформатора к одностороннему питанию фидерных зон от соседних подстанций или путем приведения группы соединения работоспособного трансформатора в соответствие с группой отключенного трансформатора и подключением его к шинам контактной сети.
Для этого следует предусмотреть возможность оперативного переключения двух фаз на первичной стороне трансформатора, подключенного в нормальном режиме к шинам питающих проводов.
При необходимости иметь большую степень резервирования трансформаторов можно, как и в случае с однофазными трансформаторами, в качестве резервного использовать третий трехфазный трансформатор с возможностью подключения его к шинам 110 (220) кВ и к шинам контактной сети или питающего провода вместо любого выведенного из работы трансформатора.
Рассмотренные схемы подстанций с трехфазными трансформаторами имеют перспективу на дорогах стран СНГ в местах стыкования систем 25 и 2×25 кВ и на тяговых подстанциях при необходимости питать от них большую районную нагрузку, а также при усилении системы электроснабжения ранее электрифицированных линий.
Область применения
Данные устройства предназначены для преобразования эксплуатационных параметров трехфазных электросетей и используются в энергосистемах следующих типов:
- системы транспортирования и распределения электроэнергии;
- преобразовательные устройства;
- электротехнологические установки (сварочная аппаратура, электропечи и т.п.);
- устройства связи и телемеханики;
- системы автоматики;
- бытовая электроаппаратура;
- электроизмерительные устройства.
Подходящую схему соединения определяют в соответствии с условиями работы прибора, к которым относятся мощность сети, уровень напряжения, асимметричность нагрузки. На выбор схемы соединения влияют также и экономические соображения.
Проверка прибора
Принадлежность трансформатора к той или иной группе соединения можно определить полярометром-вольтметром магнитоэлектрической системы с нулем посередине шкалы и отмеченной полярностью его зажимов.
Каждой группе соединений отвечает определенная таблица отклонений стрелки полярометра для испытуемого трансформатора и, сравнив ее с имеющимися, устанавливают группу соединений обмоток.
При включении обмоток ВН на постоянное напряжение определенной полярности в других обмотках трансформатора в момент включения наводится мгновенная ЭДС, величина и направление которой зависят от группы соединения обмоток и фиксируются с помощью полярометра.
В видеоролике, представленном ниже, подробно рассмотрен принцип работы трехфазного трансформатора и его устройство.
