Трехфазный трансформатор и инструкции по подключению

Трехфазный трансформатор широко используется для выработки и передачи электроэнергии на большие расстояния, в основном для промышленных и коммерческих нужд. Для регулировки уровня напряжения в таких системах используются трехфазные трансформаторы, поскольку они позволяют использовать различные конфигурации обмоток для повышения или понижения напряжения.

Ранее мы рассмотрели устройство и работу однофазных двухобмоточных трансформаторов, которые могут аналогичным образом изменять уровни вторичного напряжения относительно первичного напряжения питания.

Однако трансформаторы не ограничиваются однофазными приложениями. Они могут быть разработаны для двухфазных, трехфазных, шестифазных и даже более сложных систем, включающих до 24 фаз в специализированных сценариях выпрямления постоянного тока большой мощности.

Благодаря соединению первичных обмоток трех однофазных трансформаторов и вторичных обмоток в определенном порядке, эта установка становится пригодной для использования с трехфазным источником питания.

Трехфазные источники питания, обозначаемые как 3-фазные или 3φ, необходимы для производства, передачи, распределения и промышленного применения электроэнергии. Они обладают значительными преимуществами по сравнению с однофазными системами с точки зрения эффективности и электрических характеристик.

Однако при работе с трехфазными трансформаторами важно учитывать три переменных напряжения и тока, которые сдвинуты по фазе на 120 градусов относительно друг друга.

Трехфазный трансформатор Трехфазные напряжения и токи

В трехфазной электрической системе напряжение между линиями (VL) представляет собой напряжение между любыми двумя линиями, в то время как напряжение между фазой и нейтралью (VP) - это напряжение, измеренное между одной фазой и нейтральной точкой. Взаимосвязь между этими напряжениями при соединении "звезда" (wye) определяется следующим образом VL=√(3)×VP.

Трансформатор не может преобразовать однофазное питание в трехфазное и наоборот. Чтобы сделать трансформаторы совместимыми с трехфазными системами, их обмотки должны быть соединены в определенных конфигурациях для создания трехфазной трансформаторной установки.

Трехфазный трансформатор Конструкция
Трехфазный трансформатор может быть построен двумя способами:

1. Объединение трех однофазных трансформаторов для создания “трехфазного трансформаторного блока”.”
2. С помощью одного, предварительно собранного трехфазного трансформатора с тремя парами обмоток, установленных на одном ламинированном сердечнике.

Одноблочная конструкция имеет такие преимущества, как уменьшенные габариты, вес, стоимость и повышенная эффективность при той же мощности кВА по сравнению с использованием трех отдельных трансформаторов. Однако использование отдельных трансформаторов обеспечивает гибкость и надежность, поскольку один блок может быть заменен без ущерба для всей системы.

Конфигурации обмоток
Обмотки трехфазного трансформатора могут быть соединены в различных конфигурациях для удовлетворения различных электрических требований:

• Звезда (Уай): Один конец каждой обмотки соединен с нейтральной точкой.
• Дельта (сетка): Обмотки соединены между собой в замкнутый контур.
• Взаимосвязанные звезды (зиг-заг): Разновидность соединения "звезда" для специальных применений.

Первичная и вторичная обмотки могут быть расположены в таких комбинациях, как звезда-звезда, треугольник-треугольник, звезда-треугольник или треугольник-звезда. Каждая конфигурация имеет свои особенности использования:

• Дельта-звезда (Δ-Y): Обычно используется для повышающих трансформаторов в начале линий электропередач.
• Звезда-Дельта (Y-Δ): Используется для понижающих трансформаторов на подстанциях.
• Звезда-звезда (Y-Y): Подходит для высоковольтных систем со сбалансированной нагрузкой.
• Дельта-Дельта (Δ-Δ): Идеально подходит для низковольтных систем и несбалансированных нагрузок.

Если трансформаторы обеспечивают три или более фаз, они называются полифазными. Такие конфигурации позволяют гибко изменять уровни напряжения и обеспечивают совместимость с различными электрическими системами.

Конфигурации трехфазных трансформаторов "звезда" и "треугольник

В трехфазных трансформаторных системах термины “звезда” (или “волчок”) и "треугольник" (или "сетка") означают конкретные способы соединения обмоток трансформатора. Эти конфигурации влияют на уровни напряжения, протекание тока и заземление системы.

Подключение "звезда" (Wye)

• При соединении звездой один конец каждой обмотки подключается к общей нейтральной точке, образуя форму буквы “Y”. Другие концы обмоток подключаются к трехфазным линиям.
• Такая конфигурация обеспечивает напряжение как от линии к линии, так и от линии к нейтрали, что делает ее универсальной для систем, требующих нескольких уровней напряжения. Нейтральная точка также может быть заземлена для обеспечения безопасности и стабильности.
• При соединении звездой напряжение сети (VL) в 33 раза больше фазного напряжения (VP), а ток в сети равен фазному току.

Соединение дельта (сетка)

• При соединении треугольником обмотки соединяются в замкнутый контур, образуя треугольник. Каждый угол треугольника подключается к одной из трехфазных линий.
• Дельта-соединения не имеют нейтральной точки, но они надежны, поскольку могут продолжать работать даже при выходе из строя одной обмотки. Это особенно полезно для несбалансированных нагрузок или промышленных применений.
• При соединении треугольником напряжение в сети равно фазному напряжению, а ток в сети в 33 раза больше фазного тока.

Маркировка и этикетка

• Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами (A, B, C), соответствующими фазам (например, красная, желтая, синяя). Вторичные обмотки обозначаются строчными буквами (a, b, c).
• Каждая обмотка имеет две клеммы с цифровыми обозначениями (например, A1 и A2 для первичных обмоток; a1 и a2 для вторичных обмоток).

Магнитный поток и фазировка

• При подключении трех однофазных трансформаторов в трехфазную систему их магнитные потоки расходятся по фазе на 120 электрических градусов. Это обеспечивает сбалансированную работу и эффективную передачу энергии.
• Правильная фазировка очень важна при соединении обмоток, чтобы избежать несовпадения напряжений и токов.

Комбинации соединений

Первичная и вторичная обмотки могут быть сконфигурированы в различных комбинациях:

• Дельта-Дельта (Δ-Δ): Подходит для низковольтных систем с несбалансированной нагрузкой.
• Звезда-звезда (Y-Y): Распространены в высоковольтных системах со сбалансированной нагрузкой.
• Дельта-звезда (Δ-Y): Используется для повышающих трансформаторов в истоках ЛЭП.
• Звезда-Дельта (Y-Δ): Обычно используется для понижающих трансформаторов на подстанциях.

Такие конфигурации позволяют трехфазному трансформатору адаптироваться к различным требованиям электроснабжения, обеспечивая при этом эффективное распределение электроэнергии.

Конфигурации трансформатора "звезда" и "треугольник

В трехфазном трансформаторе используются специальные символы для обозначения типов соединений первичной и вторичной обмоток.

Символы подключения

• Прописные буквы:
  • Y: Представляет собой соединение первичных обмоток звездой (wye).
  • D: Указывает на соединение первичных обмоток в треугольник.
  • Z: Обозначает соединенные звездой первичные обмотки.
• Строчные буквы:
  • y: Представляет собой соединение вторичных обмоток звездой (wye).
  • d: Указывает на соединение вторичных обмоток в треугольник.
  • z: Обозначает соединенные звездой вторичные обмотки.

Примеры маркировки

• A Звезда-звезда (Yy) подключенный трансформатор будет обозначен как Yy, Это указывает на то, что первичная и вторичная обмотки соединены в звезду.
• A Дельта-Дельта (Dd) подключенный трансформатор будет обозначен как Dd, означает, что первичная и вторичная обмотки расположены в треугольнике.
• An Взаимосвязанная звезда - Взаимосвязанная звезда (Zz) трансформатор будет обозначен как Zz, что указывает на то, что оба набора обмоток представляют собой взаимосвязанные звезды.

Эти символы обеспечивают четкий и лаконичный способ обозначения конфигурации трехфазных трансформаторов, облегчая общение и понимание инженеров и техников на местах.

Идентификация обмоток трехфазного трансформатора

Четыре стандартные конфигурации для подключения трех трехфазных трансформаторов в трехфазной системе:

Дельта-Дельта (Dd)

• Первичная и вторичная обмотки соединены в треугольник.
• Преимущества:
  • Может работать на 2/3 мощности при выходе из строя одного трансформатора.
  • Подходит для работы с несбалансированными нагрузками.
• Часто используются в промышленных установках и низковольтных распределительных системах.

Звезда-звезда (Yy)

• Первичная и вторичная обмотки соединены в звезду (wye).
• Преимущества:
  • Обеспечивает доступ к напряжениям как между линиями, так и между нейтралью.
  • Подходит для высоковольтных применений.
• Широко используется в системах передачи электроэнергии.

Звезда-Дельта (Yd)

• Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные - в треугольник.
• Преимущества:
  • Снижает напряжение на первичных обмотках.
  • Устраняет токи третьей гармоники во вторичной обмотке.
• Часто используется для понижающих трансформаторов в распределительных системах.

Дельта-звезда (Dy)

• Первичные обмотки соединены в треугольник, вторичные - в звезду.
• Преимущества:
  • Обеспечивает нейтральную точку на вторичной стороне.
  • Подавляет гармонические токи в первичной обмотке.
• Обычно используется для повышающих трансформаторов на электростанциях.

Ключевые соображения

Преимущества конфигурации Star:

• Снижает напряжение на отдельных трансформаторах.
• Требуется меньше витков и меньший размер проводников.
• Легче и экономичнее утеплять.
• Особенно выгодны при работе с высоким напряжением.

Delta Configuration Advantage:

• В схеме "треугольник-треугольник", если один трансформатор выходит из строя, два оставшихся могут продолжать подавать трехфазную энергию с мощностью, составляющей примерно 2/3 от первоначальной.

Эти конфигурации обеспечивают гибкость при проектировании систем электроснабжения, позволяя инженерам выбирать наиболее подходящую схему в зависимости от уровня напряжения, характеристик нагрузки и требований системы.

Соединения трехфазного трансформатора по схеме "дельта" и "треугольник

Конфигурация дельта-дельта (Dd)

В группе трансформаторов, соединенных треугольником:

• Напряжение сети (VL) равно напряжению питания (VS):VL=VS
• Ток в каждой фазной обмотке: Iphase=31×IL, где IL ток в сети

Недостатки Delta Connection:

1. Каждый трансформатор должен быть намотан на полное напряжение сети.
2. Требуется 57,7% от силы тока в сети
3. Более крупные и дорогие катушки из-за большего количества витков и изоляции
4. Отсутствие нейтрального или общего соединения

Конфигурация "звезда-звезда" (Yy)

В звездном расположении:

• Каждый трансформатор имеет одну клемму, соединенную с общей нейтральной точкой
• Другие концы первичных обмоток подключаются к трехфазному питанию
• Число витков в обмотках, соединенных звездой, составляет 57,7% от требуемого для соединения треугольником

Характеристики звездного соединения:

1. Требуется три трансформатора
2. При выходе из строя одного трансформатора может отключиться вся группа
3. Экономичность для систем распределения электроэнергии
4. Позволяет использовать четвертый провод в качестве нейтральной точки во вторичной сети

Преимущество Star Connection:

• Позволяет использовать нейтральный провод, что выгодно во многих сценариях распределения электроэнергии

Сравнение

Выбор между конфигурациями "треугольник" и "звезда" зависит от конкретных требований к системе, уровня напряжения и характеристик нагрузки. Каждая из них имеет свои преимущества в различных сценариях, что делает их подходящими для различных применений в энергосистемах.

Соединения звезды и звездочки трансформатора

Напряжение между любыми линиями трехфазного трансформатора называется “линейным напряжением”, V_L, а напряжение между любой линией и нейтральной точкой трансформатора, соединенного звездой, называется “фазным напряжением”, V_P.

Фазное напряжение между нейтральной точкой и любым из соединений линии равно 1/√3 × V_L линейного напряжения. Затем сверху, фазное напряжение первичной обмотки, V_P задается как.

Вторичный ток в каждой фазе группы трансформаторов, соединенных звездой, равен линейному току сети, поэтому I_L = I_S.

Тогда зависимость между линейными и фазными напряжениями и токами в трехфазной системе можно представить в общем виде:

В трехфазных трансформаторных системах, VL представляет собой напряжение между линиями, в то время как VP обозначает напряжение между фазой и нейтралью на первичной или вторичной обмотке.

Дополнительные подключения трехфазного трансформатора

1. Звезда-Дельта (Yd):
   • Первичная обмотка: Соединяется звездой
   • Вторичная обмотка: Подключенная в треугольник
2. Дельта-звезда (Dy):
   • Первичная обмотка: Подключенная в дельта-фазе
   • Вторичная обмотка: Соединенные звездой

Трансформаторы типа "дельта-звезда" (Dy) широко используются в распределительных системах малой мощности. Они обладают двумя ключевыми преимуществами:

• Первичные обмотки обеспечивают сбалансированную трехпроводную нагрузку на электросеть
• Вторичные обмотки обеспечивают необходимое подключение нейтрали или заземления по четвертому проводу

Соотношение оборотов Сложность

Общее соотношение витков становится более сложным, когда первичная и вторичная обмотки имеют разные типы соединения (звезда или треугольник). Для конфигураций треугольник-треугольник (Dd) или звезда-звезда (Yy) возможно соотношение витков 1:1, что означает равенство напряжений входной и выходной обмоток.

Анализ конфигурации "Звезда-Дельта" (Yd)

В соединении звезда-треугольник (Yd):

1. На каждую первичную обмотку, соединенную в звезду, подается фазное напряжение (VP) поставки:
   VP=31×VL
2. В каждой соответствующей вторичной обмотке индуцируется одно и то же напряжение.
3. Поскольку вторичные обмотки соединены в треугольник, 31×VL становится вторичным сетевым напряжением.
4. При соотношении витков 1:1 такая конфигурация обеспечивает понижающий коэффициент линейного напряжения 3:13:1.

Эта уникальная характеристика трансформаторов типа "звезда-треугольник" позволяет преобразовывать напряжение без изменения числа витков, что делает их ценными в специфических приложениях распределения электроэнергии.

Для трансформатора, соединенного по схеме "звезда-треугольник" (Yd), коэффициент трансформации становится равным:

Аналогично, для трансформатора, соединенного по схеме "треугольник-звезда" (Dy), с коэффициентом трансформации витков 1:1, трансформатор обеспечит коэффициент повышения линейного напряжения 1:√3. Тогда для трансформатора, соединенного по схеме "треугольник-звезда", коэффициент трансформации будет равен:

Ниже приведена таблица, в которой указаны вторичные напряжения и токи для четырех основных конфигураций трехфазных трансформаторов в зависимости от напряжения первичной сети (VLVL) и ток первичной линии (IL):

Где:

• nn коэффициент трансформации (число витков вторичной обмотки, деленное на число витков первичной обмотки)
• VLVL напряжение первичной сети
• ILIL ток первичной сети

В этой таблице кратко описано, как различные конфигурации влияют на соотношение напряжения и тока между первичной и вторичной обмотками трехфазных трансформаторов.

Где: n - коэффициент трансформации трансформатора (T.R.), который представляет собой число витков вторичной обмотки N_S, деленное на число витков первичной обмотки N_P. ( N_S/N_P ) и V_L напряжение между линиями с V_P напряжение между фазой и нейтралью.

Трехфазный трансформатор Пример

Для трансформатора, соединенного по схеме "треугольник-звезда" (Dy) с заданными характеристиками, мы можем рассчитать напряжения и токи вторичной обмотки следующим образом:

Коэффициент оборачиваемости

Коэффициент поворота (n) рассчитывается как:

n = Вторичные витки / Первичные витки
n = 100 / 500 = 0.2

Напряжение вторичной сети

Для трансформатора с треугольной звездой вторичное напряжение сети определяется:

Напряжение вторичной сети = √3 × n × напряжение первичной сети
Напряжение вторичной сети = √3 × 0,2 × 100 В
Напряжение вторичной сети ≈ 34,64 В

Ток вторичной линии

Ток вторичной сети можно рассчитать по номиналу трансформатора:

Ток вторичной линии = номинал трансформатора / напряжение вторичной линии
Ток вторичной линии = 50 ВА / 34,64 В
Ток вторичной линии ≈ 1,44 A

Напряжение вторичной фазы

Во вторичной обмотке, соединенной звездой, фазное напряжение равно:

Напряжение вторичной фазы = Напряжение вторичной линии / √3
Напряжение вторичной фазы ≈ 34,64 В / √3 ≈ 20 В

Ток вторичной фазы

Во вторичной обмотке, соединенной звездой, фазный ток равен линейному току:

Ток вторичной фазы ≈ 1,44 A

Поэтому для данного трансформатора мощностью 50 ВА, подключенного по схеме "треугольник-звезда" (Dy):

• Напряжение вторичной сети: 34,64 В
• Ток вторичной линии: 1,44 A
• Напряжение вторичной фазы: 20 В
• Ток вторичной фазы: 1,44 A

Затем на вторичную обмотку трансформатора подается сетевое напряжение, V_ЛИНИЯ около 35 В, что дает напряжение вторичной фазы, V_ФАЗА 20 В при 0,834 амперах.

Конструкция трехфазного трансформатора

Трехфазные трансформаторы действительно объединяют три однофазных трансформатора в один блок, что дает значительные преимущества с точки зрения стоимости, размера и веса. Такой подход к проектированию приводит к созданию более компактных и эффективных типы трансформаторов. Давайте рассмотрим ключевые аспекты конструкции трехфазного трансформатора:

Основное строительство

1. Трансформатор с сердечником
   • Три магнитных контура переплетены на одном многослойном железном сердечнике.
   • Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение диэлектрического потока между обмотками высокого и низкого напряжения.
   • Обеспечивает лучшую магнитную связь и уменьшает поток утечки.
2. Трансформатор кожухового типа
   • Исключение из правил - переплетенный дизайн.
   • Три ядра располагаются вместе, но не смешиваются друг с другом.
   • Часто используется в мощных приложениях благодаря своей механической прочности.

Преимущества комбинированного дизайна

• Сокращение расходов: Требуется меньше материалов по сравнению с тремя отдельными трансформаторами.
• Уменьшение размера: Компактная конструкция занимает меньше места на подстанциях и промышленных объектах.
• Снижение веса: Небольшой общий вес, облегчающий транспортировку и установку.
• Повышение эффективности: Лучшее использование материала сердечника приводит к снижению потерь в сердечнике.
• Сбалансированная работа: Обеспечивает более симметричную работу в трехфазных системах.

Распределение потока

• В трансформаторах с сердечником чередующаяся конструкция способствует равномерному распределению потока.
• Такое равномерное распределение минимизирует магнитный дисбаланс и снижает уровень гармоник.

Устройство обмотки

• Обмотки обычно располагаются концентрически вокруг сердечника.
• Высоковольтные и низковольтные обмотки расположены таким образом, чтобы оптимизировать изоляцию и охлаждение.

Объединение трех однофазных трансформаторов в один трехфазный представляет собой значительный прогресс в конструкции трансформаторов, предлагая более эффективное и экономичное решение для трехфазных энергосистем.

Трехфазный трансформатор с сердечником

Трехзвенная конструкция с сердечником является наиболее распространенным методом изготовления трехфазных трансформаторов. Эта конструкция обладает рядом преимуществ:

• Магнитное сшивание: Фазы магнитно соединены между собой, что обеспечивает эффективное распределение потока.
• Путь потока: Магнитный поток каждой конечности использует две другие конечности в качестве обратного пути, создавая замкнутую магнитную цепь.
• Фазовое смещение: Магнитные потоки в сердечнике, создаваемые линейным напряжением, разнесены во временной фазе на 120°.
• Синусоидальный выход: Этот сдвиг фаз приводит к почти синусоидальному потоку в сердечнике, индуцирующему синусоидальное вторичное напряжение.

Пятизвенный трансформатор в кожухе

Хотя пятибалочный трансформатор в кожухе встречается реже, он имеет специфическое применение:

• Строительство: Как правило, тяжелее и дороже в строительстве, чем стержневой тип.
• Приложение: Обычно используется для очень больших силовых трансформаторов.
• Преимущество: Может быть изготовлен с уменьшенной высотой, что выгодно в некоторых случаях.
• Сходства: Материалы сердечника, электрические обмотки, стальной корпус и системы охлаждения аналогичны большим однофазным трансформаторам.

Сравнение

Выбор между конструкциями с сердечником и оболочкой зависит от конкретных требований к применению, включая номинальную мощность, ограничения по установке и экономические факторы.