Трёхфазный трансформатор

Трёхфазный трансформатор – это трансформатор, предназначенный для гальванической развязки цепей трёх фаз с одновременным изменением амплитуды напряжения. Три фазы, как это общеизвестно, ввёл Доливо-Добровольский, но патент на изобретение получить не смог, потому что был опережён буквально на несколько лет Николой Теслой.

Благодарности

Нельзя не вспомнить замечательного автора из СССР довоенных времён – Холуянова Фёдора Ивановича. Его упрощённый рассказ более приятен слуху неподготовленного читателя, нежели самый лучший современный очерк о трёхфазных трансформаторах.

Определения

Силовой трёхфазный трансформатор средней мощности – не более 33,3 МВА мощности с полным сопротивлением короткого замыкания не выше 25 – 0,3N/W%. Где N – номинальная мощность трансформатора (МВА), W – число стержней сердечника.

Большой силовой трёхфазный трансформатор – мощность до 100 МВА и импедансов выше, определённого формулой, указанной для предыдущего класса изделий.

Распределительный трёхфазный трансформатор – понижающий, мощностью до 2,5 МВА, с раздельными обмотками и охлаждением типа ON.

Строение

Авторы предлагают начинать рассмотрение трёхфазного трансформатора с упрощения. Для этого предполагается, что читатели уже знакомы с цепями 220 В. И, в частности, с тем, как работает обычный трансформатор.

Краткое описание работы однофазного трансформатора

Начать нужно с совсем простой вещи: катушка индуктивности вокруг себя создаёт вихревое магнитное поле. Оно тянется вдоль оси и выходит наружу на северном полюсе. На рисунке показаны два витка проволоки. Ток идёт с плюса на минус, и направление линий напряжённости магнитного поля определяется правилом «буравчика». Хорошо видно, что траектория их загибается, в результате чего соседний виток (или целый соленоид) не может быть качественно охвачен.

А нужно это для того, чтобы по мере возможности полнее передать магнитный поток. В чем и заключается суть гальванической развязки (по току). Кроме того при трансформации легко варьируется выходное напряжение. Что и используется при передаче электроэнергии потребителям.

Для того чтобы качественно транспортировать поле во вторичную обмотку, применяется сердечник из ферромагнитного сплава. Внутри такого материала напряжённость магнитной индукции многократно возрастает. За счёт чего обеспечивается плотное потокосцепление, а ЭДС, наведённая на выходе, обретает большую величину. В сердечнике линии напряжённости поля идут примерно вдоль оси. По этой причине и получается описанный выше эффект.

Конструкция трёхфазного трансформатора

Проще всего рассмотреть трёхфазный трансформатор, как три однофазных. На скрине представлен образчик стержневого типа. Как и термин «броневой», это название достаточно доморощенное и означает, что обмотки надеты на стержни. А объединяются они для замыкания линий магнитного поля ярмами. Причём слово стержень не означает, что у этого элемента круглое сечение. Может, так когда-то и было, но не в современных трансформаторах.

 

Сердечник изготавливается шихтованным, а потому по определению не может быть круглым. Точнее говоря, это очень сложно технологически. Было бы лучше трансформатору с круглым сердечником? Скорее всего да, потому что виток, охватывающий квадрат, по площади все-таки был бы больше, будь стержень круглым. Это очевидный факт, потому коэффициент использования материалов современного трансформатора далёк от совершенства. Сердечник прямоугольный, как и ярма потому что так легче компоновать пластинки шихты.

Трёхфазный трансформатор рекомендуется представить в виде трёх стержневых, составленных бок к боку с образованием единого центрального стержня, который не используется.

Поскольку фазы сдвинуты равномерно на угол 120 градусов друг относительно друга, то геометрическая сумма векторов всегда будет равна нулю. Вот почему, если составить сердечники однофазных трансформаторов, как было указано выше, то магнитный поток по центральной части не пойдёт. На этом основана работа цепей с изолированной нейтралью. Итак, средний стержень не несёт магнитного потока, следовательно, может быть выкинут из конструкции вовсе. Оставшаяся часть компонуется так:

  1. Катушки располагаются на параллельных стержнях.
  2. Первичная и вторичная обмотки каждой фазы лежат на одном стержне.
  3. Сердечник замкнут ярмами.
  4. Согласно симметричности фаз различают две конструкции:
  • Вид сверху – равносторонний треугольник. Симметричность фаз.
  • Вид сверху – единая линия. Асимметричность фаз.
Читайте также:  Кабель СИП

Симметричность фаз означает то, что все входы равноправны. Если же стержни выстроены в один ряд, то расстояние вдоль ярма между крайними будет больше, нежели меж двумя другими парами. А это значит, что магнитный поток станет смещаться по фазе, и сигнал будет искажён. Кроме того сопротивление сердечника асимметрично для поля. Это вызывает неравенство токов уже в холостом режиме. Эффект усиливается некачественной сборкой или плохой насыщенностью железа ярма.

Броневые трёхфазные трансформаторы являются фактически поставленными друг на друга и охваченными единым сердечником однофазными. В этом случае асимметрия фаз наблюдаться не может по определению, а первичная и вторичная обмотки лежат на одном стержне. Поскольку на центральных ярмах поток удваивается, то и сечение сердечника этой области должно сообразно увеличиваться.

Обмотка первичная разделена пополам и охватывает вторичную с обеих сторон, как показано на рисунке (первичная – I, вторичная – II). У броневых трансформаторов есть одно неоспоримое преимущество – малые токи холостого хода. Считается, что это обусловлено коротким ходом напряжённости поля внутри сердечника. А вот недостатков целых три:

  1. Больший вес при том же передаточном коэффициенте и аналогичной мощности.
  2. Обмотки сложно ремонтировать, поскольку они со всех сторон окружены броней.
  3. Условия охлаждения хуже, хотя номинально объем больше. Но сердечник греется во время работы от перемагничивания и сравнительно малых вихревых токов.

Сердечники

Шихтованные сердечники набираются из листовой стали. Чем меньше толщина пластин, тем меньше будут потери на вихревые токи и в то же время, сборка более кропотливая. Слои разделяются лаковым покрытием для изоляции их друг от друга. Что и препятствует возникновению вихревых токов. Требования, предъявляемые к стали, достаточно типичные:

  1. Большое значение магнитной проницаемости обеспечивает усиление в десятки тысяч раз индукции поля. Следовательно, это первое и необходимое условия для работы трансформатора.
  2. Большое удельное сопротивление обеспечивается примесями кремния (по весу – до 4%). В результате потери снижаются до 50% у сильно-легированных образцов.
  3. Малая коэрцетивная сила, обусловливающая низкие потери на перемагничивание (узкая петля гистерезиса).

Что касается формы, то давно было замечено, что площадь квадрата составляет 0,88 от окружности. Следовательно, наиболее благоприятной будет именно эта кривая. Но нерационально усложнять процесс производства, поэтому на практике поступают так: трансформаторы малой мощности имеют квадратные стержни, средней – крестовидной (см. рис.), большой – круглой. Цель оправдывает средства, и если на подстанции не беречь энергию, то потери будут огромными. Тогда как скромный транзисторный приёмник может обойтись и малым. И экономия, и потери невелики в этом случае. К тому же прямоугольный сердечник обеспечивает наивыгоднейшие условия теплоотвода, поскольку имеет больший объем.

Иногда по углам располагают вставки из диэлектрика, которые удерживают обмотку вдоль нужной кривой. В масляных трансформаторах сердечник иногда снабжается щелями. Предполагается, что циркулируя в этих ходах, жидкость будет охлаждать обмотку и сталь. Каналы могут оборудоваться вдоль пластин или поперёк них. Второй случай более продуктивен по одной простой причине. Торцы пластин не покрываются лаком, поскольку в этом направлении токи Фуко (вихревые) не возникают, металл быстрее отдаёт тепло, которое распространяется вдоль пластины. Зато первый способ проще обеспечить с точки зрения технологического процесса производства.

Читайте также:  Разделительный трансформатор

Провод плохо ложится по прямой грани сердечника, выгибается кнаружи, на углах трескается лаковая изоляция. Все это накладывает свои ограничения на процесс сборки. В процессе эксплуатации неизбежны тепловые вариации геометрических размеров, что со временем усугубляет названные эффекты. Следовательно, прямоугольная катушка имеет меньшую механическую прочность. Вправду сказать, круглый стержень за счёт более толстой намотки увеличивает объем ярма, и его применяют только из-за частых отказов мощных трёхфазных трансформаторов иной конструкции.

Несмотря на все преимущества конструкций с симметричными фазами, чаще всего стержни ставятся в ряд по очевидным причинам: упрощается технологический процесс. Если сердечник стержневой, сборка внахлёст используется только для маломощных образцов, во всех других случаях ярмо идёт встык. У броневых все наоборот – маломощные впритык, а прочие — внахлёст.

Обмотка

В силовых трансформаторах обмотки обычно концентрические, располагаются одна в другой, имеют общую ось. Чередующиеся обмотки показаны на рисунке выше и для сбыта широким массам радиолюбителей такие, как правило, не выпускаются. При расчёте обычно внимание уделяют вычислению следующих параметров:

  1. Механическая прочность (см. выше), в том числе для режима короткого замыкания.
  2. Электрическая прочность жил, изоляции.
  3. Температурные режимы работы (в том числе, максимальный).

Обмотка выполняется круглым или прямоугольным (иногда транспонированным) проводом. Разделение единой жилы на несколько осуществляется с той же целью, с которой шихтуется сердечник. Это позволяет уменьшить значительно токи Фуко. При требуемом диаметре проволоки более 3,5 мм её заменяют прямоугольной (ТК 16.К71 – 108 – 94). Потому что слишком велики становятся просветы между проводами. Круглое же сечение имеет то преимущество, что легче производится, чаще встречается в обиходе. Тогда как прямоугольная проволока используется по большей части для намотки катушек. Следовательно, производить её не так выгодно, а сам процесс обходится дороже.

Прямоугольный проводник размером более 8х25 мм транспонируется. Впрочем, об этом уже сказано выше. Медь под обмотку берётся электротехническая, с чистотой не менее 99,95%. Из-за дороговизны часто заменяется рафинированным алюминием. Этот металл характеризуется меньшим пределом прочности на растяжение, меньшей пластичностью, большим удельным сопротивлением. Изоляция провода изготавливается из телефонной, либо трансформаторной бумаги. Встречается и лаковая:

  • ПБУ, прямоугольный медный провод с изоляцией из трансформаторной бумаги.
  • ПБ, медный прямоугольный провод с изоляцией из телефонной бумаги.
  • ПТБУ, транспонированный медный провод с бумажной изоляцией.
  • ПТБ, транспонированный медный провод с общей бумажной изоляцией.

Виды намотки

  1. Винтовая обмотка идёт по спирали с каналами для охлаждения маслом. В силовых трёхфазных трансформаторах применяются только для низких напряжений. Между слоями ставится прокладка.
  2. Непрерывная обмотка получила своё название за способ, когда одним куском медного провода наматывается множество обмоток. Часто внешний виток кладут первым, а после осуществляется перекладка.
  3. Переплетённая обмотка, благодаря переплетению соседних витков обладает большой механической прочностью.
  4. Цилиндрическая слоевая обмотка похожа на винтовую, но витки кладутся впритык без промежуточных каналов для охлаждения.
  5. Дисковая катушечная обмотка схожа с непрерывной, отличие лишь в дополнительной изоляции, накладываемой отдельно для каждой катушки. Отличается большой механической прочностью.