ГЛАВА XVII. § 17.1. Магнітні ланцюги трифазних трансформаторів

ГЛАВА XVII
ТРИФАЗНІ ТРАНСФОРМАТОРИ
§ 17.1. Магнітні ланцюги трифазних трансформаторів
Трансформування трифазного струму можна здійснювати або трьома окремими однаковими однофазними трансформаторами, або ж одним трифазним трансформатором із загальним сердечником для всіх фаз.
Перший спосіб трансформування трифазного струму широко застосовують тільки в потужних силових електроенергетичних установках. У цьому випадку первинні й вторинні обмотки трьох однофазних трансформаторів з'єднуються між собою або зіркою, або ж трикутником. Кожний однофазний трансформатор тут утворить одну фазу трифазної системи із самостійним магнітним ланцюгом, тому з'єднання первинних обмоток трансформаторів зіркою або трикутником може бути зроблене між собою будь-якими кінцями. Вторинні ж обмотки після включення первинних на напругу повинні бути з'єднані таким чином, щоб їх фазні вихідні напруги утворили трифазну симетричну систему векторів у вигляді зірки або трикутника.
При з'єднанні первинних або вторинних обмоток трансформаторів між собою варто розрізняти «початки» і «кінці» цих обмоток. Знаки потенціалів початків і кінців їх у будь-який момент часу будуть протилежними. Якщо, наприклад, потенціал початку обмотки в цей момент часу позитивний, то потенціал кінця її негативний, або навпаки. Звичайно первинна й вторинна обмотки мають однаковий напрямок намотування на стрижні сердечника трансформатора, тому знаки потенціалу обох обмоток у будь-який момент часу будуть однаковими - позитивними або негативними. При цьому вектори індукованих е.р.с. у первинній і вторинній обмотках збігаються по фазі через збіг їхніх осей на стрижні.
Для зручності експлуатації потужних силових трансформаторів ДСТУ установлені умовні позначки початків і кінців їх первинних і вторинних обмоток. Початки первинних обмоток позначають більшими латинськими буквами А, В, С і кінці — відповідно X, Y, Z, початки вторинних обмоток — малими латинськими буквами а, b, c і кінці їх — х, y, z. У потужних силових трансформаторах ці позначення початків і кінців обмоток вказують на первинних і вторинних виводах трансформатора.
Трансформування трифазного струму в області малих потужностей у межах до декількох сотень вольт-ампер виробляється винятково за допомогою трифазних силових трансформаторів із загальним сердечником для всіх фаз. По конструкції сердечника малі трифазні силові трансформатори виконують тільки стрижневого типу з несиметричним магнітним ланцюгом.

На рис. 17.1 представлено принципову будову такого трансформатора. Три його стрижні з обмотками магнітно з'єднані двома ярмами й просторово перебувають в одній площині. У цих ярмах по осі середнього стрижня утворяться дві магнітні нейтральні точки, у яких сума магнітних потоків трьох стрижнів у будь-який момент часу дорівнює нулю. При такій будові сердечника середні довжини шляхів між названими крапками для магнітних потоків середньої й кожної із крайніх фаз виявляються неоднаковими - у крайній фазі більші, ніж у середній. Це означає, що магнітний опір для поля крайньої фази більший, ніж для середньої. Отже, при однакових амплітудах магнітних полів стрижнів і рівних чисел витків первинної обмотки кожної фази струми холостого ходу крайніх фаз більші за струми середньої фази (рис. 17.2).

Первинні й вторинні обмотки окремих фаз трифазного трансформатора можуть бути з'єднані кожна між собою зіркою або трикутником або ж одна - зіркою, інша - трикутником. У першому випадку виходить трансформатор з однаковим з'єднанням обмоток, у другому - зі змішаним з'єднанням.
Первинні обмотки трифазного стрижневого трансформатора із загальним магнітним ланцюгом для всіх фаз повинні бути з'єднані між собою зіркою або трикутником так, щоб у кожний момент часу суми магнітних полів трьох стрижнів у нейтральних точках сердечника дорівнювали нулю (див. рис. 17.1). Для виконання цієї умови потрібно з'єднати в зірку всі кінці первинних обмоток X, Y і Z (або початки А, В, С). При з'єднанні первинних обмоток трикутником варто зв'язати початок однієї обмотки з кінцем іншої і т.д., наприклад А — Y; В — Z; С — X.
Вторинні обмотки трансформатора для одержання симетричної трифазної системи вихідних напруг з'єднують аналогічно первинним. Наприклад, при з'єднанні їх зіркою потрібно зв'язати разом всі кінці х, у і z (див. рис. 17.1).
Слід зазначити, що в потужних силових електроенергетичних установках крім трифазних стрижневих трансформаторів зустрічаються також трифазні трансформатори броньового типу.
Як уже говорилося раніше, при холостому ході трифазного стрижневого трансформатора з несиметричним магнітним ланцюгом (див. рис. 17.1) струми холостого ходу крайніх фаз більші, ніж середньої. На рис. 17.2 представлена векторна діаграма первинних фазних напруг і струмів холостого ходу цього трансформатора. Як показує цей малюнок, діаграма струмів холостого ходу являє собою несиметричну систему векторів з фазними кутами взаємного зміщення, що відрізняються від 120°. Це обумовлено тим, що геометрична сума векторів струмів у нейтральній точці первинних обмоток, за законом Кірхгофа, ΣІ0 = І0А + І0В + І0С= 0. Отже, ці вектори при нерівності їхніх величин у фазах утворять замкнутий трикутник із неоднаковими сторонами. У зв'язку із цим кути зміщення струмів холостого ходу щодо відповідних фазних напруг виходять різними, причому струм однієї із крайніх фаз (на рис. 17.2 — фази А) зміщений на кут φ0A>90° щодо фазної напруги UА. Це означає, що частина споживаної з мережі активної потужності фазами В і С при холостому ході трансформатора повертається назад в мережу через фазу А.