Понятие о магнитном равновесии трансформатора

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Почему предпочтительны синусоидальные токи?
  2. Несинусоидальные токи.
  3. Как добиваются синусоидальности э. д. с. вторичных обмоток трансформатора.
  4. Трансформирование трехфазного тока тремя однофазными трансформаторами и одним трехфазным стержневым трансформатором.
  5. Примеры взаимного влияния магнитных цепей разных трансформаторов.
  6. Влияние нагрузки трансформатора на его напряжение.
  7. Особенности стержневых трансформаторов.

На пути от генератора к потребителю электрическая энергия обычно несколько раз трансформируется. Генераторное напряжение на электростанции повышается для передачи на большое расстояние до районной подстанции, где напряжение снижается до 10 (или 6 кВ и энергия распределяется, по кабельной сети. Вблизи потребителей, напряжение с 10 или 6 кВ еще раз трансформируется, например до 380 / 220 В (смотрите рисунок 9, а, в статье "Схема соединения "Звезда"). Таким образом, в системе передачи трансформаторы являются непременными звеньями, а особенность трансформаторов состоит в том, что их первичные и вторичные обмотки электрически изолированы и связаны только магнитно. Итак, средством передачи энергии от первичной ко вторичной обмотке является магнитный поток. Следовательно, его величина, форма и фаза определяют в трансформаторе величину, форму и фазу электродвижущей силы (э. д. с.) вторичной обмотки. Иными словами, магнитный поток должен быть таков, чтобы э. д. с. вторичных обмоток трех фаз были равны по величине, взаимно сдвинуты на ⅓ периода и синусоидальны.

Равенство э. д. с. нужно затем, чтобы лампы одинаковой мощности, присоединенные к разным фазам, светили одинаково и чтобы обмотки каждой фазы трехфазного двигателя в равной мере участвовали в образовании вращающего момента.

Взаимный сдвиг на ⅓ периода важен, например, для создания равномерно вращающегося магнитного потока в трехфазных двигателях и обеспечения магнитного равновесия в трехфазных трансформаторах (смотрите ниже).

Вопрос о синусоидальности э. д. с. значительно сложнее и поэтому рассматривается несколько подробнее.

Почему предпочтительны синусоидальные токи?

Синусоидальные токи хороши тем, что они изменяются плавно. А в электротехнике плавность изменений тока так же важна, как в механике важна плавность изменений скорости. Действительно, поломки в механике (перенапряжения в электроустановках) возникают не при больших скоростях, а при изменениях скоростей. И чем резче изменение, тем большие силы возникают и тем выше перенапряжения. Предельный случай неравномерности тока – следствие размыкания цепи, причем чем быстрее обрывается ток (тем больше скорость изменения магнитного потока, созданного током), тем выше перенапряжение. А его следствием являются: дуга на контактах при их размыкании; пробой транзистора при закрытии; повреждение изоляции в местах, где она ослаблена.

Яркий общеизвестный пример возникновения значительных напряжений в результате прерывания тока – автомобильная бобина; к ней через прерыватель подводится ток от шестивольтового аккумулятора, а на вторичной обмотке получается 12000 – 15000 В. В автомобиле это нужно для зажигания, и изоляция проводки к свечам зажигания соответственно рассчитана. Но что было бы с изоляцией электроустановки, если бы переменный ток частотой 50 Гц 100 раз в секунду не снижался плавно до нуля, а изменялся скачкообразно?

Несинусоидальные токи

К сожалению, токи, изменяющиеся не скачками, но далеко не так плавно, как синусоида, в электроустановках далеко не редкость. Такие токи называются несинусоидальными. Они могут возникать и в генераторах, и в трансформаторах, и вообще в любых цепях, где имеются обмотки на стальных, ферритовых и пермаллоевых сердечниках, в режимах, когда проявляется насыщение. Резко несинусоидальны выпрямленные токи, а выпрямительные установки мощностью в десятки тысячи киловатт в настоящее время широко применяются в электролизной технике и для электротяги. Несинусоидальность всегда возникает в сетях с газоразрядными, например люминесцентными, лампами. С таким случаем мы уже встречались в статье "Схема соединения "Звезда", рисунок 8 при рассмотрении соединения в звезду люминесцентных ламп. Следствием несинусоидальности в данном примере явилась необходимость значительно увеличить сечение нейтрального провода.

Несинусоидальные токи интересны не только теоретически. В практике они иногда вызывают "непонятные" и отнюдь не благоприятные явления. Поэтому необходимо хотя бы в общих чертах познакомиться с несинусоидальными токами.

В электротехнике доказывается, что несинусоидальный ток (э. д. с., напряжение) в самом общем случае можно представить как сумму постоянной составляющей (постоянного тока, э. д. с., напряжения) и нескольких синусоидальных токов; период каждого из них в целое число раз меньше периода несинусоидального тока (э. д. с., напряжения). Синусоида, имеющая частоту несинусоидального тока (основную частоту), называется первой гармоникой. Синусоиды, имеющие большие частоты, называются высшими гармониками. Так, синусоиды с частотами, в 3 и 5 раз большими основной частоты, называются соответственно третьей и пятой гармониками.

На рисунке 1, а показаны несинусоидальные токи (кривые 1) трех фаз, содержащие первую (кривые 2) и третью (кривые 3) гармоники. Рисунок 1, б иллюстрирует несинусоидальный ток 4 фазы A, содержащий первую (кривая 2) и пятую (кривая 5) гармоники. И, наконец, на рисунке 1, в изображен несинусоидальный ток 6 фазы A, состоящий из первой 2, третьей 3 и пятой 5 гармоник. Именно такие несинусоидальные токи (то есть содержащие только нечетные гармоники, преимущественно третью и пятую) наиболее часто встречаются в электроустановках, содержащих стальные сердечники.

Понятие о несинусоидальных токах

Рисунок 1. Понятие о несинусоидальных токах.

Зачем же фактически существующий несинусоидальный ток заменять суммой синусоидальных токов? Ответить на этот вопрос можно, проведя аналогию с приемом, применяемым при механических расчетах, когда в одних случаях несколько сил заменяют их равнодействующей, а в других – наоборот, одну силу сначала разлагают на составляющие, действующие по взаимно перпендикулярным направлениям, затем определяют порознь действие составляющих сил (это легче сделать) и, наконец, надлежащим образом суммируют полученные результаты.

Аналогично несинусоидальные величины удобно сначала разложить на несколько синусоидальных и рассматривать действие каждой из них. Удобство состоит в том, что синусоидальные величины изображаются векторами, а действия с векторами производят либо графически (смотрите статью "Основные понятия и определения о переменном токе"), либо аналитически, не прибегая к чертежам. С этой целью каждый вектор записывают как комплексное число и затем, пользуясь символическим методом, производят сложение, вычитание, умножение – словом, необходимые действия с любой степенью точности. Полученные результаты на любой стадии вычислений можно для наглядности представить графически, так как комплексные числа очень просто изображаются векторами. С комплексными числами и символическим методом читатели могут ознакомиться в любом курсе электротехники.

Возвращаясь к рисунку 1, можно заметить следующие особенности третьей и пятой гармоник:
а) третьи гармоники трех фаз совпадают по фазе, то есть достигают нулевых и максимальных значений соответственно одновременно;
б) пятые гармоники имеют обратную последовательность фаз. Это значит, что нулевые и максимальные значения разных фаз следуют в порядке A, C, B, а не A, B, C, если таков порядок чередования фаз первой гармоники;
в) частота третьей гармоники втрое больше частоты первой гармоники, а пятой – в 5 раз;
г) амплитуда фазных несинусоидальных э. д. с. выше амплитуды синусоидальных э. д. с.

Что же из этого следует?

Совпадение по фазе токов третьих (девятых и других, кратных трем) гармоник в трехфазной системе приводит, во-первых, к арифметическому суммированию их в нейтральном проводе (статья "Схема соединения "Звезда", рисунок 8). Во-вторых, в трехстержневом трехфазном трансформаторе магнитные потоки ФA3, ФB3, ФC3, созданные токами третьих гармоник фаз A, B и C, во всех трех стержнях направлены навстречу. Следовательно, они не могут, сходясь в ярме, уравновеситься и вынуждены замыкаться через кожух трансформатора, как показано штриховыми линиями на рисунке 2. (Сравните с магнитными потоками ФA1, ФB1, ФC1 созданными токами первой гармоники. Эти потоки в силу сдвига на ⅓ периода в любой момент в двух стержнях направлены вниз, а в третьем стержне – вверх. Они уравновешивают друг друга, то есть сходясь в ярме, дают нуль, подобно тому, как токи трех фаз, геометрически суммируясь, дают нуль в нейтральном проводе.)

Несинусоидальные токи
Рисунок 2. Магнитные потоки ФA1, ФB1, ФC1 основной частоты взаимно уравновешиваются, так как они равны и сдвинуты по фазе на ⅓ периода. Совпадающие по фазе магнитные потоки ФA3, ФB3, ФC3 третьей гармоники одинаково направлены и потому вынуждены замыкаться через кожух трансформатора.

Итак, переменные магнитные потоки третьих гармоник замыкаются через кожух трансформатора и наводят в нем вихревые токи, которые нагревают кожух. А это плохо и потому, что на нагревание расходуется энергия, и потому, что чем горячее кожух, тем меньше отводится тепла от обмоток и магнитопровода трансформатора. Перегревать обмотки нельзя, чтобы не испортить изоляцию. Поэтому приходится недогружать трансформатор 1.

Обратная последовательность фаз пятой гармоники создает в электродвигателе магнитное поле, вращающееся в обратную сторону по сравнению с направлением вращения основного поля. Следовательно, поле пятой гармоники (и других гармоник, имеющих обратную последовательность) тормозит ротор.

Повышенная частота высших гармоник создает условия для возникновения резонанса, что может привести к увеличению тока и значительному повышению напряжения. Дело в том, что резонанс наступает, когда индуктивное и емкостное сопротивления, действующие совместно, становятся равными по абсолютной величине, чему как раз и благоприятствует повышение частоты. Действительно, чем частота меньше, тем индуктивное сопротивление меньше, а емкостное больше. С повышением частоты, например втрое, индуктивное сопротивление xL возрастает в 3 раза, а емкостное xC в 3 раза уменьшается. Например, если при частоте 50 Гц xL = 10 Ом, xC = 90 Ом (разница в 9 раз), то при 150 Гц xL = xC = 30 Ом, а именно равенство xL и xC является условием резонанса.

Повышенная амплитуда фазных э. д. с. из-за наличия высших гармоник ухудшает условия работы изоляции фазных обмоток трансформаторов и потребителей, включенных на фазное напряжение.

Обратите внимание: речь идет о третьих (и кратных трем) гармониках в фазных э. д. с. При симметричной нагрузке в линейных э. д. с. третьих гармоник не бывает ни при соединении генератора или трансформатора в звезду, ни при соединении в треугольник. Действительно, при соединении в звезду линейные э. д. c. (напряжения) определяются геометрическим вычитанием э. д. с. (напряжений) двух фаз (смотрите статью "Схема соединения "Звезда"). Но для третьих гармоник это арифметическая разность и, следовательно, она равна нулю. При соединении в треугольник (смотрите "Схема соединения "Треугольник") под действием э. д. с. третьей гармоники в замкнутом контуре обмоток возникает ток третьей гармоники. Он создает в каждой обмотке падение напряжения, равное и противоположное э. д. с. третьей гармоники. Поэтому потенциалы вершин треугольника для третьих гармоник относительно друг друга равны нулю.

Как добиваются синусоидальности э. д. с. вторичных обмоток трансформатора

В начале этого параграфа подчеркивалось, что средством передачи энергии от первичной ко вторичной обмотке трансформатора является магнитный поток. Этот поток должен быть синусоидален, иначе индуктируемые им в обмотках трансформатора э. д. с. будут несинусоидальны. Несинусоидальная э. д. с. первичной обмотки не сможет уравновесить приложенное к первичной обмотке синусоидальное напряжение. Несинусоидальность э. д. с. вторичной обмотки может привести к ряду нежелательных явлений в сети; о некоторых из них рассказано выше.

Магнитный поток в трансформаторе образуется намагничивающим током первичной обмотки, который создается разностью между приложенным напряжением и э. д. с. первичной обмотки. Но чтобы магнитный поток был синусоидален, необходимо, чтобы намагничивающий ток был несинусоидален: он должен содержать преимущественно третью и пятую гармоники 2. Они должны вводиться в трансформатор извне либо должны образоваться в самом трансформаторе.

Токи третьей гармоники вводятся в первичную обмотку трансформатора извне, если она соединена в звезду и ее нейтраль соединена с нейтралью генератора. Нейтральный провод и открывает путь токам третьей гармоники. Если же первичная обмотка трансформатора соединена в звезду, но нейтрального провода нет, то для токов третьей гармоники нейтраль трансформатора непроходима. Значит, в намагничивающем токе не будет третьей гармоники, магнитный поток не может быть синусоидальным и в фазных э. д. с. (напряжениях) появится третья гармоника. Как же ее избежать? Для этого одну из обмоток трансформатора достаточно соединить в треугольник и создать таким образом в самом трансформаторе недостающий ток. Действительно, третьи гармоники всех фазных э. д. с. имеют одно направление. Поэтому они дадут в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники, а созданный им поток тоже третьей гармоники восполнит основной поток, обеспечивая, таким образом, синусоидальность э. д. с. трансформатора. По этой причине у мощных трансформаторов хотя бы одну обмотку соединяют в треугольник.

Как видно из приведенных выше сведений, токи третьей гармоники иногда вредны, но в некоторых случаях необходимы. Это подтверждается и в статье "Разомкнутый треугольник. Открытый треугольник", где при рассмотрении соединений трансформаторов, питающих выпрямители, рассказано об утроителе частоты – аппарате, единственное назначение которого – создавать токи третьей гармоники.

В том, что какое-либо явление не может быть только полезным или только вредным, можно убедиться на многих примерах. В механике, скажем, трение в подшипнике колеса – безусловно вредно, но трение обода колеса о дорогу не только полезно, но совершенно необходимо, иначе колесо не будет катиться.

Другой пример из электротехники. В старых учебниках вихревые токи называют паразитными на том основании, что они разогревают массивные детали электрических машин и аппаратов, создают потери энергии. Все это так, и на ослабление вихревых токов там, где они вредны, расходуют немалые средства (например, магнитопровод трансформатора набирают из отдельных взаимно изолируемых листов стали, а к стали дают присадки, повышающие ее электрическое сопротивление ценой ухудшения механических свойств – электротехническая сталь хрупка и ее трудно обрабатывать). Но невозможно переоценить изумительные применения вихревых токов. Если бы вихревых токов не существовало, мы были бы лишены: короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, индукционных реле и счетчиков, индукционного нагрева в металлургии, простейших электромагнитных реле времени, являющихся основой большинства автоматических телефонных станций и многих устройств управления электроприводом.

Трансформирование трехфазного тока тремя однофазными трансформаторами и одним трехфазным стержневым трансформатором

На рисунке 9, б, в статье "Схема соединения "Звезда", было показано соединение в звезду трех однофазных трансформаторов, на рисунке 9, в, в этой же статье – трехфазный стержневой трансформатор. Нулевого провода нет. В этих условиях магнитный поток несинусоидален. Покажем, что трехфазная группа однофазных трансформаторов и стержневой трехфазный трансформатор проявляют себя по-разному. Дело в том, что у однофазных трансформаторов каждая фаза имеет свой, ни с чем не связанный магнитопровод, и через него легко замыкается добавочный магнитный поток третьей гармоники. Поэтому он велик и, следовательно, велико искажение фазных э. д. с. У стержневого трехфазного трансформатора магнитопроводы всех фаз связаны, а ярмо для магнитных потоков третьих гармоник непроходимо. Они вынуждены замыкаться через масло, воздух и кожух трансформатора (смотрите рисунок 2) и поэтому значительно ослаблены. А раз магнитные потоки третьей гармоники малы, то невелико искажение формы фазных э. д. с.

Даже сообщенные краткие сведения показывают, насколько важно учитывать не только электрические соединения обмоток, но и взаимную связь между магнитными цепями.

Примеры взаимного влияния магнитных цепей разных трансформаторов

Работают параллельно два трансформатора. Один соединен в звезду – треугольник, соединение другого – звезда– звезда. Нейтрали первичных звезд соединены. В этом случае треугольник одного трансформатора дает токи третьей гармоники для обоих трансформаторов, но может ими перегрузиться.

В другом примере параллельно работают трехфазная группа однофазных трансформаторов и трехфазный стержневой трансформатор. Нейтрали обоих трансформаторов соединены. У группы однофазных трансформаторов э. д. с. третьих гармоник значительно выше, чем у трехфазного трансформатора. Под действием разности э. д. с. третьих гармоник трансформаторов в них возникает ток третьей гармоники. Он снижает э. д. с. третьей гармоники однофазных трансформаторов, но повышает их в стержневом трансформаторе.

Влияние нагрузки трансформатора на его напряжение

На рисунке 3, ав показаны три однофазных трансформатора, отличающихся следующим. В трансформаторе на рисунке 3, а первичная I и вторичная II обмотки размещены на разных стержнях, на рисунке 3, б – на одном стержне. На рисунке 3, в каждая обмотка состоит из двух половин, причем по половине первичной и вторичной обмоток находится на одном стержне; средние точки обмоток имеют выводы.

Влияние нагрузки трансформатора на его напряжение

Рисунок 3. Влияние несимметричной нагрузки на работу трансформатора. Точками обозначены начала обмоток.

Расположение первичной и вторичной обмоток на одном стержне лучше, так как магнитная связь между обмотками более совершенна. Если же первичная и вторичная обмотки размещены на разных стержнях (рисунок 3, а), то не весь магнитный поток, созданный намагничивающим током первичной обмотки, пронизывает витки вторичной обмотки. Часть его рассеивается.

Пока трансформатор не нагружен, в его магнитной цепи действует только одна магнитодвижущая сила (м. д. с.) – первичной обмотки. Когда же трансформатор нагружают, в той же магнитной цепи возникает еще одна м. д. с.– вторичной обмотки. Согласно закону Ленца она размагничивает трансформатор. Поэтому магнитный поток несколько уменьшается, а это значит, что уменьшается э. д. с. первичной обмотки. Но приложенное первичное напряжение остается тем же (это напряжение сети). Значит разность между ним и первичной э.д. с. возрастает и, следовательно, в первичной обмотке увеличивается ток. Увеличение тока строго определенное: оно компенсирует размагничивающее действие вторичной обмотки, благодаря чему и при холостой работе и под нагрузкой в магнитной цепи трансформатора поддерживается равновесие.

Рассмотрим этот вопрос немного подробнее, начиная с простого примера, то есть оценим влияние нагрузки на работу однофазного трансформатора, обмотки которого соединены, как показано на рисунке 3, в. Трансформатор с вторичной стороны присоединен к трехпроводной сети, например 2 × 220 В (между проводами aN и xN по 220 В). У первичной сети нейтраль выведена и может быть присоединена к средней точке трансформатора.

Первый случай. Между aN и xN включены одинаковые нагрузки (рисунок 3, г). В нейтральном проводе тока нет, м. д. с. в обоих стержнях одинаковы, вторичные напряжения обеих половин обмотки равны 3. Это, самый благоприятный режим.

Второй случай (рисунок 3, д). Обе половины первичной обмотки соединены последовательно, а их средняя точка присоединена к нейтральному проводу первичной сети. Нагружена только одна (левая) половина вторичной обмотки. Благодаря тому, что средняя точка первичной обмотки присоединена к нейтральному проводу, ток нагрузки проходит по первичной и вторичной обмоткам, находящимся на одном стержне: магнитное равновесие практически не нарушается 4.

Третий случай (рисунок 3, е). Обе половины первичной обмотки соединены параллельно 5. Нагружена одна половина вторичной обмотки. Магнитное равновесие не нарушается по тем же причинам, что и во втором случае.

Четвертый случай (рисунок 3, ж). Обе половины первичной обмотки соединены последовательно, но их средняя точка к сети не присоединена. Нагружена одна половина вторичной обмотки.

Первичный ток проходит через обе половины обмотки, и созданная им м. д. с. поровну распределена между стержнями. Но у вторичной обмотки нагружена только одна половина и, следовательно, размагничивается только один стержень: магнитное равновесие нарушено. Последствия этого нарушения сводятся к возникновению в обоих стержнях магнитного потока рассеяния, направленного в одну сторону. Он замыкается через воздух и кожух трансформатора и нагревает кожух. Кроме того, магнитный поток рассеяния значительно увеличивает индуктивное сопротивление магнитно неуравновешенной половины первичной обмотки. Это приводит к неравномерному распределению первичного напряжения между обеими половинами первичной обмотки 6. Но если первичные напряжения значительно отличаются, то и вторичные напряжения не могут быть равными, и это плохо.

Особенности стержневых трансформаторов

Рассмотрим условия холостой работы трехфазного стержневого трансформатора. Магнитное сопротивление средней фазы меньше, чем сопротивления крайних фаз, так как магнитная цепь средней фазы короче. Неравенство магнитных сопротивлений приводит к неравенству намагничивающих токов: в средней фазе намагничивающий ток меньше. С другой стороны, при симметричном напряжении, приложенном к первичной обмотке, геометрическая сумма намагничивающих токов должна быть равна нулю. Иными словами, нужно, чтобы намагничивающие токи были либо равны, либо несимметричны (то есть углы между ними должны отличаться от 120°). Допустим, что первичная обмотка соединена в звезду и ее нейтраль соединена с нейтралью генератора. Тогда через нейтральный провод будет восполнен "недостающий" ток Iн (рисунок 4, а).

Если у первичной обмотки нейтрального провода нет, то "недостающий" ток распределится поровну между всеми тремя фазами (рисунок 4, б), а так как это ток однофазный, он создаст во всех стержнях магнитные потоки одного направления. Они замкнутся через воздух и кожух трансформатора. Следствием добавочного магнитного потока явится смещение нейтрали фазных э. д. с. из точки 0 в точку 0′ (рисунок 4, в). Этот рисунок построен следующим образом. Слева на нем изображены диаграмма токов и положение нейтрали 0 в предположении равенства магнитных сопротивлений магнитных цепей. Диаграмма в центре отражает реальное положение, при котором к току каждой фазы прибавляется ⅓ Iн; нейтраль при этом находится в точке 0′. И, наконец, правая диаграмма получена в результате совмещения левой и средней диаграмм, и на ней отчетливо видно смещение нейтрали.

Магнитное равновесие трансформатора

Рисунок 4. Магнитное равновесие трехфазного стержневого трансформатора.
а – ток Iн поступает в первичную обмотку трансформатора через нейтральный провод 0; б – при отсутствии у первичной обмотки нейтрального провода ток Iн распределяется между фазами; в – смещение нейтрали из точки 0 в точку 0′; г – однофазный ток как бы охватывает все три стержня при соединении в треугольник.

Если у трансформатора есть обмотка, соединенная в треугольник, то она представляет собой как бы замкнутый контур, который окружает все три стержня трансформатора (рисунок 4, г). В этом контуре под действием однофазного тока индуктируется ток, в значительной степени ослабляющий вредные действия добавочного потока.

Под нагрузкой, если она симметрична, в обмотках всех фаз проходят одинаковые токи, падения напряжения в фазах каждой обмотки равны друг другу и э. д. с. обмоток уменьшаются на одну и ту же величину. Иными словами, если система была симметрична при холостой работе, она останется симметричной и при нагрузке.

При несимметричной нагрузке токи в фазах обмотки не равны и поэтому падения напряжения неодинаковы. В результате линейное напряжение между одними зажимами понижается, между другими зажимами может даже повыситься. При несимметричной нагрузке изменения вторичного напряжения зависят от способа соединения обмоток. В общих чертах дело сводится к следующему.

Вторичные обмотки трансформаторов, питающих трехфазную (электродвигатели) и однофазную (освещение, бытовые приборы) нагрузки, обычно соединяют в звезду, чтобы получить два напряжения, например 220 В для однофазных нагрузок и 380 В для электродвигателей. Первичные обмотки трансформаторов можно соединять тремя способами: в звезду с выведенной нейтралью, которая присоединяется к нейтрали источника тока (рисунок 4, а), в треугольник, в звезду с изолированной нейтралью (рисунок 4, б).

Соединение по рисунку 4, а наиболее благоприятно: м. д. с. первичной и вторичной обмоток сбалансированы (смотрите пояснения к рисунку 3, д, где рассмотрен аналогичный случай для однофазного трансформатора). Но оно практически неприемлемо, так как требует либо питания первичной обмотки по четырем проводам (вместо трех проводов), либо заземления нейтрали. Однако в сетях 6, 10 и 35 кВ нейтраль не заземляют по причинам, которые здесь не рассматриваются.

При соединении первичных обмоток в треугольник однофазная нагрузка незначительно искажает напряжение (смотрите пояснения к рисунку 4, г). Но соединение первичной обмотки в треугольник дороже, нежели соединение в звезду (при соединении в треугольник каждая фаза должна рассчитываться на линейное напряжение, то есть иметь в 1,73 раза больше витков).

Наиболее распространено соединение первичных обмоток в звезду с изолированной нейтралью (рисунок 4, б), невзирая на то, что при большой однофазной нагрузке нейтраль сильней смещается и нарушается симметрия напряжений, но такие трансформаторы наиболее дешевы. Если же однофазная нагрузка настолько велика, что смещение нейтрали достигает недопустимой величины, то, идя на некоторое удорожание трансформатора, вторичные обмотки соединяют в зигзаг.

При соединении в зигзаг требуется на 15% больше витков. Кроме того, внутренние соединения трансформатора значительно сложнее.


1 Обмотки нагреваются током из-за того, что они имеют активное сопротивление. Магнитопровод нагревается как вихревыми токами, возбуждаемыми в нем переменным магнитным потоком, так и вследствие преодоления задерживающей (коэрцитивной) силы при перемагничивании.
Перегрев изоляции – явление опасное. При допустимых температурах изоляция имеет высокое сопротивление и эластична. Но даже небольшой перегрев резко снижает качество изоляции: она становится хрупкой. Наконец, при температуре, в 1,5 раза превышающей допустимую, изоляция обугливается, то есть становится электропроводной.
2 Это, казалось бы, странное явление (магнитный поток синусоидален, а создающий его ток несинусоидален) объясняется тем, что магнитопровод трансформатора немного насыщается и, кроме того, в каждый период перемагничивается. При насыщении индуктивность зависит от тока и между током и магнитным потоком нарушается прямая пропорциональность.
3 Вторичные напряжения ниже соответствующих э. д. с. на величину падения напряжения.
4 В одном стержне м. д. с. нагрузки взаимно компенсируются, а в обмотках, расположенных на другом стержне, просто нет нагрузки.
5 Половины первичных обмоток в данном случае рассчитаны на двойное напряжение, так как каждая из них присоединена между проводами A и X, а не A0, X0, как на рис. 3, г, д, ж.
6 Ток в обеих половинах первичной обмотки одинаков, так как они соединены последовательно, а индуктивные сопротивления оказались различными. Значит на магнитно неуравновешенную половину обмотки (ее индуктивное сопротивление выше) приходится большая часть первичного напряжения.

Источник: Каминский Е. А., "Звезда, треугольник, зигзаг" – 4-е издание, переработанное – Москва: Энергия, 1977 – 104с.

1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса -ов)