1.10.2. Трехфазные трансформаторы

Проявление высших гармоник в реактивной составляющей тока i_0р и магнитном потоке трехфазных трансформаторов зависит от схем соединения первичной и вторичной обмоток. Рассмотрим трехфазную группу однофазных трансформаторов при соединении обмоток Y/Y. В трехфазной системе токи 1-й гармоники соседних фаз сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120⁰, а токи 3-й гармоники будут иметь сдвиг 3120⁰=360⁰ т. е. совпадать по фазе. Аналогичная картина будет наблюдаться для всех гармоник, кратных 3. Поэтому, при соединении обмоток звездой, в намагничивающем токе гармоник, кратных трем не будет, т. к. для них отсутствует цепь, по которой они могли бы замыкаться. При отсутствии третьей гармоники I_0p будет близок к синусоидальному, т. к. 5-я и 7-я гармоники относительно малы. При такой форме намагничивающего тока магнитный поток будет несинусоидальным (рис. 1.37). Поскольку кривая потока симметрична относительно оси времени, она при разложении в ряд будет содержать нечетные гармоники, кратные трем, которые во всех трех фазах

Рис. 1.37. Построение формы кривой магнитного потока при синусоидальном токе в трехфазном трансформаторе

магнитопровода совпадают по фазе. Следовательно ЭДС и фазные напряжения будут несинусоидальными и содержать третьи гармоники (рис. 1.38). Величина этих гармоник может быть значительной. Так, например, если Ф₃ составляет 10% от Ф₁, то ЭДС Е₃ составляет уже 30% от Е₁, так как поток Ф₃ изменяется с трехкратной частотой. Наличие в потоке и ЭДС высших гармоник приводит к увеличению амплитудных значений фазных напряжений. Это является нежелательным, особенно в высоковольтных трансформаторах, поскольку изоляцию в этом случае приходится рассчитывать по амплитуде ЭДС, что приводит к её удорожанию. По этой причине соединение Y/Y для трехфазных групповых трансформаторов применять не рекомендуется. Соединение Y/Y₀ (звезда-звезда с нулевым проводом)обеспечивает протекание токов 3-й гармоники в нулевом проводе, поэтому потоки и фазные напряжения однофазных трансформаторов в схеме Y/Y₀ синусоидальны. Однако токи 3-й гармоники, замыкаясь через емкости, имеющиеся между линиями электропередачи и землей, создают помехи для линий связи. Если нагрузка имеет заземленную нейтраль, то токи 3-й гармоник, проходя по земле, вызывают усиленную коррозию металлических подземных сооружений.

Рис. 1.38. Гармоники ЭДС трехфазного трансформатора при соединении обмоток Y/Y

Следовательно характерной особенностью соединения Y/Y является наличие третьих гармоник потока Ф₃, которые во всех фазах магнитопровода совпадают по фазе. В результате этого фазные ЭДС и напряжения имеют несинусоидальную форму.

Рассмотрим случай, когда первичная обмотка соединена в треугольник, а вторичная - в звезду (рис.1.39). Так как при соединении в треугольник линейные напряжения равны фазным, то каждая фаза обмотки будет подключена к фазному напряжению сети, изменяющемуся по синусоидальному закону. Следовательно потоки фаз так же будут синусоидальными, а реактивные составляющие токов фаз будут иметь высшие гармоники, как у однофазных трансформаторов. Так как токи 3-й гармоники во всех трех фазах в любой момент времени имеют одинаковое направление, то они будут протекать внутри треугольника, причем, будучи равными по величине и совпадая по фазе, они образуют общий циркуляционный ток. Следовательно при соединении / магнитный поток и ЭДС обмоток не искажаются и имеют синусоидальную форму. В линейных токах, которые представляют собой разность токов соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут отсутствовать.

Рис. 1.39. Токи третьей гармоники в первичной обмотке трансформатора, соединенной в треугольник

Рассмотрим еще один случай, когда первичная обмотка соединена звездой, а вторичная – треугольником (рис. 1.40).

Рис. 1.40. Токи третьей гармоники во вторичной обмотке трансформатора, соединенной в треугольник

Как уже рассматривалось при соединении первичной обмотки звездой происходит искажение магнитного потока – он будет содержать 3-и гармоники и поэтому иметь затупленную сверху форму. Третьи гармоники потока равны по величине и совпадают по фазе во всех фазах. Они будут индуктировать во вторичной обмотке, соединенной треугольником, три равные по величине и совпадающие по фазе ЭДС Е₂₍₃₎. Складываясь в контуре треугольника, эти ЭДС создадут в этом контуре ток I₀₃. Ток I₀₃ имеет утроенную частоту и отстает от ЭДС Е₂₍₃₎ на угол близкий к /2, так как индуктивные сопротивления обмоток на утроенной частоте будут значительно больше активных сопротивлений. Создаваемые этим током потоки Ф_3 будут практически полностью компенсировать потоки Ф_3y. Поэтому можно считать, что при соединении трансформатора Y/ поток будет практически синусоидальным.

Из изложенного следует, что в случае соединения одной из обмоток трансформатора в треугольник магнитные потоки, ЭДС и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это является существенным преимуществом такого соединения обмоток.