Jakie są zastosowania transformatorów z grupami połączeń D/Y?

W transformatorze trójfazowym jedna strona uzwojenia pierwotnego lub wtórnego jest zawsze połączona w konfigurację trójkąta. Ma to na celu uniknięcie obecności składowych trzeciej harmonicznej w głównym strumieniu magnetycznym, co zmniejsza prądy wirowe i lokalne nagrzewanie oraz poprawia wydajność i niezawodność transformatora. Aby zrozumieć tę zasadę, należy najpierw poznać podstawy transformatorów trójfazowych.

1. Istnieją dwa typy transformatorów trójfazowych:

Jednym z nich jest transformator trójfazowy typu grupowego (Rysunek 1):

Drugim jest transformator trójfazowy typu rdzeniowego (Rysunek 2):

Transformator trójfazowy typu grupowego składa się z trzech transformatorów jednofazowych połączonych uzwojeniami w celu utworzenia transformatora trójfazowego. Jego cechą charakterystyczną jest to, że obwody elektromagnetyczne trzech faz są niezależne, a strumień trzeciej harmonicznej może płynąć. Duże transformatory trójfazowe rzadko wykorzystują ten typ grupowy, dlatego nie będzie on dalej omawiany.

Duże transformatory energetyczne są zwykle transformatorami trójfazowymi typu rdzeniowego. Ich cechą charakterystyczną jest to, że obwody magnetyczne trzech faz są ze sobą połączone. W przypadku obwodu magnetycznego rdzenia trójkolumnowego nie ma bezpośredniej ścieżki dla strumienia trzeciej harmonicznej. Dlatego strumień trzeciej harmonicznej może tworzyć pętlę jedynie przez obwód magnetyczny rozproszenia, na przykład przez obudowę transformatora. Obudowa transformatora jest zwykle wykonana z blach stalowych, a obecność strumienia trzeciej harmonicznej powoduje silne nagrzewanie.

Ścieżka obwodu magnetycznego trzeciej harmonicznej w transformatorze trójfazowym typu rdzeniowego (Rysunek 3)

2. Przebiegi napięcia (potencjału), prądu wzbudzenia i strumienia magnetycznego w różnych strukturach obwodu magnetycznego i elektrycznego.

2.1 Sinusoidalny prąd wzbudzenia generuje strumień magnetyczny o spłaszczonym wierzchołku (Rysunek 4).

Gdy rdzeń jest nasycony: gdy strumień magnetyczny ma przebieg o spłaszczonym wierzchołku, prąd magnesujący jest sinusoidą.

2.2 Prąd wzbudzenia o szpiczastym wierzchołku generuje sinusoidalny strumień magnetyczny (Rysunek 5).

Przebieg prądu wzbudzenia stanu jałowego.

2.3 Zarówno przebiegi o spłaszczonym, jak i szpiczastym wierzchołku można rozłożyć na falę podstawową i trzecią harmoniczną (Rysunek 6).

Przebieg siły elektromotorycznej stanu jałowego transformatora trójfazowego. Gdy obwód magnetyczny jest nasycony, aby uzyskać sinusoidalny strumień magnetyczny, prąd wzbudzenia powinien mieć przebieg szpiczasty.

Gdy obwód magnetyczny jest nasycony, jeśli prąd wzbudzenia jest sinusoidą, główny strumień magnetyczny ma przebieg o spłaszczonym wierzchołku.

3. Po zrozumieniu powyższych podstaw przejdziemy do analizy. Jeśli zarówno strona pierwotna, jak i wtórna są połączone w gwiazdę, nie ma ścieżki dla trzeciej harmonicznej prądu. Dlatego w połączeniu Y/Y prąd wzbudzenia może być jedynie prądem sinusoidalnym. Ten sinusoidalny prąd wzbudzenia może generować jedynie strumień magnetyczny o spłaszczonym wierzchołku, który można rozłożyć na strumień podstawowy i strumień trzeciej harmonicznej.

Te strumienie trzeciej harmonicznej w głównym polu magnetycznym mają jednakową wielkość i fazę. Nie mogą się zamknąć przez rdzeń i mogą tworzyć pętle jedynie w obwodzie magnetycznym rozproszenia, na przykład w oleju, ściankach zbiornika i jarzmie, generując prądy wirowe, powodując lokalne nagrzewanie i zmniejszając wydajność transformatora.

Dlatego transformatory trójfazowe o dużej mocy i wysokim napięciu nie nadają się do połączeń Y/Y.

Natomiast gdy uzwojenia są połączone w konfigurację trójkąt/gwiazda lub gwiazda/trójkąt, zapewniona jest ścieżka pętli dla składowej trzeciej harmonicznej prądu wzbudzenia w połączeniu trójkąta po stronie pierwotnej lub wtórnej. Dlatego prąd wzbudzenia w uzwojeniu połączonym w trójkąt ma przebieg szpiczasty. Prąd szpiczasty utrzymuje główny strumień magnetyczny w postaci sinusoidalnej, bez składowej trzeciej harmonicznej.

Szczególnie gdy uzwojenia są połączone w konfigurację Y/Δ, chociaż trzecia harmoniczna w prądzie wzbudzenia strony pierwotnej nie może przepływać, w połączeniu trójkąta strony wtórnej generowany jest prąd krążący trzeciej harmonicznej. Ten prąd krążący, wraz z sinusoidalnym prądem wzbudzenia strony pierwotnej, zapewnia, że główny strumień magnetyczny jest sinusoidalny, unikając w ten sposób lokalnego nagrzewania spowodowanego prądami wirowymi trzeciej harmonicznej.

Podsumowując, uzwojenia pierwotne lub wtórne transformatora trójfazowego są połączone w konfigurację trójkąta, aby zapewnić, że główny strumień magnetyczny jest jak najbardziej zbliżony do fali sinusoidalnej, unikając prądów wirowych i problemów z nagrzewaniem spowodowanych przez trzecie harmoniczne, poprawiając tym samym wydajność i niezawodność pracy transformatora.