Transformatoare trifazate

Transformatoare trifazate

1. Generalitati privind obtinerea transformatorului trifazat plan

Energia electrica in sistemele trifazate se poate transforma cu grupul trans-formatoric constituit din trei transformatoare monofazate identice (fig.2.31) ale caror infasurari primare si secundare se conecteaza in stea sau dupa alt procedeu, ex. in triunghi.

Fig.2.31 Grupul transformatoric trifazat obtinut din trei transformatoare monofazate, la care infasurarile lor primare si secundare sunt conectate in stea

Dezavantajul grupurilor transformatorice trifazice este volumul lor mare, greutatea lor mare si pretul lor ridicat, dar prezinta avantajul ca unitatea de rezerva are 1/3 din puterea transformatoarelor in functiune.

La alimentarea infasurarilor primare ale transformatoarelor cu sistem trifa-zat simetric de tensiuni variabile sinusoidal in timp, fluxurile magnetice existente in cele trei circuite magnetice, formeaza de asemenea sistem trifazat simetric. In acest scop, daca se unesc cele trei circuite magnetice, cum se arata in fig.2.32 a, prin coloana comuna (centrala) a circuitelor magnetice, nu exista flux magnetic, deoarece in fiecare moment, datorita proprietatii sistemelor trifazate simetrice, . In acest caz, coloana centrala a circuitului magnetic se poate inlatura si circuitul magnetic capata forma indicata in fig.2.32 b.

Fig.2.32 a, b Vedere spatiala a circuitului magnetic a grupului transformatoric:

a) cu coloana comuna; b) fara coloana comuna.

Astfel se obtine constructia circuitului magnetic simetric a transformatoru-lui trifazat, nepotrivita pentru fabricatie din punct de vedere tehnologic.

Cel mai adesea, circuitele magnetice ale transformatoarelor trifazate se realizeaza astfel incat coloanele lor sa fie in acelasi plan (fig.2.33) rezultand astfel o constructie simpla sub aspect tehnologic si mai economica. Dar, circuitul magnetic astfel obtinut este nesimetric (reluctanta magnetica pentru fluxul este mai mica decat reluctantele magnetice corespunzatoare fluxurilor si iar la functionarea in gol, curentii din infasurarile laterale sunt mai mari decat cei din infasurarea plasata pe coloana din mijloc, careia ii lipsesc jugurile, solenatia magnetizarii ei fiind mai mica).

Fig.2.33 Miezul magnetic al transformatorului trifazat

cu cele trei coloane in acelasi plan.

Pentru reducerea nesimetriei magnetice, adica pentru reducerea reluctante-lor magnetice corespunzatoare fluxurilor si , cele doua juguri cu care se unesc cele trei coloane in miezul magnetic comun, se realizeaza cu reluctanta magnetica mica. Aceasta se obtine daca sectiunea jugurilor se majoreaza cu 10÷15% fata de a coloanei. Astfel, la alimentarea cu sistem simetric de tensiuni si la sarcina simetrica toate fazele transformatorului trifazat cu trei coloane se afla in conditii identice.

2. Conexiunile, schemele si grupele de conexiuni

ale transformatoarelor trifazate

Infasurarile de faza ce echipeaza transformatoarele electrice trifazate, pot fi conectate intre ele in diferite moduri. Precizarea modului de conectare a infasu-rarilor transformatorului si a pozitiei dintre fazorii tensiunilor de linie primare si secundare omologi reprezinta elementele ce fixeaza: conexiunea respectiv grupa de conexiuni a unui transformator.

Bornele transformatorului la care se leaga capetele infasurarii primare respectiv capetele infasurarii secundare sunt plasate pe capacul cuvei iar notarea acestora este standardizata si se face astfel:

pentru inceputurile infasurarilor de inalta tensiune se prescriu literele A, B, C iar X, Y, Z se refera la sfarsiturile lor;

pentru inceputurile infasurarilor de joasa tensiune se folosesc literele  a, b, c iar pentru sfarsiturile lor x, y, z;

pentru infasurarea de medie tensiune a transformatoarelor cu trei infasurari se indica literele A_m, B_m, C_m (pentru inceputuri) si X_m, Y_m, Z_m (pentru sfarsituri);

daca punctul de nul al infasurarilor este scos pe capac, se folosesc nota-tiile N respectiv n sau N_m.

Bornele de inalta tensiune se dispun pe capac in ordinea NABC avand conservatorul de ulei in partea stanga. Succesiunea bornelor infasurarilor de joasa si medie tensiune pe capacul cuvei este astfel facuta incat bornele omoloage sa se afle pe cat posibil fata in fata cu bornele infasurarilor de inalta tensiune.

a) b) c)

Fig.2.34 Dispozitia bornelor pe capacul cuvei transformatorului:

a-pentru transformatoare monofazate; b-pentru transformatoare trifazate cu doua infasurari; c-pentru transformatoare trifazate cu trei infasurari.

In fig.2.34 este reprezentata dispozitia bornelor pe capacul cuvei transforma-torului in cazul transformatoarelor monofazate (fig.2.34 a), trifazate cu doua infasurari (fig.2.34 b) si cu trei infasurari (fig.2.34 c).

3. Conexiunile infasurarilor transformatorului trifazat

Conexiunile posibile intre infasurarile primarului si intre ale secundarului transformatorului trifazat sunt in stea, in triunghi si in zig-zag sau dubla stea. Schemele acestor conexiuni impreuna cu diagramele fazoriale ale tensiunilor de faza sunt aratate in fig.2.35.

Conexiunea stea este simbolizata cu Y pentru infasurarea de inalta tensiune si cu y pentru infasurarea de joasa tensiune. Se realizeaza prin conectarea impreuna a inceputurilor sau sfarsiturilor infasurarilor de faza, capetele libere fiind legate la bornele de inalta respectiv joasa tensiune ale transformatorului.

Pentru aceasta conexiune se poate scoate la placa de borne si punctul de nul, notat cu N sau cu n. Conexiunea stea a infasurarilor permite obtinerea a doua sisteme tensiuni de valori diferite in raportul :

un sistem monofazat de tensiuni (tensiunile de faza) masurate intre nul si cate o borna de IT sau JT ale transformatorului;

un sistem trifazat de tensiuni (tensiunile de linie) masurate intre cate doua borne de IT sau JT ale transformatorului.

Fig.2.35 Schemele de conexiuni ale infasurarilor trifazate si diagramele lor fazoriale:

a) in stea; b) in triunghi; c) in zig zag ; d) diagrama fazoriala a conexiunii in zig-zag.

Din acest motiv conexiunea y se utilizeaza pe scara larga la transformatoa-rele de distributie; se utilizeaza si conexiunea Y dar la transformatoarele de putere.

In cazul conexiunii stea, in regim armonic, intre valorile efective ale marimilor de linie l si de faza f exista urmatoarele relatii:

U_ℓY=U_fY;   I_ℓY=I_fY (2.48)

In consecinta, la conexiunea stea, tensiunea de faza este mai mica decat tensiunea de linie de ori; numarul de spire pe faza (proportional cu tensiunea de faza) este mai mic tot de ori fata de cazul in care infasurarea de faza ar fi alimentata cu tensiunea de linie.

Conexiunea triunghi este simbolizata prin D sau d si se realizeaza conec-tand sfarsitul unei infasurari de faza cu inceputul infasurarii fazei urmatoare sau invers - inceputul unei infasurari de faza cu sfarsitul infasurarii fazei urmatoare (fig.2.35 b). La conexiunea in triunghi relatiile intre valorile efective ale marimilor de linie si de faza in regim armonic sunt:

U_ℓD=U_fD ; I_ℓD=I_fD

Asadar, curentul de faza este de ori mai mic decat curentul de linie; cone-xiunea trunghi este potrivita cand curentii de linie au valori mari, deoarece cu-rentii de faza fiind mai mici, sectiunea conductorului este mai mica, infasurarea executandu-se mai usor.

Conexiunea zig-zag este simbolizata cu z si se utilizeaza numai la infasurarile de joasa tensiune ale transformatoarelor de distributie cu fir neutru (in special in cazul retelelor de iluminat) prezentand avantajul unei repartizari mai uniforme a sarcinii pe cele trei faze. Aceasta conexiune constituie o varianta a conexiunii stea, in care fiecare infasurare de faza se imparte in cate doua semibobine egale si se conecteaza in serie in sens invers cate doua semibobine de pe coloane diferite; ansamblul celor trei infasurari de faza astfel obtinute se conecteaza in stea (fig.2.35 c). Din fig.2.35 c se constata ca notand prin:

U_fy=U_a=U_b=U_c - tensiunea de faza a infasurarii conectate in stea;

U₀=U_rfz - tensiunea rezultanta pe faza la conexiunea zig-zag (rezulta din fig.2.35 d);

se obtine:

U_rfz=2U_fb·cos30=2U_fb=U_fb  (2.50)

unde:

U_fb - tensiunea corespunzatoare unei semibobine.

In consecinta, pentru a avea U_rfz=U_fy, numarul de spire pe fiecare faza a conexiunii zig-zag, trebuie majorat de =1,155 ori, fata de legarea in stea simpla, adica consumul de cupru creste cu 15,5%. In cazul conexiunii z, relatiile intre valorile efective ale marimilor de linie si de faza sunt aceleasi ca si la conexiunea y, adica:

U_ℓz=U_fz ; I_ℓz=I_fz ; (2.51)

4. Grupele de conexiuni si verificarea lor experimentala

Transformatoarele electrice pot avea diferite conexiuni ale infasurarilor primare (de IT) in raport cu infasurarile de joasa tensiune (JT). Unghiul de defazaj intre tensiunile de linie masurate intre bornele omoloage pe partea de inalta tensiune, respectiv pe partea de joasa tensiune depinde de:

sensul de bobinare al celor doua infasurari;

pozitia (marcarea) inceputurilor si sfarsiturilor infasurarilor;

modul de conexiune al infasurarilor primara si secundara.

Pentru evidentierea influentei sensului de bobinare si pozitiei inceputurilor si sfarsiturilor infasurarilor se considera, spre exemplu transformatorul monofazat (sau o coloana a transformatorului trifazat) cu infasurarile sale bobinate in acelasi sens (fie acesta sensul stang sau antiorar) fig.2.36.

Fig.2.36 Unghiul de defazaj al t.e.m: a-in cazul infasurarilor bobinate in acelasi sens si aceeasi pozitie a bornelor; b-in cazul infasurarilor bobinate in sens opus si aceeasi pozitie a bornelor;

c-in cazul infasurarilor bobinate in acelasi sens, dar cu bornele fazelor unei infasurari inversate.

Tinand seama de marcarea bobinelor infasurarii primare si secundare din fig.2.36 a, ambele infasurari fiind plasate pe aceeasi coloana, sunt strabatute de acelasi flux util si t.e.m. E₁ si E₂ induse in ele, care sunt in faza de timp, au in orice moment acelasi sens fata de capetele omoloage ale celor doua infasurari. Considerand transformatorul ideal si fara pierderi urmeaza ca tensiunile U₁ si U'₂ la bornele celor doua infasurari, sunt egale si in faza si pot fi reprezentate prin fazorii si egali si in faza.

Daca cele doua infasurari sunt bobinate in sensuri opuse (ex: cea primara spre stanga iar cea secundara spre dreapta - sensul drept sau orar - fig.2.36 b si se pastreaza aceeasi marcare a bornelor de inceput si sfarsit ale infasurarilor ca si in cazul precedent, t.e.m. induse in cele doua infasurari au sensuri opuse in raport cu capetele omoloage ale infasurarilor; in aceasta situatie, tensiunile U₁ si U'₂ sunt in opozitie de faza si pot fi reprezentate prin fazorii si , egali si in opozitie de faza.

La acelasi rezultat de opozitie ca in fig.2.36 b se ajunge daca se mentine sensul de bobinare din fig.2.36 a (acelasi pentru cele doua infasurari) dar se inverseaza notarea bornelor infasurarii secundare, adica se considera ca inceput sfarsitul iar ca sfarsit inceputul acestei infasurari (fig.2.36 c). Pentru cazurile din urma (fig.2.36 b, c) se spune ca infasurarea secundara este rasturnata fata de cea primara.

In consecinta pentru tensiunea primara data, fazorul al tensiunii secundare poate fi:

in faza cu fazorul al tensiunii primare, unghiul de defazaj dintre cei doi fazori fiind φ=0sau 360;

in opozitie de faza sau rasturnat fata de pozitia precedenta, cand φ=180.

Grupa de conexiuni este indicata prin numarul n obtinut prin impartirea unghiului de defazaj dintre fazorii tensiunilor omoloage de linie, la 30 (=nr. intreg).

Asadar, pentru transformatorul monofazat se obtin doua grupe de conexiuni:

una, simbolizata Ii - 0 (sau) 12, cand fazorii si , ai tensiunilor U₁ si , sunt in faza (φ=0) sau defazati cu 12x30=360 (fig.2.36 a - acelasi sens de bobinare al infasurarilor);

a doua, simbolizata Ii - 6 cand fazorii si , ai tensiunilor U₁ si , sunt in opozitie de faza sau defazati cu 6x30=180 (fig.2.36 b, c - sensuri diferite de bobinare ale infasurarilor).

In cazul transformatoarelor trifazate, schemele de conexiuni ale infasurarilor, utilizate in practica sunt Yy, Yd, Yz, Dy, Dd, Dz, nefolosite fiind schemele Zy, Zd, Zz. Prin urmare, la aceste transformatoare, posibilitatile de realizare a unor grupe de conexiuni cresc. Se considera spre exemplu schema de conexiuni Yy, cu infasurarile primare si secundare bobinate in acelasi sens, iar conexiunea stea se realizeaza fie la inceputul, fie la sfarsitul lor.

Grupele de conexiuni ce se pot obtine pentru schema de conexiuni Yy prin schimbarea bornelor infasurarii secundare sau prin schimbarea sensului de bobina-re sunt reprezentate in fig.2.37.

Fig.2.37 Grupele de conexiuni ale transformatorului trifazat cu schema de conexiuni Yy.

Se constata din fig.2.37 ca in cazul grupelor de conexiuni realizate dupa schema Yy, defazajul tensiunilor de linie pe partea de joasa tensiune in raport cu tensiunile de linie pe partea de inalta tensiune, este un multiplu par de 30; grupele de conexiuni astfel obtinute fiind: Yy-0 (12), 4, 8, 6, 10, 2. O situatie asemanatoare rezulta si in cazul grupelor de conexiuni formate cu ambele infasurari conectate dupa schema Dd.

In cazul grupelor de conexiuni obtinute dupa schema Dy sau Yd in ipotezele enuntate mai sus, rezulta grupele de conexiuni din fig.2.38, precum si faptul ca defazajul tensiunilor de linie este un multiplu impar de 30. Se obtin astfel grupele: Dy - 11, 3, 7, 1, 5, 9.

Fig.2.38 Grupe de conexiuni ale transformatorului trifazat cu schema de conexiuni Dy.

Dintre toate grupele de conexiuni posibile, cele mai importante sunt grupele: 0 (sau 12), 5, 6 si 11, reprezentate in tabelul 2.1. impreuna cu diagramele lor fazoriale si conexiunile infasurarilor corespunzatoare acestor grupe.

Tabelul 2.1

5. Verificarea experimentala a grupelor de conexiuni

La transformatoarele trifazate verificarea experimentala a grupelor de conexiuni, necesita o incercare de functionare in gol a transformatorului la tensiune redusa, infasurarile primara si secundara avand doua borne omoloage legate impreuna. Marimea tensiunii de alimentare a transformatorului, se alege astfel incat tensiunea indusa in infasurarea de inalta tensiune sa nu depaseasca tensiunea nominala la bornele infasurarii de joasa tensiune.

Considerand bornele A si a legate impreuna, se masoara tensiunile U_AB, U_ab, U_Bb, U_Cc, observandu-se ca U_Bb=U_Cc. Se calculeaza raportul de transformare k= in functie de care se calculeaza raportul . In tabelul 2.2 se dau expresiile acestui raport in functie de grupa de conexiuni.

Tabelul 2.2.