115 лет трехфазному трансформатору

115 лет трехфазному трансформатору
Игнатьев Е.Б., Попов Г.В.
В октябре 1891 года русский физик и электротехник Михаил
Осипович
Доливо-Добровольский
запатентовал
трехфазный
трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в
одной плоскости (рис. 1). Его конструкция оказалась настолько
удачной, что без принципиальных изменений сохранилась до наших
дней.
Двумя годами ранее Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис.
2). При этом вместо трех однофазных трансформаторов он предложил использовать один
трехфазный. В этом случае обмотки высшего и низшего напряжений каждой фазы
располагались на соответствующих радиальных сердечниках, а магнитный поток замыкался по
внешнему ярму.
Рис. 1. Схема трехфазного трансформатор М. О. Доливо-Добровольского
со стержнями расположенными в одной плоскости
Рис. 2. Первый трехфазный трансформатор М. О. Доливо-Добровольского
с радиальным расположением сердечников
Затем Доливо-Добровольский нашел, что проще стержни с обмотками разместить
параллельно, а торцы стержней (сердечников) соединить одинаковым ярмом. Тогда вся система
получалась более компактной. Этот тип трансформатора получил название «призматического»
(рис. 3).
В 1891 году на электрической выставке во Франкфурте-на-Майне демонстрировалась
Лауфен-Франкфуртская электропередача, сооруженная при активном участии ДоливоДобровольского, разработавшего для нее необходимое оборудование. Близ местечка Лауфен у
водопада на реке Неккар была сооружена гидростанция, турбина которой могла развивать
полезную мощность около 300 л.с. Вращение передавалось на вал трехфазного синхронного
генератора. Посредством трехфазного трансформатора мощностью 150 кВА (таких
трансформаторов ранее никто не изготавливал), электроэнергия при напряжении 15 кВ
передавалась по трехпроводной линии передач на огромное для того времени расстояние (170
км) во Франкфурт-на-Майне, где открывалась международная техническая выставка. КПД
передачи превышал 75%. Во Франкфурте на выставочной площадке был установлен
трехфазный трансформатор, понижавший напряжение до 65 В. Выставку освещало 1000
электрических ламп. В зале установили трехфазный асинхронный двигатель мощностью около
75 кВт, приводивший в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко
освещенного декоративного водопада.
Рис. 3. Призматические трехфазные трансформаторы М. О. Доливо-Добровольского
Таким образом, Доливо-Добровольским было изобретено и разработано все необходимое
для трехфазной передачи электроэнергии и для ее распределения между силовыми
установками. Он первым обнаружил, что самый экономичный способ передачи энергии на
расстояние - сверхвысокие напряжения в миллионы вольт и постоянный ток.
Доливо-Добровольский предложил также систему из трех однофазных переменных токов,
сдвинутых по фазе на 120° - трехфазный ток (рис. 4).
Он же построил первый генератор трехфазного тока с вращающимся магнитным полем.
IC
I А  IC
120°
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
120°
IB
ia
ib
ic
IА  IB  IC  0
I А
Рис. 4. Трехфазный ток
В настоящее время для трансформирования трехфазного тока и напряжения применяют
или три однофазных трансформатора (рис. 5, а), или один трехфазный трансформатор (рис. 5,
б).
б)
a)
Рис. 5. Трансформация трехфазных токов:
а - группой однофазных трансформаторов; б - трехфазным трансформатором
Трехфазный трансформатор имеет общий для трех фаз магнитопровод и может быть
образован из трех однофазных. Действительно, если три однофазных трансформатора
расположить, как показано на рис. 6-а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены
обмотки, можно было бы конструктивно объединить в один.
a)
б)
в)
Рис. 6. Образование пространственного (б) и плоского (в)
трехфазного магнитопровода из трех однофазных
Так как в трехфазной системе I А  IB  IC  0 (рис. 4), следовательно, и Ф А  Ф B  Ф C  0
и надобность в объединенном стержне вообще отпадает.
Полученный таким образом магнитопровод (рис. 6-б) является пространственным
трехфазным. Если у этого магнитопровода убрать ярма фазы В и расположить все три стержня
в одной плоскости, то получим магнитопровод (рис. 6-в), называемый плоским стержневым
трехфазным, что гениально предложил Доливо-Добровольский (рис. 1).
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 ЭДС.
Магнитные потоки ФА3, ФВ3, ФС3, созданные токами третьих гармоник фаз А, В и С, во
всех трех стержнях направлены навстречу. Из рис. 7 видно, что третьи гармоники всех токов
совпадают по фазе. У стержневого трехфазного трансформатора магнитопроводы всех фаз
связаны друг с другом, а ярмо для магнитных потоков третьих гармоник непроходимо. Эти
потоки вынуждены замыкаться через масло и бак трансформатора и поэтому значительно
ослаблены. А раз магнитные потоки третьей гармоники малы, то невелико искажение от
синусоидальной формы фазных ЭДС.
iA
2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
270
300
330
360
330
360
1
3
iB
1
2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
3
iC
1
2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
3
Рис. 7. Несинусоидальные токи
1 – первая гармоника; 2 – третья гармоника; 3 – несинусоидальный ток фазы
Трехфазные трансформаторы с плоским стержневым магнитопроводом получили
наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз не имеет скольконибудь существенного практического значения при их эксплуатации.
Конструктивно магнитопроводы трехфазных трансформаторов принято делить на:
1) плоские стержневые;
2) плоские броневые;
3) плоские бронестержневые;
4) пространственные
б)
a)
в)
Рис. 8. Плоские магнитопроводы трехфазных трансформаторов:
а – стержневой, б – броневой, в – бронестержневой,
1 - стержень; 2 - торцевое (верхнее и нижнее) ярмо; 3 – боковое ярмо
a)
б)
Рис.9. Пространственные магнитопроводы трехфазных трансформаторов:
а – стыковой; б – витой непрерывный
Стержневой тип магнитопровода (рис. 8-а) характеризуется тем, что ярма соединяют
концы разных стержней, и каждое ярмо располагается только со стороны торцов стержней и
обмоток трансформатора. При этом по ярму проходит поток, равный потоку стержня. Данный
тип магнитопровода получил преимущественное применение, как в силовых трансформаторах,
так и в трансформаторах малой мощности.
Броневой тип магнитопровода (рис. 8-б) характеризуется тем, что оба конца каждого
стержня соединяются не менее чем двумя боковыми ярмами, т. е. ярма охватывают не только
торцы обмоток, но и их боковые стороны, как бы «бронируя» обмотки. При этом по ярму
проходит поток, равный половине потока стержня, и, следовательно, сечение ярма меньше
сечения стержня в два раза. Следует отметить, что в трехфазных броневых трансформаторах
для получения потока в ярме, равного половине потока стержня, необходимо изменить
маркировку или направление намотки обмоток средней фазы по отношению к обмоткам других
фаз. В противном случае поток в ярме возрастет в 3 раз, что потребует соответствующего
увеличения его сечения. Данный тип магнитопровода широко применяется в однофазных
трансформаторах малой мощности.
В силовых трансформаторах мощностью 100 000 кВА и выше размеры по высоте
ограничиваются условиями транспортировки по железной дороге. Поэтому здесь применяют
стержневой магнитопровод с разветвленными ярмами (рис. 8-в), называемый
бронестержневым. Для него характерно, что только два стержня из трех имеют боковые ярма и
3 раз. За счет применения боковых ярм в
поток ярма меньше потока стержня в
бронестержневом магнитопроводе по сравнению со стержневым высота торцевых ярм в
3 раз, вследствие чего высота
трехфазной конструкции может быть уменьшена в
трансформатора в целом существенно уменьшается.
Пространственная конструкция (рис. 9), также предложенная М. О. Доливо-Добровольским, за счет более равномерного распределения магнитного потока позволяет снизить массу
магнитопровода и уменьшить потери холостого хода на 12-15%. В настоящее время
пространственные магнитопроводы различных типов достаточно широко применяются в
силовых трансформаторах мощностью до 6300 кВА.
Применение в трансформаторостроении рулонной холоднокатаной электротехнической
стали позволило внедрить навитые (ленточные) магнитопроводы, в которых отдельные части
навиваются из лент рулонной стали, а затем скрепляются в единую конструкцию.
На рис. 9-а приведена конструкция пространственного стыкового магнитопровода,
состоящего из двух намотанных из лент рулонной стали ярм треугольной формы и трех
стержней либо ступенчатой формы, набираемых из плоских пластин одинаковой длины, либо
круглой формы, набираемых из пластин, изогнутых в поперечном сечении по эвольвенте.
Магнитопровод на рис. 9-б неразъемный, вследствие чего обмотки «вматывают»
непосредственно на стержни на специальных станках.
Ленточные магнитопроводы нашли самое широкое применение в трансформаторах малой
и небольшой мощности, выпускаемых в массовом количестве.
. В трехфазных трансформаторах существуют три основных схемы соединения обмоток:
звезда (У), треугольник (Д) и зигзаг (Z) (рис. 10).
A
B
C
B
A
C
A
б)
a)
X
Y
Z
a
b
c
x
y
z
C
в)
Z
Y
X
o
B
X
a
b
c
o a
x
y
z
x
A
B
C
X
Y
Z
г)
Z
Y
b
y
c
z
o
a
b
c
x
y
z
Рис. 10. Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
а – У/Ун-0; б – У/Д-11; в – У/Zн-11; г – Д/Ун-11
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, в
треугольник, в звезду с изолированной нейтралью.
Соединение Ун/У наиболее благоприятно: МДС первичной и вторичной обмоток
сбалансированы. Но оно практически неприемлемо, так как требует либо питания первичной
обмотки по четырем проводам (вместо трех), либо заземления нейтрали. Однако в сетях 6, 10 и
35 кВ нейтраль не заземляют.
В сетях с напряжением 110 кВ и выше обычно применяют трансформаторы с соединением
Ун/Д. Это связано с тем, что при заземлении нулевой точки напряжение отводов ВН
трансформатора и проводов линии передачи относительно земли будет в 3 раз меньше
линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции и облегчает борьбу с
перенапряжениями.
В трансформаторах мощностью до 2500 кВА широко применяется соединение У/Ун,
основным достоинством которого является то, что по сравнению с соединением Д/Ун
изготовление обмотки ВН дешевле и технологичнее.
Однако с точки зрения влияния высших гармонических и работы трансформатора при
несимметричных нагрузках предпочтительней соединение Д/Ун, а там где не требуется вывод
нулевой точки со стороны НН, - соединение У/Д. У мощных трансформаторов хотя бы одну
обмотку соединяют в треугольник. Поскольку третьи гармоники всех фазных ЭДС имеют одно
направление, они дадут в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники. Созданный
им поток тоже третьей гармоники восполнит основной поток, обеспечивая, таким образом,
синусоидальность ЭДС трансформатора.
При соединении первичных обмоток в треугольник однофазная нагрузка незначительно
искажает напряжение. Но соединение первичной обмотки в треугольник дороже, нежели
соединение в звезду (при соединении в треугольник каждая фаза должна рассчитываться на
линейное напряжение, т.е. иметь в 3 раза больше витков).
Наиболее распространено соединение первичных обмоток в звезду с изолированной
нейтралью. Невзирая на то, что при большой однофазной нагрузке нейтраль сильней смещается
и нарушается симметрия напряжений, такие трансформаторы наиболее дешевы. Если же
однофазная нагрузка настолько велика, что смещение нейтрали недопустимо велико, то, идя на
некоторое увеличение расхода меди, вторичные обмотки соединяют в зигзаг.
Соединение в зигзаг применяют в трансформаторах до 250 кВА, чтобы неравномерную
нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети и
даже при неравномерной нагрузке сохранить магнитное равновесие.
Современные трехфазные повышающие трансформаторы достигают колоссальных
мощностей и напряжений ( до 1250 МВА и 525 кВ). Все они имеют конструкцию
магнитопровода, предложенную М. О. Доливо-Добровольским (рис. 11).
Рис. 11. Магнитопровод современного силового трансформатора в сборе
Но и сегодня изобретатели не перестают искать новые конструкции трехфазного
трансформатора. В 1984 году инженер Суханов В.Н. предложил оригинальную компоновку.
Идея состоит в том, чтобы использовать железо магнитопровода в качестве токопроводящих
обмоток (традиционно медных или алюминиевых). Магнитопровод, выполняя свои функции,
должен взять на себя еще и функции обмоток. Для этого он выполняется витым из железного
провода или ленты (рис. 12).
Рис. 12. Трансформатор Суханова
Изобретения Доливо-Добровольского ознаменовали начало нового периода в
электротехнике. Только после создания экономически выгодной и технически несложной
системы трехфазного тока, решившей проблему передачи электроэнергии на большие
расстояния, началось широкое внедрение электричества в промышленность.
Михаил Осипович Доливо-Добровольскй родился в Петербурге 2 января 1862 года. Ранние
годы его прошли в Гатчине и Одессе. Учился в Рижском политехническом институте. За
участие в студенческих политических выступлениях был исключен из института без права
поступления в высшие учебные заведения России. Поэтому он поехал учиться в Германию, где
в 1884 г. блестяще окончил Дармштадтское высшее техническое училище и поступил на
работу конструктором на заводы электротехнической компании Т. Эдисона (впоследствии
фирма AEG, Германия). Работал главным энергетиком этой фирмы, а с 1909 г. – ее
директором. С 1903 года являлся почетным инженером-электриком Петербургского
электротехнического института. В 1914-1918 г. жил в Швейцарии. Вынужденный
эмигрировать из России, Доливо-Добровольский почти всю жизнь провел в Германии, но не
отказался от русского подданства.
Умер великий русский изобретатель 15 ноября 1919 года в Гейдельберге (Германия).
Список литературы
1. Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды (О трехфазном токе). - М.-Л.: Гостех
издат, 1948.
2. Веселовский О. Н. Доливо-Добровольский. - М.: Наука, 1963.
3. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. – М.: МЭИ,
1993.
4. Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А.Электрические машины:
Трансформаторы / Под ред. Копылова И.П. . – М.: Высш.шк., 1989. - 352с.