Budowa transformatora trójfazowego

Budowę transformatora trójfazowego trzeba rozumieć na dwóch poziomach. Pierwszy to część fizyczna: rdzeń, kolumny, jarzma, uzwojenia, izolacja, zaciski, chłodzenie i osprzęt. Drugi to sposób połączenia uzwojeń, czyli gwiazda, trójkąt, zygzak oraz grupa połączeń, która określa przesunięcie fazowe między stroną górnego i dolnego napięcia.

Bez tego rozróżnienia łatwo spłaszczyć temat do zdania, że transformator trójfazowy ma rdzeń i uzwojenia. To prawda, ale za mało. W transformatorze trójfazowym znaczenie ma także droga strumienia w rdzeniu, rozmieszczenie uzwojeń GN i DN, układ izolacji, relacja napięcia fazowego do międzyprzewodowego oraz oznaczenie typu Dyn11, Yyn0 czy Yd5.

Jeżeli najpierw potrzebne jest prostsze wprowadzenie do działania urządzenia, osobno omówiona jest zasada działania transformatora trójfazowego. Ten tekst skupia się na konstrukcji: od rdzenia i uzwojeń po grupę połączeń, osprzęt i dane z tabliczki znamionowej.

Z czego składa się transformator trójfazowy?

Transformator trójfazowy ma część aktywną oraz elementy pomocnicze. Część aktywna odpowiada za przenoszenie energii przez pole magnetyczne. Elementy pomocnicze pozwalają tę część aktywną zaizolować, schłodzić, wyprowadzić na zaciski i bezpiecznie włączyć do sieci.

W małym transformatorze część tych elementów ma prostą postać. W transformatorze energetycznym dochodzi kadź, olej izolacyjny, radiatory, konserwator, przepusty, napęd przełącznika zaczepów, czujniki temperatury i układy zabezpieczeń. Dlatego opis budowy zawsze trzeba czytać w kontekście mocy, napięcia i przeznaczenia urządzenia.

Rdzeń transformatora trójfazowego

Rdzeń jest zamkniętym obwodem magnetycznym. Nie służy do magazynowania energii, tylko do prowadzenia zmiennego strumienia magnetycznego. Im lepiej rdzeń prowadzi strumień, tym skuteczniej uzwojenie pierwotne sprzęga się z uzwojeniem wtórnym.

Typowy transformator trójfazowy ma rdzeń trójkolumnowy. Na każdej kolumnie znajduje się komplet uzwojeń jednej fazy. Kolumny są połączone jarzmami, czyli górną i dolną częścią rdzenia. Całość wykonuje się z pakietu cienkich blach elektrotechnicznych, zwykle izolowanych między sobą, aby ograniczyć prądy wirowe i straty cieplne.

W układzie trójfazowym strumienie magnetyczne trzech faz są przesunięte względem siebie o 120°. W stanie symetrycznym ich suma chwilowa jest bliska zeru:

\Phi_A + \Phi_B + \Phi_C \approx 0

To wyjaśnia, dlaczego transformator trójfazowy może mieć wspólny rdzeń. Nie trzeba budować trzech całkowicie oddzielnych obwodów magnetycznych. Wspólna konstrukcja pozwala lepiej wykorzystać stal i miedź, zmniejszyć masę oraz ograniczyć gabaryty urządzenia.

Rdzeń trójkolumnowy nie jest jednak idealnie symetryczny magnetycznie. Kolumna środkowa ma inną drogę zamknięcia strumienia niż kolumny skrajne. W stanie jałowym może to powodować nierówność prądów magnesujących. Przy normalnej pracy pod obciążeniem zwykle nie jest to zjawisko dominujące, ale pokazuje ważną rzecz: transformator trójfazowy nie jest mechanicznym zestawem trzech identycznych transformatorów jednofazowych.

Transformator kolumnowy i płaszczowy

Pod względem budowy rdzenia najczęściej wyróżnia się konstrukcję kolumnową i płaszczową. W transformatorze kolumnowym uzwojenia są umieszczone na kolumnach rdzenia. To typowe rozwiązanie dla wielu transformatorów trójfazowych, bo dobrze łączy prostą konstrukcję, chłodzenie i rozsądne wykorzystanie materiału.

W konstrukcji płaszczowej rdzeń w większym stopniu obejmuje uzwojenia. W układach trójfazowych może pojawiać się rdzeń pięciokolumnowy, w którym skrajne kolumny tworzą dodatkowe drogi powrotne dla strumienia. Takie rozwiązanie stosuje się zwłaszcza wtedy, gdy znaczenie mają duża moc, ograniczenia transportowe albo potrzeba zmniejszenia wysokości transformatora.

Geometria obwodu magnetycznego bezpośrednio wpływa na poziom strat, skuteczność chłodzenia oraz zachowanie transformatora w stanach niesymetrycznych. Inaczej pracuje zwarty, prosty rdzeń trójkolumnowy, a inaczej rozbudowany układ z dodatkowymi drogami powrotnymi strumienia.

Uzwojenia GN i DN

Każda faza transformatora trójfazowego ma uzwojenie po stronie górnego napięcia i uzwojenie po stronie dolnego napięcia. W dokumentacji spotkasz oznaczenia GN i DN częściej niż proste „wejście” i „wyjście”. To rozsądniejsze, bo transformator jako urządzenie elektromagnetyczne może pracować w różnych układach sieciowych. Strona górnego napięcia nie zawsze musi być rozumiana potocznie jako wejście.

Uzwojenia wykonuje się z miedzi albo aluminium. Miedź ma lepszą przewodność i pozwala zmniejszyć straty przy danym przekroju, ale jest droższa. Aluminium jest lżejsze i tańsze, lecz przy podobnych parametrach wymaga większego przekroju przewodu. W transformatorze energetycznym wybór materiału uzwojeń jest kompromisem między stratami, temperaturą pracy, masą, wymiarami i kosztem.

W wielu konstrukcjach uzwojenie niższego napięcia znajduje się bliżej rdzenia, a uzwojenie wyższego napięcia jest nawinięte bardziej na zewnątrz. Powód jest praktyczny. Uzwojenie niskiego napięcia łatwiej odizolować od rdzenia. Uzwojenie wysokiego napięcia wymaga większych odstępów izolacyjnych i staranniejszego oddzielenia od innych części czynnych.

Rozmieszczenie uzwojeń ma też znaczenie mechaniczne. Podczas zwarcia przez uzwojenia mogą płynąć bardzo duże prądy, a wraz z nimi pojawiają się siły elektrodynamiczne. Uzwojenia muszą być więc nie tylko poprawnie nawinięte, ale też odpowiednio usztywnione, podparte i zabezpieczone przed przemieszczeniem.

Przekładnia zwojowa nie wyjaśnia wszystkiego

W transformatorze jednofazowym podstawową zależność napięciową zapisuje się zwykle tak:

\frac{U_1}{U_2} \approx \frac{N_1}{N_2}

Stosunek napięć jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczby zwojów. W transformatorze trójfazowym ta zależność nadal jest potrzebna, ale sama nie wystarcza. Trzeba jeszcze wiedzieć, jak połączono uzwojenia po stronie górnego i dolnego napięcia.

Dla połączenia w gwiazdę napięcie międzyprzewodowe jest większe od napięcia fazowego:

U_L = \sqrt{3} \cdot U_F

Dla połączenia w trójkąt napięcie międzyprzewodowe jest równe napięciu fazowemu:

U_L = U_F

Dlatego w transformatorze trójfazowym nie wolno patrzeć wyłącznie na liczbę zwojów. Układ Yy, Dy, Yd albo Dz zmienia relację między napięciem fazowym i liniowym. To właśnie z tego powodu grupa połączeń jest jedną z najważniejszych danych na tabliczce znamionowej.

Połączenia uzwojeń: gwiazda, trójkąt i zygzak

Uzwojenia transformatora trójfazowego można połączyć w gwiazdę, trójkąt albo zygzak. W dokumentacji zapisuje się je literami Y, D oraz Z. Wielka litera oznacza stronę górnego napięcia, a mała litera stronę dolnego napięcia.

Połączenie w gwiazdę

W połączeniu gwiazdowym końce trzech uzwojeń są połączone we wspólny punkt. Ten punkt może być wyprowadzony jako neutralny. Jeżeli punkt neutralny jest dostępny po stronie górnego napięcia, w oznaczeniu pojawia się litera N. Jeżeli jest dostępny po stronie dolnego napięcia, pojawia się litera n.

Połączenie w gwiazdę jest szczególnie ważne tam, gdzie potrzebny jest przewód neutralny. Rozwiązanie to umożliwia bezpośrednie wyprowadzenie punktu zerowego, co jest podstawą budowy układów czteroprzewodowych.

Połączenie w trójkąt

W połączeniu trójkątnym uzwojenia tworzą zamknięty obwód. Każde uzwojenie jest połączone między dwiema fazami, więc pracuje przy napięciu międzyprzewodowym. Taki układ nie daje naturalnego punktu neutralnego.

Zamknięty obwód trójkąta daje drogę dla części składowych prądu, które nie powinny przechodzić dalej do sieci zasilającej. Dlatego układ D często pojawia się po jednej stronie transformatorów rozdzielczych i energetycznych. Nie oznacza to, że trójkąt jest „lepszy” od gwiazdy. O wyborze decyduje funkcja transformatora w sieci.

Połączenie w zygzak

Połączenie zygzakowe jest bardziej złożone. Uzwojenie jednej fazy jest dzielone na części, a te części są rozmieszczone na różnych kolumnach rdzenia. Dzięki temu napięcia składowe sumują się wektorowo w sposób korzystny przy obciążeniach niesymetrycznych.

Zygzak stosuje się między innymi wtedy, gdy trzeba stabilizować punkt neutralny albo ograniczać skutki niesymetrii. Tego układu nie da się dobrze zrozumieć przez prosty obraz jednej cewki na jednej kolumnie. Właśnie tu widać, że budowa elektryczna uzwojeń jest równie ważna jak sama budowa mechaniczna rdzenia.

Co oznacza grupa połączeń transformatora?

Grupa połączeń mówi, jak połączono uzwojenia po stronie górnego i dolnego napięcia oraz jakie jest przesunięcie fazowe między napięciami po obu stronach transformatora. To nie jest ozdobny skrót z dokumentacji. Od grupy połączeń zależy możliwość współpracy transformatora z daną siecią, zachowanie punktu neutralnego oraz warunki pracy równoległej.

Przykład: Dyn11. Litera D oznacza, że strona górnego napięcia jest połączona w trójkąt. Litera y oznacza, że strona dolnego napięcia jest połączona w gwiazdę. Litera n oznacza wyprowadzony punkt neutralny po stronie dolnego napięcia. Liczba 11 oznacza przesunięcie godzinowe.

Notacja godzinowa działa jak tarcza zegara. Pełny obrót ma 360°, a jedna godzina odpowiada 30°:

\frac{360^\circ}{12} = 30^\circ

W zapisie Dyn11 liczba 11 oznacza przesunięcie o 11 × 30°, czyli 330°. Taki zapis jest równoważny przesunięciu o 30° w przeciwnym kierunku względem przyjętego wektora odniesienia. Przy eksploatacji najważniejsze jest to, aby transformatory pracujące razem miały zgodne przesunięcie fazowe.

Układ Dyn11 jest często spotykany w transformatorach rozdzielczych, bo dobrze pasuje do zasilania sieci niskiego napięcia 400/230 V. Strona niskiego napięcia połączona w gwiazdę z wyprowadzonym neutralnym pozwala zasilać zarówno odbiorniki trójfazowe, jak i jednofazowe. Skojarzenie uzwojenia pierwotnego w trójkąt zapobiega natomiast przedostawaniu się odkształconych składowych prądu magnesującego, zwłaszcza trzeciej harmonicznej, do sieci zasilającej.

Transformator trójfazowy a trzy transformatory jednofazowe

Układ trójfazowy można zbudować z trzech osobnych transformatorów jednofazowych. Taki zestaw nazywa się bankiem transformatorowym. Elektrycznie można uzyskać podobne połączenia jak w jednej jednostce trójfazowej, ale konstrukcyjnie są to dwa różne rozwiązania.

Jeden transformator trójfazowy ze wspólnym rdzeniem jest zwykle mniejszy, lżejszy i tańszy przy tej samej mocy pozornej. Wynika to z lepszego wykorzystania stali magnetycznej i przewodów uzwojeń. Wspólny rdzeń nie powiela trzech osobnych obwodów magnetycznych, tylko wykorzystuje właściwości układu trójfazowego.

Trzy osobne transformatory jednofazowe mogą być jednak wygodne w dużej energetyce, gdzie liczy się transport, rezerwa eksploatacyjna i możliwość wymiany jednej fazy bez wymiany całego zespołu. Wybór między jedną jednostką trójfazową a trzema jednofazowymi nie jest więc tylko kwestią schematu. Dochodzą masa, gabaryty, logistyka, koszt rezerwy i wymagania niezawodnościowe.

Jeżeli chcesz porównać to z prostszym przypadkiem jednej fazy, punktem odniesienia może być zasada działania transformatora jednofazowego. W transformatorze trójfazowym dochodzi jednak wspólny obwód magnetyczny oraz zależności między trzema przesuniętymi fazami.

Układ izolacji i chłodzenia w transformatorach olejowych

W transformatorze olejowym część aktywna, czyli rdzeń z uzwojeniami i połączeniami, jest umieszczona w kadzi wypełnionej olejem izolacyjnym. Olej tworzy środowisko pracy dla uzwojeń, izolacji papierowej i rdzenia. Jego stan ma wpływ na wytrzymałość elektryczną, odprowadzanie ciepła oraz trwałość całego urządzenia.

Kadź musi być szczelna, odporna mechanicznie i zabezpieczona przed korozją. Nie jest zwykłą obudową. Mieści część aktywną, olej, połączenia wewnętrzne i wyprowadzenia. W większych transformatorach jej masa i wytrzymałość mają znaczenie nie tylko eksploatacyjne, ale też transportowe.

Ciepło powstaje głównie w rdzeniu i uzwojeniach. W rdzeniu są to straty magnetyczne, a w uzwojeniach straty zależne od prądu obciążenia. Olej odbiera ciepło z części aktywnej i przekazuje je do kadzi, radiatorów albo chłodnic. Przy mniejszych mocach wystarcza obieg naturalny. Przy większych mocach stosuje się wentylatory, pompy oleju albo układy chłodzenia olej-woda.

W oznaczeniach sposobu chłodzenia spotyka się skróty takie jak ONAN, ONAF, OFAF czy ODAF. Skrót informuje, jakie medium odbiera ciepło i czy jego ruch jest naturalny, czy wymuszony. ONAN oznacza najprostszy układ: naturalny obieg oleju i naturalne chłodzenie powietrzem. ONAF dodaje wymuszony przepływ powietrza przez wentylatory.

Do typowego osprzętu transformatora olejowego należą radiatory, konserwator, przepusty, wskaźnik poziomu oleju, zawory, czujniki temperatury, zabezpieczenia gazowo-przepływowe oraz szafa sterownicza. Radiatory zwiększają powierzchnię oddawania ciepła. Konserwator kompensuje zmiany objętości oleju wraz z temperaturą. Przepusty pozwalają wyprowadzić napięcie z wnętrza kadzi na zewnątrz bez utraty izolacji.

W transformatorach suchych konstrukcja wygląda inaczej. Nie ma kadzi z olejem, a izolację i chłodzenie zapewniają materiały stałe, żywica, powietrze i ewentualnie wentylatory. Takie transformatory często stosuje się wewnątrz budynków, w przemyśle i tam, gdzie ograniczenie ilości cieczy izolacyjnej jest istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa albo eksploatacji.

Przełącznik zaczepów i regulacja napięcia

Przełącznik zaczepów służy do zmiany liczby efektywnie wykorzystywanych zwojów uzwojenia. W ten sposób można skorygować przekładnię transformatora i dopasować napięcie po stronie wtórnej do warunków pracy sieci.

W prostszych transformatorach stosuje się przełączniki zaczepów działające beznapięciowo. Zmiana zaczepu wymaga wtedy wyłączenia transformatora. W większych jednostkach energetycznych stosuje się przełączniki zaczepów pod obciążeniem, czyli OLTC. Pozwalają regulować napięcie stopniowo bez odłączania transformatora od pracy.

Regulacja zaczepami nie służy do dowolnego zwiększania mocy transformatora. Zakres regulacji jest ograniczony i określony przez producenta. Zaczepy kompensują zmiany napięcia w sieci, spadki napięcia oraz warunki pracy, ale nie znoszą ograniczeń wynikających z mocy znamionowej, chłodzenia i dopuszczalnej temperatury uzwojeń.

Tabliczka znamionowa transformatora trójfazowego

Tabliczka znamionowa jest skróconym opisem technicznym transformatora. Można z niej odczytać moc znamionową, napięcia, prądy, częstotliwość, grupę połączeń, napięcie zwarcia, sposób chłodzenia, masę, ilość oleju oraz klasę izolacji.

Moc transformatora podaje się jako moc pozorną, czyli w VA, kVA albo MVA. Dla układu trójfazowego zależność między mocą pozorną, napięciem międzyprzewodowym i prądem liniowym zapisuje się tak:

S = \sqrt{3} \cdot U_L \cdot I_L

Ten wzór pokazuje, dlaczego przy transformatorach trójfazowych tak ważne są napięcie międzyprzewodowe i prąd liniowy. Jeżeli znasz moc i napięcie, możesz oszacować prąd znamionowy. Jeżeli znasz prąd i napięcie, możesz ocenić obciążenie. W praktyce takie obliczenia trzeba łączyć z danymi producenta, warunkami chłodzenia i dopuszczalnym cyklem pracy.

Przy prostych obliczeniach pomocny może być kalkulator prawa Ohma, ale przy transformatorach trójfazowych trzeba pamiętać, że dochodzą zależności między mocą pozorną, czynną, bierną oraz współczynnikiem mocy. Dla przeliczeń energetycznych przydatny jest też dział kalkulatorów energetycznych.

Napięcie zwarcia a praca równoległa transformatorów

Na tabliczce znamionowej transformatora często znajduje się napięcie zwarcia, oznaczane jako u_k albo U_k. Parametr ten mówi, jakie napięcie trzeba przyłożyć do jednego uzwojenia, aby przy zwartym drugim uzwojeniu popłynął prąd znamionowy. Podaje się go zwykle w procentach napięcia znamionowego.

Napięcie zwarcia wpływa na spadek napięcia pod obciążeniem, wartość prądu zwarciowego i podział obciążenia między transformatorami pracującymi równolegle. W uproszczeniu: im mniejsze napięcie zwarcia, tym większy możliwy prąd zwarciowy po stronie wtórnej, jeżeli reszta sieci nie ograniczy go wcześniej.

Przy pracy równoległej transformatory powinny mieć zgodną grupę połączeń, zgodną przekładnię, taką samą kolejność faz i zbliżone napięcie zwarcia. Jeżeli napięcia zwarcia mocno się różnią, obciążenie nie rozłoży się proporcjonalnie do mocy znamionowych. Transformator o niższej impedancji może przejmować zbyt dużą część obciążenia, podczas gdy drugi będzie wykorzystany słabiej.

To ważne przy rozbudowie stacji, wymianie transformatora i dołączaniu nowej jednostki do istniejącej pracy równoległej. Dwa transformatory o tej samej mocy i takim samym napięciu znamionowym nie muszą automatycznie dobrze współpracować. O zgodności decydują parametry elektryczne, a nie sam opis mocy na tabliczce.

Podsumowanie

Budowa transformatora trójfazowego łączy mechanikę, magnetyzm i układ połączeń uzwojeń. Rdzeń wyznacza drogę strumienia, uzwojenia decydują o przekładni i wytrzymałości prądowej, izolacja oraz chłodzenie utrzymują urządzenie w bezpiecznych warunkach pracy, a grupa połączeń określa relację fazową między stroną GN i DN.

Najważniejsze są trzy rzeczy: konstrukcja rdzenia, rozmieszczenie uzwojeń oraz grupa połączeń. Jeżeli rozumiesz te elementy, tabliczka znamionowa przestaje być zbiorem skrótów. Zaczyna mówić, do jakiej sieci transformator pasuje, jak może być obciążany i jakie ograniczenia trzeba uwzględnić przy jego pracy.

Źródła

• Al-Mustaqbal University — Construction of a Three Phase Transformer
• Siemens Energy — Power Transformers
• The Transco — Vector Group of Transformer
• Schneider Electric — Parallel operation and short-circuit impedance