Vezalne skupine

Na prejšnjih predavanjih smo pojasnili, kako so med seboj povezana navitja na trifaznem transformatorju. Če imamo navitje samo na primarni strani, potem gre dejansko le za dušilko. Da deluje transformator, moramo dodati navitje tudi na sekundarno stran. Tako lahko ustvarimo trifazni transformator s katerokoli kombinacijo navitij.

Oznaka navitij na primarni strani je zapisana z velikimi črkami, na sekundarni strani pa z malimi. Poleg te oznake je pri vezavi podana tudi številka, ki predstavlja fazni kot med primarno in sekundarno stranjo, deljen z $30^{\circ}$ . Na primer, če je fazni kot: $φ = 120^{\circ}$ potem veljavi: $\frac{120^{\circ}}{30^{\circ}} = 4$

Pri risanju kazalčnih diagramov in računanju faznega kota je ključno, da natančno vemo, v katero smer so navitja ovita. To označimo s piko zraven simbola tuljave.^[1]

Risanje

Risanje je samo orodje, ki se uporablja za poenostavljen prikaz dejanske konstrukcije in stanja v transformatorju. Prikazujemo predvsem vezave navitij, razporeditev faz in fazne zamike, ki nastanejo zaradi različnih konfiguracij navitij.

Shema:

Nariši steber in tuljave nanj.
Nariši ničlišče, če je to potrebno.
Poveži navitja v vezavo, ki je podana.
Označi pike, da se ujemajo s faznim številom.

Kazalčni diagram:

Začnemo na primarni strani.
Določimo smer enemu navitju – običajno je to faza U, ki jo postavimo navpično.
Narišemo še ostali dve napetosti – V in W – zamaknjeni za $120^{\circ}$ in $240^{\circ}$ . Faze si bodo vedno sledile v smeri urinega kazalca.
Na sekundarni strani narišemo faze glede na vezavo (npr. zvezda, trikot) in položaj pik, ki določa relativni fazni zamik.

S pravilnim kazalčnim diagramom in označitvijo pik lahko določimo pravilno vezavno skupino in preverimo ali sta transformatorja primerna za vzporedno obratovanje.

YNyn0

Primarna stran:
Pri risanju kazalcev si pomagamo s shemo vezave. Na primarni strani začnemo pri ničlišču in sledimo povezavi do točke 1U. Če kazalec U₁ narišemo navpično navzgor, smo s tem določili orientacijo faze U. Fazi V in W sta zamaknjeni za $120^{\circ}$ oziroma $240^{\circ}$ , zato ju narišemo iz iste točke (ničlišča) v teh smereh.

Sekundarna stran:
Na sekundarni strani začnemo prav tako pri ničlišču in sledimo shemi do faze 2U. Na tej poti prečkamo navitje, ki je ovito okoli istega stebra kot faza 1U. Ker smo že določili smer kazalca za ta steber, mora biti smer sekundarnega kazalca 2U enaka, če so pike na enakih straneh.

Če bi bila pika na primarni strani na začetku navitja, na sekundarni pa na koncu, bi bila smer inducirane napetosti obrnjena in bi bil fazni kot drugačen (npr. YNyn5). Tako pri vezavi YNyn0 velja, da so vsi kazalci sekundarne strani v isti smeri kot na primarni strani, torej je fazni kot enak nič.

Ta postopek ponovimo še za fazi 2V in 2W, vedno glede na to, na katerem stebru se nahajajo in v kakšni orientaciji je pike določila smer inducirane napetosti.

Pri Yy vezavi so fazni koti lahko samo 0 ali 6.

YNyn6

Podobno kot pri prejšnjem primeru (YNyn0), le da so navitja na sekundarni strani navita v nasprotni smeri. To pomeni, da je pika na nasprotnem koncu tuljave. Zaradi tega se smer napetosti obrne in pride do faznega zamika.

V tem primeru znaša fazni kot med primarno in sekundarno stranjo $180^{\circ}$ , kar pomeni, da so sekundarne fazne napetosti nasprotno orientirane glede na primarne. V kazalčnem diagramu to pomeni, da so vsi sekundarni kazalci obrnjeni za 180° glede na primarne.

YNd5

Pri vezavi trikot zvezdišče ne obstaja, zato si ga navidezno izmislimo. Od sredina trikotnika, v konice narišemo navidezne kazalce, ki predstavaljajo eno fazo. S to na navidezni fazo, se določi zano število. Yd ali Dy vezavi imata lahko fazno število samo 1, 5, 7 ali 11.

Dyn1

Dyn11

Yzn5

Kontrola pravilnosti vezav trifaznih transformatorjev s cikcak vezavo na sekundarju (da dosežemo najvišjo možno sekundarno napetost):

Yz vezave imajo liho fazno številko,
Dz vezave imajo sodo fazno številko,

Vzporedno delovanje transformatorjev

Za pravilno in varno vzporedno delovanje transformatorjev morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji. Prva dva pogoja preprečujeta izenačevalne tokove, ki bi zaradi razlik v napetostih lahko povzročili preobremenitev in pregrevanje navitij.^[2]

Primarne in sekundarne nazivne napetosti morajo biti enake – to pomeni, da morajo biti tudi prestavna razmerja identična. Dovoljena toleranca je največ 0.5 %. Če je ta pogoj kršen, bo eno jedro lahko preveč ali premalo magneteno, kar vodi v nasičenje ali slab izkoristek.
Fazne številke in zaporedje faz morajo biti enaki – če ta pogoj ni izpolnjen, pride do faznega zamika med sekundarnimi napetostmi dveh transformatorjev. Posledično se pojavi napetostna razlika med sekundarami, kar zopet povzroča izenačevalne tokove.

Naslednja dva pogoja omogočata proporcionalno razdelitev bremena med transformatorje:

Enaka kratkostična napetost $u_{k}$ izražena v odstotkih – transformatorji morajo imeti podobno impedanco. Dopustno je največ 10 % razlike. V nasprotnem primeru se bo tok razporedil nesorazmerno in transformator z nižjim $u_{k}$ bo prevzel prevelik del toka.
Razmerje moči največ 1:3 – močnejši transformator lahko prevlada nad šibkejšim, kar lahko povzroči, da šibkejši skoraj nič ne doprinese k napajanju bremena. Če je razmerje moči preveliko, je šibkejši transformator neučinkovit oziroma odveč.

Obratovanje trifaznega transformatorja

Prosti tek
Kratek stik
Obremenitev
- Značaj bremena
- Simetrična obremenitev
- Asimetrična obremenitev

Simetrična obremenitev

To je najbolj preprost primer obratovanja trifaznega transformatorja. Na primarno stran je priključen trifazni simetrični vir, na sekundarni strani pa so priključena simetrična bremena. V takem stanju deluje transformator kot trije ločeni enofazni transformatorji, pri čemer so faze med seboj zamaknjene za $120^{\circ}$ .

Vsako navitje transformatorja napaja svoje breme z enako amplitudo napetosti in enako faznim zamikom, zato se tokovi in napetosti porazdelijo enakomerno, brez tokov skozi zvezdišče (če to obstaja) in brez prenapetostnih pojavov.

Vezno skupino izberemo tako, da nam ustrazajo fazna števila.

Asimetrična obremenitev

Začetno stanje transformatorja je prosti tek. To pomeni, da na sekundarni strani ni priključeno nobeno breme, zato po navitjih na tej strani ne teče tok $i_{2} = 0$ . Prisotna je le napetost $e_{i}$ , inducirana z magnetnim fluksom iz primarne strani.

Skozi navitja na primarni strani tečejo le magnetilni tokovi $i_{m}$ , ki so potrebni za magnetenje železnega jedra. Ti tokovi ustvarijo magnetni fluks znotraj jedra $Φ_{f e}$ . Ker ni bremena, se v jedru ustvari le toliko fluksa, kolikor ga potrebujemo za vzdrževanje napetosti na sekundarni strani, torej ni prisotnih večjih delovnih tokov.

Ko na sekundarno stran priključimo asimetrično obremenitev (rdeča barva), med fazo in ničliščem, se sklene električna zanka in po navitju steče bremenski tok $i_{2}$ . Posledica tega toka je fluks. Ta novi fluksa bo čutilo samo navitje, ki je na istem stebru. Npr. breme med 2L3 in 2N, bo navitje med 1L3 in 1N kompenziralo njega. Posledično bo tekel tok samo med 1L3 in N.

Da ostane skupni fluks v jedru konstanten, mora na primarni strani steči tok $i_{1}$ , ki kompenzira fluks, povzročeno s tokom $i_{2}$ na sekundarni strani. Pri tem velja zveza: $i_{1} N_{1} = i_{2} N_{2}$ .

Za lažjo analizo si izberemo poljuben trenutek in določimo smeri tokov in fluksov v tem trenutku. Poljubno definiramo tudi pozitivno smer toka. V tem primeru je $i_{2}$ v nasprotni smeri urinega kazalca, lahko pa bi izbrali tudi drugačno. Ključno je, da se orientiramo glede na pike na tuljavah.

Smer navijanja je ključnega pomena pri določanju polaritete napetosti in toka. Če je smer navitja na primarni strani obrnjena glede na sekundarno, moramo piko postaviti na nasproten konec tuljave. Pri analizi tokov skozi transformator si pomagamo s pravilom za smer toka glede na piko: če tok teče v piko na sekundarni strani, potem mora tok na primarni strani teči iz pike. Toka morata vedno teči v nasprotnih smereh glede na položaj pik. S tem zagotovimo, da fluksa, ki ga ustvarja bremenski tok na sekundarni strani, primarni tok ustrezno kompenzira, tako da ostane skupni fluks v jedru konstanten.

V drugem primeru (vijolična barva) imamo breme med dvema fazama. V tem primeru steče tok skozi breme in dve navitji, kar požene fluks skozi jedra transformatorja, in ker vemo da mora veljata magnetni sklep, in ker je fluks znorraj jedra konstante, mora na primarni strani steči višji tok, ki bo kompenziral novo nasltali fluks na sekundarni strani.

Slabost te vezave je, da moramo peljani ničlišče primarne strani $N_{1}$ po celotni deželi.

Asimetrična obremenitev brez ničlišča

Začetno stanje transformatorja, preden priklopimo breme, je enako kot v prejšnjem primeru — tok teče le po primarni strani in magneti železno jedro.

Ko priključimo breme med fazo in ničliščem (če tega ni), tok še vedno steče po sekundarni strani. Vendar, ker ničlišča nimamo, se tok ne more vrniti po vodu ničle, temveč steče skozi preostali dve fazi in njihova navitja. Tako dobimo situacijo, kjer en tok potuje skozi eno navitje, nato pa se razdeli med preostali dve fazi. Vsaka izmed teh dveh faz na sekundarni strani tako nosi polovico toka.

To povzroči dodatno magnetenje dveh faz, kar ni v ravnotežju. Čeprav se fluks znotraj jedra še vedno kompenzira, ta način delovanja ustvarja obremenitve, ki lahko dolgoročno poškodujejo transformator. Zato je takšna oblika asimetrične obremenitve dovoljena le do 10 % nazivne moči transformatorja.

Če pa priključimo medfazno obremenitev, na primer med fazama 2L2 in 2L3, potem tok teče samo skozi ta dva stebra. V tem primeru sta le ta dva stebra magnetno aktivna, tretji pa ostane brez toka. Tok se sklene prek primarne strani, kjer skozi ustrezni dve fazi prav tako teče magnetilni tok. Fluks se porazdeli in jedro ostane magnetno uravnoteženo.

Prednost takšne vezave je, da ni potrebno peljati vodnika ničle čez celotno omrežje — obremenitve se lahko priključijo neposredno med faze.

Asimetrična obremenitev — trikotna vezava

Pri trikotni vezavi nimamo ničlišča, zato ni mogoče priklopiti bremena med fazo in zemljo — možna je le medfazna obremenitev.

Ko na sekundarni strani obremenimo eno vejo trikotnika (npr. med 2U in 2V), po tej veji steče tok. Recimo, da tok teče v smeri proti piki ( $\circ$ ) navitja. Po pravilih označevanja pomeni to, da na primarni strani tok teče iz pike navitja, torej v nasprotni smeri glede na orientacijo pike.

To izhaja iz osnovnega načela transformacije: magnetni tokovi, ki jih ustvarjajo tokovi na sekundarni strani, se morajo kompenzirati s tokovi na primarni strani, da ostane magnetni fluks v jedru konstanten. Zato je vedno tako, da če tok teče v piko na eni strani, mora teči iz pike na drugi.

Ta princip omogoča pravilno določitev smeri tokov in fluksov tudi pri asimetričnih obremenitvah v trikotni vezavi. Ker obremenitev zajema samo eno vejo trikotnika, je aktivno le eno navitje na sekundarni strani, posledično tudi samo dva izmed treh stebrov jedra nosita magnetni tok. Tretji steber je v tem trenutku magnetno nedejaven.

Prednost trikotne vezave je v tem, da za delovanje ne potrebuje ničlišča, slabost pa je, da se ob asimetrični obremenitvi del jedra ne uporablja, kar lahko vodi do neenakomernih izgub in lokalnih nasičenj.

Asimetrična obremenitev — cikcak vezava

Cikcak (Z) vezava je posebna oblika zvezdne vezave, kjer je vsaka faza sestavljena iz dveh delov, ki sta fizično razporejena po dveh različnih stebrih jedra. Na primer, navitje faze L1 poteka najprej po enem stebru (npr. steber 1), nato pa se nadaljuje po drugem (npr. steber 2), pri čemer sta oba dela fazno usklajena in povezana tako, da zagotavljata pravilno napetostno razmerje in fazni zamik.

Prednost cikcak vezave je v tem, da se magnetna bremena zaradi asimetrične obremenitve porazdelijo enakomerneje po vseh treh stebrih jedra.

Ko na sekundarni strani priključimo asimetrično obremenitev (na primer fazo 2U proti ničlišču), tok steče po obeh delih navitja faze 2U — najprej po eni veji cikcak segmenta (npr. steber 1), nato po drugi (npr. steber 2), in se nato zaključi v ničlišču. Zaradi cikcak povezave ta tok povzroči magnetne flukse v dveh različnih stebrih, kar pomeni, da ni enostranske magnetne obremenitve kot pri klasični zvezdi.

Za kompenzacijo sekundarnega toka se na primarni strani ustvari tok z nasprotno smerjo glede na pike, ki ponovno steče po obeh ustreznih navitjih (na dveh različnih stebrih), kar ohranja skupni fluks v jedru konstanten.

To pomeni, da tudi pri enofazni obremenitvi cikcak vezava poskrbi za simetrično magnetno obremenitev transformatorja.

Glavna prednost cikcak vezave v tem primeru je:

omogoča priklop enofaznih bremen brez nevarnosti lokalne nasičenosti jedra,
ne zahteva posebne pozornosti pri uravnoteženju, saj tokovi vedno bremenijo dve fazi.

Zato se cikcak vezava pogosto uporablja v distribucijskih transformatorjih, kjer so pogoste asimetrične obremenitve (npr. gospodinjski porabniki).

Naslednje poglavje: Predavanje 8
Prejšnje predavanje: Predavanje 6