При изучении режима холостого хода однофазного трансформатора мы видим, что при подведенном синусоидальном напряжении, кривые первичной ЭДС и основного потока синусоидальны, а кривая тока х.х. не синусоидальна (кривая тока наряду с первой гармоникой содержит сильно выраженную третью гармонику). Посмотрим, как ток третьей гармоники будет влиять на различные схемы соединения трансформаторов.
Холостой ход при соединении обмоток l/l
При соединении обмоток трансформатора l/l без нулевого провода токи третьей гармоники протекать не будут, так как они в любой момент времени направлены в одну сторону.
Так как токи третьей гармоники выпадут из кривой фазных токов, то поток будет не синусоидален, т.е. в кривой потока появится поток третьей гармоники Ф3. Рассмотрим, как этот поток будет влиять на групповой и стержневой трансформатор при соединении их обмоток – l/l.
В групповом трансформаторе поток третьей гармоники замыкается по тому же пути, что и основной поток, т.е. по малому магнитному сопротивлению. Поэтому величина потока Ф3 достигает 15¸20% от основного потока. Поток Ф3 наводит в фазах ЭДС е13, е23 с тройной частотой f3 = f13, поэтому фазная ЭДС е23 достигает 40¸60% от ЭДС первой гармоники Е23 = 4,44×f1W2Ф3. ЭДС третьей гармоники накладывается на фазную ЭДС первой гармоники Е1. Искажая ее и увеличивая на 40-60%. Такое повышение фазной ЭДС не желательно, так как возможен пробой изоляции и перегорание потребителей рассчитанных на фазную ЭДС. Поэтому групповой трансформатор по схеме l/l не применяется.
В трехстержневом трансформаторе третья гармоника потока не может замыкаться по магнитопроводу, т.к. во всех фазах направлены в одну сторону (совпадают по фазе). Поэтому третья гармоника потока замыкается по маслу (воздуху), используя на своем пути стальные конструкции (бак, крепежные детали и т.д.). Так как магнитное сопротивление потокам третьей гармоники относительно велико, то эта гармоника потока в трехстержневом трансформаторе относительно не велика и наводимая этим потоком ЭДС так же не велика, поэтому искажение фазной ЭДС практически нет. Однако потоки третьей гармоники замыкаясь по баку и крепежным конструкциям наводят в них с тройной частотой вихревые токи, т.е. увеличивают потери в стали.
Холостой ход при соединении обмоток D/l, l/D
Так как соединение обмоток в треугольник представляет собой контур, по которому все три гармоники тока текут в одном направлении и в каждой фазе присутствует ток третьей гармоники, то кривая потока будет синусоидальной и наводимые фазные ЭДС будут также синусоидальны.
Однако соединение первичной обмотки с D невыгодно, т.к. Uф = Uл, то изоляцию фазы необходимо выполнить на линейное напряжение (перерасход изоляционных материалов), кроме того число витков фазы рассчитывается на линейное напряжение, т.е. будет перерасход меди. Поэтому на практике применяют соединение обмоток l/D.
Соединение обмоток l/D не имеет существенного отличия от D/l. Действительно, при соединении первичной обмотки l из кривой тока холостого хода выпадает третья гармоническая тока, в силу чего поток имеет упрощенный вид. Третья гармоническая потока Ф3 наводит в каждой фазе вторичной обмотки третью гармоническую ЭДС – Е23, отстающей от Ф3 на 90°. ЭДС Е23 создает ток I23 замыкающий по вторичному контуру треугольника и отстающего от Е23 почти на 90°, так как вторичный контур обладает большим индуктивным сопротивлением.
Видим, что ток i23 находится почти в противофазе с Ф13, т.е. создает свой поток Ф23, который практически компенсирует поток Ф13. Вследствие этого кривая результирующего потока и соответственно фазная ЭДС приближаются к синусоиде.