Transformatoarele trifazate reprezintă coloana vertebrală a distribuției de energie electrică, indiferent dacă sunt înfășurări triunghi sau stea.

Până acum, am analizat construcția și funcționarea transformatorului de tensiune monofazat cu două înfășurări, care poate fi utilizat să crească sau să-și reducă tensiunea din secundară în raport cu tensiunea de alimentare din primar. Dar transformatoarele de tensiune pot fi construite și pentru conectarea la două faze, trei faze, șase faze și chiar combinații elaborate până la 24 de faze pentru unele transformatoare de redresare DC.

Dacă luăm trei transformatoare monofazate și le conectăm înfășurările din primar una la cealaltă și înfășurările din secundarul lor între ele într-o configurație fixată, putem folosi transformatoarele pe o sursă trifazată.

Sistemele trifazate, scrise și ca alimentări cu 3 faze sau 3φ, sunt utilizate pentru generarea, transmisia și distribuția energiei electrice, precum și pentru toate utilizările industriale. Furnizarea trifazată are multe avantaje electrice față de alimentarea monofazată și atunci când avem în vedere transformatoare trifazate, avem de-a face cu trei tensiuni și curenți alternativi care diferă în faza de timp cu 120 de grade, după cum se arată mai jos.

Tensiuni și curenți trifazați

unde: VL este tensiunea de linie și VP este tensiunea de la fază la neutru.

Un transformator nu poate acționa ca un dispozitiv de schimbare a fazei și schimba o singură fază în trei sau trei faze într-o singură fază. Pentru a face conexiunile transformatorului compatibile cu sursele trifazate, este necesar să le conectăm într-un mod particular, pentru a forma o configurație de transformator trifazic.

Un transformator trifazat sau transformator 3φ poate fi construit fie prin conectarea împreună a trei transformatoare monofazate, formând astfel un așa numit grup transformator trifazat sau utilizând un transformator trifazat preasamblat și echilibrat, care este format din trei perechi de înfășurări monofazate montate pe un singur miez laminat.

Avantajele construirii unui singur transformator trifazat constau în aceea că, pentru aceeași putere kVA, acesta va fi mai mic, mai ieftin și mai ușor decât trei transformatoare individuale monofazate conectate împreună deoarece cuprul și miezul de fier se utilizează mai eficient. Metodele de conectare a înfășurărilor din primar și din secundar sunt aceleași, indiferent dacă utilizăm doar un transformator trifazat sau trei transformatoare separate monofazate. Considerați circuitul de mai jos:

Conexiunile transformatorului trifazat

Înfășurările din primar și secundar ale unui transformator pot fi conectate în configurații diferite, după cum se arată, pentru a îndeplini practic orice cerință. În cazul înfășurărilor transformatorului trifazat, sunt posibile trei forme de conectare: "stea" (sau Y), "triunghi-delta" (ochiuri) și "stea interconectată" (zig-zag).

Combinațiile celor trei înfășurări pot fi conectate cu primar delta și secundar conectat stea, sau stea-delta, stea-stea sau delta-delta, în funcție de utilizarea transformatoarelor. Atunci când transformatoarele sunt utilizate pentru a furniza trei sau mai multe faze, acestea sunt în general menționate ca un transformator polifazat.

Configurațiile stea și triunghi ale transformatorului trifazat

Dar ce înțelegem prin "stea" (cunoscută și sub numele de Y) și "delta" (cunoscută și sub numele de ochi sau triunghi) atunci când se ocupă de conexiunile trifazate ale transformatoarelor. Un transformator trifazat are trei seturi de înfășurări în primar și secundar. În funcție de modul în care aceste seturi sunt interconectate, se determină dacă conexiunea este o configurație stea sau delta.

Cele trei tensiuni disponibile, care sunt ele însele deplasate de celelalte la 120 de grade electrice, nu numai că au decis asupra tipului de conexiuni electrice utilizate atât pe partea primarului, cât și pe cea a secundarului, dar determină circulația curenților transformatorului.

Cu trei transformatoare monofazate conectate împreună, fluxurile magnetice din cele trei transformatoare diferă în fază cu 120 de grade în timp. Cu un singur transformator trifazat există trei fluxuri magnetice în miez care diferă în faza de timp cu 120 de grade.

Metoda standard pentru marcarea înfășurărilor transformatoarelor trifazate este de a eticheta cele trei înfășurări primare cu litere majuscule A, B și C, utilizate pentru a reprezenta cele trei faze individuale RED, YELLOW și BLUE. Înfășurările secundare sunt etichetate cu litere mici a, b și c. Fiecare înfășurare are două capete etichetate în mod normal 1 și 2 astfel încât, de exemplu, cea de-a doua înfășurare a primarului are capete care vor fi etichetate B1 și B2, în timp ce a treia înfășurare a secundarului va fi etichetat C1 și C2 așa cum se arată.

Configurații Stea și Delta

Simbolurile sunt utilizate în general pe un transformator trifazat pentru a indica tipul sau tipurile de conexiuni utilizate, cu majuscula Y pentru conectarea stea, D pentru conexiunea triunghiulară Delta și Z pentru înfășurări din primar interconectate stea, cu literele mici y, d și z pentru secundarele lor respective. Atunci, Stea-Stea va fi etichetată Yy, Delta-Delta va fi etichetată Dd și stea interconectată cu stea interconectată va fi Zz pentru aceleași tipuri de transformatoare conectate.

Identificarea bobinării transformatorului

Acum știm că există patru moduri diferite în care trei transformatoare monofazate pot fi conectate împreună pentru circuitele primar și secundar trifazate. Aceste patru configurații standard sunt date ca: Delta-Delta (Dd), Stea-Stea (Yy), Stea-Delta (Yd) și Delta-Stea (Dy).

Transformatoarele pentru operarea de înaltă tensiune cu conexiuni stea au avantajul reducerii tensiunii pe un transformator individual, reducând numărul de spire necesare și o mărire a dimensiunilor conductorilor, făcând înfășurările bobinelor mai ușoare și mai ieftin a izola decât transformatoarele delta.

Conexiunea delta-delta are totuși un mare avantaj față de configurația stea-deltă, prin faptul că, dacă un transformator dintr-un grup de trei ar deveni defect sau dezactivat, cele două rămase vor continua să furnizeze o putere trifazică cu o capacitate egală cu aproximativ două treimi din ieșirea originală a unității de transformare.

Conexiunile Delta și Delta ale transformatorului

Într-un grup de transformatoare conectate delta (Dd), tensiunea de linie VL este egală cu tensiunea de alimentare VL = VS. Dar curentul în fiecare înfășurare de fază este dat de: 1/√3 × IL, unde IL = curentul de linie.

Un dezavantaj al transformatoarelor trifazate conectate delta este că fiecare transformator trebuie să fie înfășurat pentru tensiunea de linie maximă (în exemplul nostru de mai sus 100 V) și pentru 57,7% curent de linie. Numărul mai mare de spire în înfășurare, împreună cu izolația dintre spire, necesită o bobină mai mare și mai scumpă decât la conexiunea stea. Un alt dezavantaj cu transformatoarele trifazate conectate delta este că nu există o conexiune "neutră" sau comună.

În aranjamentul stea-stea (Yy) (wye-wye), fiecare transformator are un terminal conectat la o joncțiune comună sau punct neutru, cu cele trei capete rămase ale înfășurărilor primare conectate la sursa de rețea trifazată. Numărul de spire într-o înfășurare a transformatorului pentru conexiunea stea este de 57,7%, din cea necesară pentru conexiunea delta.

Conexiunea în stea necesită utilizarea a trei transformatoare, iar dacă un transformator devine defect sau dezactivat, întregul grup ar putea deveni dezactivat. Cu toate acestea, transformatorul trifazat conectat în stea este deosebit de convenabil și economic în sistemele de distribuție a energiei electrice, prin aceea că un al patrulea fir poate fi conectat ca un punct neutru (n) al celor trei secundare conectate în stea, așa cum se arată.

Conexiunile Stea - Stea ale transformatorului

Tensiunea între oricare linii ale transformatorului trifazat se numește „tensiune de linie“ VL, în timp ce tensiunea între orice linie și punctul neutru al unui transformator conectat în stea este numită „tensiune de fază“ VP. Această tensiune de fază dintre punctul neutru și oricare dintre conexiunile liniei este de 1/√3 × VL a tensiunii de linie. Atunci, mai sus, tensiunea de fază pe partea primarului VP este dată de

Curentul din secundar, în fiecare fază a unui grup conectat în stea de transformatoare, este același ca și curentul de linie al sursei, atunci IL = IS.

Atunci, relația dintre tensiunile și curenții de fază și de linie dintr-un sistem trifazic poate fi rezumată astfel:

Tensiune și curent trifazate

unde, din nou, VL este tensiunea de linie și VP este tensiunea fază-neutru fie pe partea primară, fie pe cea secundară.

Alte conexiuni posibile pentru transformatoarele trifazate sunt stea-delta Yd, unde înfășurarea primară este conectată în stea, iar cea secundară este conectată în delta sau delta-stea Dy cu un primar conectat delta și un secundar conectat stea.

Transformatoarele conectate stea delta sunt utilizate pe scară largă în distribuția de putere redusă, cu înfășurările primare, furnizând o sarcină echilibrată cu trei fire pentru compania de utilități, în timp ce înfășurările secundare asigură conexiunea neutră sau împământarea necesară cu patru fire.

Atunci când primarul și secundarul au diferite tipuri de conexiuni de înfășurare, stea sau delta, raportul de spire total al transformatorului devine mai complicat. Dacă un transformator trifazat este conectat ca delta-delta (Dd) sau stea-stea (Yy), atunci transformatorul ar putea avea un raport de 1:1. Deci, tensiunile de intrare și de ieșire pentru înfășurările sunt aceleași.

Dar, dacă transformatorul trifazat este conectat în stea-delta (Yd), fiecare înfășurare primară conectată stea va primi tensiunea de fază VP a sursei, care este egală cu 1/√3 × VL.

Atunci, fiecare înfășurare secundară corespunzătoare va avea apoi aceeași tensiune indusă în ea și, deoarece aceste înfășurări sunt conectate delta, tensiunea 1/√3 × VL va deveni tensiunea de linie în secundar. Deci, cu un raport de spire 1:1, un transformator conectat stea-delta va furniza un raport tensiune-linie coborâtor √3:1.

Așadar, pentru un transformator conectat stea-delta (Yd), raportul de transformare devine:

Raportul de spire Stea-Triunghi

Pentru un transformator conectat delta-stea (Dy), cu un raport de transformare 1:1, transformatorul va furniza un raport de tensiune-linie ridicător de 1:√3. Atunci, pentru un transformator conectat delta-stea, raportul de transformare devine:

Raportul de spire Triunghi-Stea

Atunci, pentru cele patru configurații de bază ale unui transformator trifazat, putem enumera tensiunile și curenții secundari în raport cu tensiunea de linie din primar VL și curentul de linie din primar IL așa cum se arată în tabelul următor.

Tensiunea și curentul de linie ale transformatorului trifazat

unde: n este egal cu raportul spirelor transformatoarelor (TR) al numărului de înfășurări secundare NS, împărțit la numărul de înfășurări primare NP (NS/NP) și VL este tensiunea de linie cu VP fiind tensiunea fază-neutru.

Exemplu de transformator trifazat

Înfășurarea primară a unui transformator de 50 VA conectat delta-stea (Dy) este alimentată cu 100 volți trifazați, 50 Hz. Dacă transformatorul are 500 de spirei pe primar și 100 de spire pe secundar, calculați tensiunile și curenții pe partea secundarului.

Date: putere transformator 50VA , tensiune de alimentare 100V, spire primar 500, spire secundar 100.

Atunci, partea secundară a transformatorului furnizează o tensiune de linie VL de aproximativ 35V cu o tensiune de fază VP de 20V la 0,834 A.

Construcția transformatorului trifazat

Am spus anterior că transformatorul trifazat este efectiv trei transformatoare monofazate interconectate pe un singur miez laminat și economii considerabile în ceea ce privește costul, mărimea și greutatea pot fi obținute prin combinarea celor trei înfășurări pe un singur circuit magnetic, așa cum este arătat.

Un transformator trifazat are, în general, cele trei circuite magnetice intercalate pentru a da o distribuție uniformă a fluxului dielectric între înfășurările de înaltă și joasă tensiune. Excepția de la această regulă este un transformator trifazat tip shell (cochilie). În tipul shell de construcție, chiar dacă cele trei miezuri sunt împreună, ele nu sunt intercalate.

Construcția transformatorului trifazat

Transformatorul trifazat de tip cu trei brațe este cea mai obișnuită metodă de construcție a transformatorului trifazat care permite conectarea magnetică a fazelor. Fluxul fiecărui braț utilizează celelalte două brațe pentru calea de întoarcere cu cele trei fluxuri magnetice din miez generate de tensiunile de linie care diferă în faza de timp cu 120 de grade. Astfel fluxul din miez rămâne aproape sinusoidal, producând o tensiune de alimentare în secundar sinusoidală.

Construcția transformatorului trifazat de tip shell cu 5 brațe este mai greu și mai scump de construit decât tipul miez. Miezurile cu 5 brațe sunt utilizate în general pentru transformatoare de puteri foarte mari, deoarece acestea pot fi realizate cu înălțime redusă. Materialele miezului transformatoarelor tip cochilie, înfășurările electrice, incinta de oțel și răcirea sunt la fel ca cele pentru tipurile monofazate mai mari.