三相变压器

三相变压器是电力分配系统的主干，无论是三角形连接还是星形连接的绕组。

1、概述

三相电系统用于生成和长距离传输电力，供办公室和工业使用。三相电压（和电流）通过三相变压器升压或降压，因为三相变压器的绕组可以以各种方式连接。

到目前为止，我们已经了解了单相双绕组电压变压器的构造和操作，这种变压器可以用来增加或减少其次级电压相对于初级供电电压。但是，电压变压器也可以构建为不仅连接到单一相位，还可以连接到两相、三相、六相，甚至对于一些直流整流变压器，复杂的组合可以达到24相。

如果我们取三个单相变压器并将它们的初级绕组相互连接，将它们的次级绕组以固定配置相互连接，我们就可以在三相电源上使用这些变压器。

三相，也可写作3相或3φ供电，用于发电、输电和配电，以及所有工业用途。三相供电在电气上比单相电源有许多优势，当考虑三相变压器时，我们必须处理三个交流电压和电流，它们在相位时间上相差120度，如下所示。

图1：三相电压和电流

其中：$V_L$ 是线间电压，$V_P$ 是相与中性点之间的电压。

变压器不能作为变相设备，将单相变为三相或将三相变为单相。为了使变压器连接与三相电源兼容，我们需要以特定方式将它们连接在一起，以形成三相变压器配置。

三相变压器或3φ变压器可以通过将三个单相变压器连接在一起来构建，从而形成一个所谓的三相变压器组，或者使用一个预组装且平衡的三相变压器，它由安装在单个叠层铁芯上的三对单相绕组组成。

构建单一三相变压器的优势在于，对于相同的kVA额定值，它将比连接在一起的三个单独的单相变压器更小、更便宜和更轻，因为铜和铁芯的使用更加高效。无论是使用一个三相变压器还是三个单独的单相变压器，初级和次级绕组的连接方法都是相同的。考虑下面的电路：

图2：三相变压器连接

变压器的初级和次级绕组可以按照不同的配置连接，如上图所示，以满足几乎任何实际需求。在三相变压器绕组的情况下，可能有三种形式的连接：“星形”（Y形）、“三角形”（Δ形）和“互连星形”（Zig-Zag形）。

这三个绕组的组合可能是初级以三角形连接，次级以星形连接，或者是星三角、星星或三角三角，这取决于变压器的使用。当变压器用于提供三个或更多相位时，它们通常被称为多相变压器。

2、三相变压器的星形和三角形配置

但在处理三相变压器连接时，我们所说的“星形”（也称为Y形）和“三角形”（也称为Mesh）是什么意思呢？三相变压器有三组初级和次级绕组。这些绕组组如何相互连接，决定了连接是星形还是三角形配置。

三个可用电压，它们本身彼此之间相隔120电角度，不仅决定了在初级和次级侧使用的电气连接类型，还决定了变压器电流的流向。

将三个单相变压器连接在一起时，三个变压器中的磁通量在相位上相差120时间度。对于单个三相变压器，铁芯中有三个磁通量在时相上相差120度。

标记三相变压器绕组的标准方法是用大写（大写）字母A、B和C标记三个初级绕组，用来代表红色、黄色和蓝色的三个单独相位。次级绕组用小写（小写）字母a、b和c标记。每个绕组通常有两个末端，通常标记为1和2，因此，例如，初级的第二个绕组的末端将标记为B1和B2，而次级的第三个绕组将标记为c1和c2，如图所示。

图3：三相变压器的星形和三角形配置

在三相变压器上，通常使用符号来表示所使用的连接类型，大写字母Y表示星形连接，D表示三角形连接，Z表示互连星形初级绕组，小写字母y、d和z分别表示它们对应的次级绕组。

因此，星-星连接将标记为Yy，三角-三角连接将标记为Dd，互连星到互连星的相同类型连接的变压器将标记为Zz。

图4：变压器绕组标识

我们现在知道，有三个单相变压器可以在其初级和次级三相电路之间以四种不同的方式连接在一起。这四种标准配置分别是：三角形-三角形（Dd）、星形-星形（Yy）、星形-三角形（Yd）和三角形-星形（Dy）。

对于高压操作的变压器，使用星形连接的优势在于可以减少单个变压器上的电压，减少所需的匝数并增加导体的尺寸，使得线圈绕组的绝缘比三角形变压器更容易、更便宜。

然而，三角形-三角形连接有一个比星形-三角形配置更大的优势，那就是如果三台变压器中的一台出现故障或失效，剩下的两台将继续提供三相电力，其容量相当于原始变压器单元输出的大约三分之二。

3、变压器的三角形和三角形连接

图5：变压器的三角形和三角形连接

在三角形连接（Dd）的变压器组中，线电压VL等于供电电压，即$V_L=V_S$。但是，每个相位绕组中的电流表示为：线电流IL的1/√3，其中IL是线电流。

三角形连接的三相变压器的一个缺点是，每个变压器必须为全线电压（在我们上面的例子中为100V）和57.7%的线电流绕制。绕组中较多的匝数以及匝间的绝缘，使得线圈比星形连接的更大、更昂贵。三角形连接的三相变压器的另一个缺点是没有“中性”或公共连接。

在星形-星形配置（Yy），（Y-Y）中，每个变压器的一个端子连接到一个公共结点，或中性点，初级绕组的三个剩余端连接到三相电源。星形连接的变压器绕组匝数是三角形连接所需匝数的57.7%。

4、变压器的星形和星形连接

星形连接需要使用三台变压器，如果任何一台变压器出现故障或失效，整个组可能会失效。尽管如此，星形连接的三相变压器在电力分配系统中特别方便和经济，因为可以在三个星形连接的次级上连接第四根线作为中性点（n），如图所示。

图6：变压器的星形和星形连接

三相变压器中任意一线与中性点之间的电压称为“线电压”$V_L$，而星形连接的变压器中任意一线与中性点之间的电压称为“相电压”VP。中性点与任意一线之间的相电压是线电压的$1/\sqrt{3}$倍。因此，上面提到的初级侧相电压$V_P$给定为。

星形连接的变压器组中，每个相位的次级电流与电源的线电流相同，因此$I_L=I_S$。

然后，三相系统中线电压和相电压以及电流之间的关系可以总结为：

图7：三相电压和电流

再次说明，$V_L$是线间电压，而$V_P$是初级侧或次级侧的相对中性点电压。

三相变压器的其他可能连接方式有星形-三角形Yd，其中初级绕组为星形连接，次级为三角形连接，或者三角形-星形Dy，初级为三角形连接，次级为星形连接。

三角形-星形连接的变压器广泛用于低功率配电，初级绕组向供电公司提供三线平衡负载，而次级绕组提供所需的第四线中性或接地连接。

当初级和次级具有不同类型的绕组连接时，无论是星形还是三角形，变压器的总匝数比变得更加复杂。如果三相变压器以三角形-三角形（Dd）或星形-星形（Yy）连接，那么变压器可能具有1:1的匝数比。也就是说，绕组的输入和输出电压相同。

然而，如果三相变压器以星形-三角形（Yd）连接，每个星形连接的初级绕组将接收到电源的相电压VP，等于$1/\surd 3\times V_L$。

然后，每个相应的次级绕组将在其中感应出相同的电压，并且由于这些绕组是三角形连接的，电压$1/\sqrt{3}\times V_L$将成为次级线电压。然后，在1:1的匝数比下，星形-三角形连接的变压器将提供$\sqrt{3}:1$的降压线电压比。

因此，对于星形-三角形（Yd）连接的变压器，匝数比变为：

图8：星形-三角形匝数比

同样，对于三角形-星形（Dy）连接的变压器，在1:1的匝数比下，变压器将提供1:√3的升压线电压比。因此，对于三角形-星形连接的变压器，匝数比变为：

图9：三角形-星形匝数比

那么，对于三相变压器的四种基本配置，我们可以列出变压器次级电压和电流相对于初级线电压VL及其初级线电流IL的情况，如下表所示。

图10：三相变压器线电压和电流

其中：n 等于变压器的“匝数比”(T.R.)，即次级绕组的数量$N_S$除以初级绕组的数量$N_P$。（$N_S/N_P$），$V_L$是线间电压，$V_P$是相对中性点的电压。

5、三相变压器示例

一个三角形-星形（Dy）连接的50VA变压器的初级绕组由100伏特、50赫兹的三相电源供电。如果变压器的初级绕组有500匝，次级绕组有100匝，计算次级侧的电压和电流。

给定数据：变压器额定功率50VA，供电线电压100v，初级匝数500，次级匝数100。

那么，变压器的次级侧提供的线电压VLINE约为35v，次级相电压VPHASE为20v，电流为0.834安培。\

6、三相变压器构造

我们之前已经提到，三相变压器实际上是三个相互连接的单相变压器，它们共享一个叠层铁芯，通过将三个绕组结合到一个单一的磁路上，可以显著节省成本、尺寸和重量。

三相变压器通常具有三个交错的磁路，以在高低压绕组之间均匀分布介电通量。这一规则的例外是三相壳式变压器。在壳式结构中，尽管三个铁芯在一起，但它们不交错。

图11：三相变压器构造

三柱铁芯型三相变压器是最常见的三相变压器构造方法，它允许各相位在磁路上相互连接。每个柱的磁通量使用其他两个柱作为其返回路径，由线电压产生的三个磁通量在时间相位上相差120度。因此，铁芯中的磁通量保持接近正弦波形态，产生正弦波形的次级供电电压。

壳式五柱型三相变压器的结构比铁芯型更重，制造成本也更高。五柱铁芯通常用于非常大型的电力变压器，因为它们可以制成降低的高度。壳式变压器的铁芯材料、电气绕组、钢制外壳和冷却方式与较大的单相类型大致相同。