трехфазный трансформатор, принцип работы

Разберем трехфазный трансформатор, принцип работы, Кому будет интересно, подключайтесь, есть полезные советы и предложения

Для того чтобы получить трехфазный ток можно использовать три совершенно одинаковых однофазных трансформатора. При таком варианте трансформации обмотки всех трех фаз не будут иметь между собой никакой связи, так как у каждой фазы будет собственная магнитная цепь.

Однако можно пойти и другим путем – собрать единый трехфазный трансформатор, все обмотки которого будут объединены между собой единой магнитной цепью.

Для того чтобы проще всего понять, как устроен и на каких принципах работает трехфазный трансформатор, мысленно представим себе три отдельных однофазных трансформатора, плотно приставленные друг к другу таким образом, что их три стержня вместе образуют единый для всех центральный стержень (рис. 1). На оставшиеся свободные три стержня намотаны первичные и вторичные обмотки. Для того чтобы было более наглядно, на рисунке 1 вторичные обмотки не показаны.

рис.1

За исходное состояние принимаем то, что обмотки всех трех стержней совершенно одинаковые и намотанные в одном и том же направлении (на рисунке 1, если наблюдать сверху, они намотаны по часовой стрелке). Верхние концы обмоток соединяем в нейтраль, а нижние подключаем к трем клеммам трехфазной сети.

Изменяющиеся токи в обмотках трансформатора вызовут изменяющиеся во времени магнитные потоки в стержнях трансформатора, каждый из которых будет замыкаться в собственной магнитной цепи. Причем в центральном составном стержне все три магнитных потока складываются и в сумме образуют нуль. Это происходит потому, что все эти магнитные потоки образуются симметричными трехфазными токами. А как известно из электротехники, сумма их мгновенных значений в любой момент времени равна нулю.

Предположив, что через обмотку АХ протекает наибольший ток I1 в направлении,  показанном на рисунке 1. Создаваемый им магнитный поток Ф, обладая наибольшим значением, протекал бы по центральному составному стержню сверху вниз. В остальных двух обмотках, обозначенных на рисунке как BY и CZ, протекающие в тот момент токи I2 и I3 были бы по величине равны половине величины тока I1 и направлены в противоположную ему сторону. Это обусловлено специфическими свойствами трехфазных токов. Из этого вытекает, что и величины магнитных потоков, создаваемых токами I2 и I3 в стержнях обмоток BY и CZ, будут равны половине величины потока в стержне АХ и направлены будут в противоположную сторону. Общая сумма всех магнитных потоков в любой момент времени, опять таки, равняется нулю.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы уберем, единый центральный стержень всех трех трансформаторов, и соединим их ярма в верхней и нижней частях, как показано на рисунке 2. Теперь магнитному потоку из стержня АХ придется прокладывать себе путь через стержни BY и CZ, складывая свою магнитодвижущую силу воедино с их собственными МДС. Таким образом, мы получаем трехфазный трансформатор, имеющий единую магнитную цепь для всех его трех фаз.

рис.2

В связи с тем, что токовые фазы в трансформаторе смещены на треть периода, то и образуемые ими магнитные потоки аналогично смещены по времени на 1/3. Из этого понятно, что самые максимальные значения магнитных потоков в трансформаторе следуют один за другим через 1/3 периода.

Сдвиг на треть периода магнитных потоков вызывает аналогичный сдвиг электродвижущих сил, которые возникают как в первичных, так и во вторичных обмотках стержней трансформатора.

ЭДС первичных обмоток практически уравновешивают приложенное к ним трехфазное напряжение. А электрические движущие силы вторичных обмоток, если правильно соединить концы обмоток, дадут на выходе вторичное трехфазное напряжение, подающееся во вторичную цепь.

Конструктивно трехфазные трансформаторы делятся на стержневые и броневые.

Соответственно стержневые трехфазные трансформаторы можно разделить на трехфазные трансформаторы с симметричной и несимметричной магнитной цепью. Схематичные изображения этих трансформаторов приведены на рисунках 3 и 4. На рисунках четко видно, что оба вида трансформаторов представляют собой три стержня 1,2 и 3, объединенных сверху и снизу специальными накладками-ярмами. Каждый из стержней имеет первичную и вторичную обмотки одинаковой фазы. У трансформаторов с симметричной магнитной цепью стержни занимают положение вершин углов равностороннего треугольника. А у трансформаторов имеющих несимметричную магнитную цепь — размещены в одной плоскости.

При схеме размещения стержней по углам равностороннего треугольника все магнитные потоки разных фаз преодолевают одинаковое магнитное сопротивление, так как имеют совершенно одинаковые пути прохождения. Если присмотреться к схематическому изображению, то становится видно, что магнитный поток каждой фазы проходит полностью один из вертикальных стержней, а два других по половине.

На рисунке 3 показано пунктиром, как замыкается магнитный поток фазы стержня 2. Не трудно понять, что для остальных стержней пути, которые проходят их магнитные потоки фаз, совершенно одинаковы. Вследствие этого можно сделать вывод, что магнитные сопротивления для всех потоков трехфазного трансформатора одинаковы.

рис.3

Несколько иное положение дел в трансформаторах с несимметричной магнитной цепью. Тут магнитное сопротивление для потока средней фазы (стержень 2) меньше, чем для крайних потоков (стержни 1 и 3). Из рисунка 4 видно, что магнитный поток средней фазы проходит путь короче, чем магнитные потоки крайних фаз. Помимо этого, магнитные потоки крайних фаз проходят первую половину ярма полностью, а вторую половину ярма (после того, как часть потока устремилась в средний стержень) проходят только половины их потоков. Поток средней фазы при выходе его из среднего стержня сразу же разветвляется на две равные половины, которые и проходят по обеим частям ярма.

Ввиду вышесказанного становится понятным, что трехфазный трансформатор имеет большее насыщение ярма магнитными потоками крайних фаз, для них магнитное сопротивление является более значительным, чем для среднего потока.

В связи с тем, что несимметричные трансформаторы обладают неодинаковым сопротивлением для магнитных потоков различных фаз, это приводит к неравенству токов холостой работы в разных фазах при одинаковом фазном напряжении.

Однако если качественно собирать железо трансформаторных стержней этим неравенством токов можно пренебречь.

Просты в конструкции трехфазные трансформаторы с несимметричной магнитной цепью, что обусловило ее более активное применение. А  трансформаторы с симметричной магнитной цепью, наоборот, очень редко встречаются.

рис.4

Если еще раз взглянуть на схематические рисунки 3 и 4, то, беря за основу наличие токов во всех трех фазах, можно заметить, что все фазы связаны между собой магнитным потоком. Это означает, что магнитодвижущие силы каждой фазы трехфазного трансформатора влияют друг на друга, чего не может быть при использовании трех однофазных трансформаторов.

Еще одну крупную группу среди трехфазных трансформаторов составляют, так называемые, броневые трансформаторов. Броневой трехфазный трансформатор можно условно представит себе, как три однофазных, соединенных между собой ярмами.

На рисунке 5 представлен типовой броневой трехфазный трансформатор с вертикальными стержнями.

На рисунке четко видно, что данный трехфазный трансформатор может быть условно разделен линиями АВ и CD на три однофазных трансформатора. Причем магнитные потоки каждого однофазного броневого трансформатора проходят каждый по своей индивидуальной магнитной цепи.

На рисунке 5 пути прохождения этих магнитных потоков показаны пунктирными линиями.

Из рисунка можно определенно понять, что полный магнитный поток проходит только по вертикальным средним стержням а, с наложенными на них первичной и вторичной обмотками одной  и той же фазы. В то же время по ярмам  b-b и боковым стенкам проходит только половина потока. Выходит, что при одинаковой индукции, сечение среднего стержня а, должно вдвое превышать сечения боковых стенок и ярма трансформатора.

Относительно величины магнитного потока в промежуточных частях, показанных на рисунке, как с-с, то она зависит от способа подключения средней фазы трансформатора.

Броневой трехфазный трансформатор имеет преимущество, которое выгодно отличает их от стержневых, в нем есть небольшие трассы замыкания магнитных потоков и, как следствие, незначительные токи их холостой работы.

Броневой трехфазный трансформатор имеет недостаток — низкую доступность для ремонта обмоток и большую склонность к перегоранию.

Оставить комментарий