Принцип дії і пристрій трифазних трансформаторів

Трифазний струм можна трансформувати 3-ма зовсім окремими однофазними трансформаторами. В даному випадку обмотки всіх 3-х фаз магнітно не пов`язані разом: будь-яка фаза має свою магнітну ланцюг. Але той же трифазний струм можна трансформувати і одним трифазним трансформатором, у якого обмотки всіх 3-х фаз магнітно пов`язані між собою, тому що мають загальну магнітну ланцюг.

Щоб усвідомити для себе принцип дії і пристрої трифазного трансформатора, уявімо собі три однофазних трансформатора, приставлених один до іншого так, що три стержня їх утворюють один загальний центральний стержень (рис. 1). На кожному з інших 3-х стержнів накладені первинні і вторинні обмотки (на рис. 1 вторинні обмотки НЕ зображені).

Уявімо, що первинні котушки всіх стрижнів трансформатора дуже схожі і намотані в одному напрямку (на рис. 1 первинні котушки намотані за годинниковою стрілкою, якщо дивитися на їх зверху). З`єднаємо всі верхні кінці котушок в нейтраль О, а нижні кінці котушок підведемо до трьох затискачів трифазної мережі.

Малюнок 1.

Токи в котушках трансформатора створять змінні в часі магнітні потоки, які будуть замикатися кожен у власній магнітного ланцюга. У центральному складеному стрижні магнітні потоки складуться і в сумі дадуть нуль, бо ці потоки створюються симетричними трифазними струмами, щодо яких ми знаємо, що сума миттєвих значень їх дорівнює нулю в будь-який момент часу.

Наприклад, якщо б в котушці АХ ток I, був більший і проходив в позначеному на рис. 1 напрямку, то магнітний потік був би рівний більшому своїм значенням Ф і був орієнтований в центральному складеному стрижні зверху вниз. У 2-ух інших котушках BY і CZ струми I2 і I3 в той же момент часу рівні половині більшого струму і мають оборотне напрямок по відношенню до струму в котушці АХ (така властивість трифазних струмів). З цієї причини в стрижнях котушок BY і CZ магнітні потоки будуть рівні половині більшого потоку і в центральному складеному стрижні матимуть зворотний напрямок по відношенню до потоку котушки АХ. Сума потоків у розглянутий момент дорівнює нулю. Те ж саме має місце і для будь-якого іншого моменту.

Відсутність потоку в центральному стрижні не означає відсутності потоків в інших стержнях. Якщо б ми прибрали центральний стрижень, а верхні і нижні ярма з`єднали в загальні ярма (див. Рис. 2), то потік котушки АХ відшукав би для себе шлях через сердечники котушок BY і CZ, при цьому магніторушійних сили цих котушок склалися б з магніторушійної силою котушки АХ. В такому випадку ми отримали б трифазний трансформатор з загальною магнітного ланцюгом всіх 3-х фаз.

Малюнок 2.

Тому що струми в котушках зрушені по фазі на 1/3 періоду, то і створювані ними магнітні потоки також зрушені в часі на 1/3 періоду, т. Е. Найбільші значення магнітних потоків в стрижнях котушок слідують послідовно через 1/3 періоду.

Наслідком зсуву по фазі магнітних потоків в сердечниках на 1/3 періоду є такою ж зсув по фазі і електрорухомий сил, індукованих як в первинних, так і у вторинних котушках, накладених на стрижнях. Електрорушійні сили первинних котушок практично врівноважують прикладена трифазну напругу. Електрорушійні сили вторинних котушок при правильному з`єднанні кінців котушок дають трифазне вторинна напруга, що подається у вторинний ланцюг.

До конструкції магнітного ланцюга трифазні трансформатори, як і однофазні, діляться на стрижневі рис. 2. і броньові.

Стрижневі трифазні трансформатори поділяються на:

а) трансформатори із симетричною магнітної ланцюгом

б) трансформатори з несиметричною магнітної ланцюгом.

На рис. 3 схематично зображено стрижневий трансформатор з симетричною магнітної ланцюгом, а на рис. 4 зображений стрижневий трансформатор з несиметричною магнітної ланцюгом. Як видно з з 3-х сталевих стрижнів 1, 2 і 3, схоплених зверху і знизу сталевими накладками-ярмамі. На кожному стрижні знаходяться первинна I і вторинна II котушки однієї фази трансформатора.

У першого трансформатора стрижні розміщені по верхівках кутів рівностороннього треугольніка- у другого трансформатора стрижні розміщені в одній площині.

Розміщення стрижнів по верхівках кутів рівностороннього трикутника дає рівні магнітні опору для магнітних потоків всіх 3-х фаз, тому що шляхи проходження цих потоків схожі. По правді, магнітні потоки 3-х фаз проходять кожен окремо через один вертикальний стрижень стовідсотково і через два інших стрижня але половині.

На рис. 3 пунктиром зображені шляху замикання магнітного потоку фази стержня 2. Легко бачити, що для потоків фаз стрижнів 1 і 3 шляху замикання їх магнітних потоків дуже схожі. Це означає, що у розглянутого трансформатора магнітні опору для потоків рівні між собою.

Розміщення стрижнів в одній площині призводить до того, що магнітне опір для потоку середньої фази (на рис. 4 для фази стрижня 2) менше, ніж для потоків останніх фаз (на рис. 4 - для фаз стрижнів 1 і 3).

Малюнок 4.

Магнітні потоки останніх фаз проходять по трохи довшим шляхах, ніж потік середньої фази. Крім того, потік останніх фаз, вийшовши зі своїх стрижнів, проходить в одній половині ярма стовідсотково, і виключно в іншій половині (після відгалуження в середній стрижень) проходить його половина. Потік ж середньої фази після виходу з вертикального стрижня негайно ж розгалужується на дві половини, і тому в обох частинах ярма проходить тільки половина потоку середньої фази.

Таким чином потоки останніх фаз насичують ярмо в основному, ніж потік середньої фази, а тому магнітне опір для потоків останніх фаз більше, ніж для потоку середньої фази.

Наслідком нерівності магнітних опорів для потоків різних фаз трифазного трансформатора є нерівність струмів холостий роботи в окремих фазах при одному і тому ж фазному напрузі.

Але при маленький насиченості заліза ярма і непоганий збірці заліза стрижнів це нерівність струмів неважливо. Тому що конструкція трансформаторів з несиметричною магнітної ланцюгом істотно простіше, ніж трансформатора із симетричною магнітної ланцюгом, то 1-і трансформатори і відшукали для себе переважне застосування. Трансформатори з симетричним магнітним ланцюгом зустрічаються рідко.

Розглядаючи рис. 3 і 4 і припускаючи, що у всіх 3-х фазах проходять струми, просто спостерігати, що все фази магнітно пов`язані разом. Це означає, що магніторушійних сили окремих фаз впливають один на одного, чого ми не маємо, коли трифазний струм трансформується 3-ма однофазними трансформаторами.

Другу групу трифазних трансформаторів складають броньові трансформатори. Бронєвой трансформатор можна розглядати начебто складається з 3-х однофазних броньових трансформаторів, приставлених один до іншого своїми ярмамі.

На рис. 5 схематично зображено броньовий трифазний трансформатор з вертикально розміщеним внутрішнім стрижнем. Легко бачити з малюнка, що площинами АВ і CD він може бути розбитий на три однофазних броньових трансформатора, магнітні потоки яких можуть замикатися кожен за власною магнітного ланцюга. Шляхи проходження магнітних потоків на рис. 5 вказані пунктирними лініями.

Малюнок 5.

Як видно з малюнка, в середніх вертикальних стрижнях а, на яких накладено первинна I і вторинна II обмотки однієї фази, проходить повний потік, тоді як в ярмах b-b і бічних стінах проходить по половині потоку. При одній і тій же індукції перетину ярма і бічних стін повинні бути в два рази менше перетину середнього стержня а.

Що стосується магнітного потоку в проміжних частинах с-с, то його величина, як ми побачимо далі, залежить від методу включення середньої фази.

Основною перевагою броньових трансформаторів перед стрижневими трансформаторами є короткі шляхи замикання магнітних потоків, а як слід, маленькі струми холостий роботи.

До недоліків броньових трансформаторів можна віднести, по-1-х, малу доступність обмоток для ремонту, з огляду на те, що вони оточені залізом, і, по-2-х, гірші умови охолодження обмотки - з тієї ж причини.

У стрижневих трансформаторів обмотки практично повністю відкриті і тому більш доступні для огляду і ремонту, також і для охолоджуючої середовища.