Трифазний трансформатор, принцип роботи
Розберемо трифазний трансформатор, принцип роботи, Кому буде цікаво, підключайтеся, є корисні поради та пропозиції
Для того щоб отримати трифазний струм можна використовувати три абсолютно однакові однофазні трансформатори. При такому варіанті трансформації обмотки всіх трьох фаз не матимуть між собою ніякого зв'язку, оскільки кожна фаза матиме власний магнітний ланцюг.
Однак можна піти й іншим шляхом – зібрати єдиний трифазний трансформатор, всі обмотки якого будуть об'єднані між собою єдиним магнітним ланцюгом.
Для того щоб найпростіше зрозуміти, як влаштований і на яких принципах працює трифазний трансформатор, уявимо собі три окремі однофазні трансформатори, щільно приставлені один до одного таким чином, що їх три стрижні разом утворюють єдиний для всіх центральний стрижень (рис. 1). На вільні три стрижні намотані первинні і вторинні обмотки. Для того щоб було наочно, на малюнку 1 вторинні обмотки не показані.
За вихідний стан приймаємо те, що обмотки всіх трьох стрижнів абсолютно однакові і намотані в тому самому напрямку (на малюнку 1, якщо спостерігати зверху, вони намотані за годинниковою стрілкою). Верхні кінці обмоток з'єднуємо в нейтраль, а нижні підключаємо до трьох клем трифазної мережі.
Змінні струми в обмотках трансформатора викличуть магнітні потоки, що змінюються в часі, в стрижнях трансформатора, кожен з яких буде замикатися у власному магнітному ланцюгу. Причому в центральному складовому стрижні всі три магнітні потоки складаються і в сумі утворюють нуль. Це тому, що всі ці магнітні потоки утворюються симетричними трифазними струмами. А як відомо з електротехніки, сума їх миттєвих значень убудь-який момент часу дорівнює нулю.
Припустивши, що через обмотку АХ протікає найбільший струм I1 в напрямку, показаному на малюнку 1. Магнітний потік Ф, що ним створюється, володіючи найбільшим значенням, протікав би по центральному складовому стрижню зверху вниз. В інших двох обмотках, позначених малюнку як BY і CZ, які у той час протікають струми I2 і I3 були за величиною рівні половині величини струму I1 і спрямовані протилежну йому бік. Це зумовлено специфічними властивостями трифазних струмів. З цього випливає, що і величини магнітних потоків, створюваних струмами I2 і I3 в стрижнях обмоток BY і CZ, дорівнюватимуть половині величини потоку в стрижні АХ і будуть направлені в протилежний бік. Загальна сума всіх магнітних потоків у будь-який момент часу, знову ж таки, дорівнює нулю.
Тепер подивимося, що станеться, якщо ми приберемо, єдиний центральний стрижень усіх трьох трансформаторів, і з'єднаємо їх ярма у верхній та нижній частинах, як показано на малюнку 2. Тепер магнітному потоку зі стрижня АХ доведеться прокладати собі шлях через стрижні BY та CZ, складаючи свою магніторушійну силу воєдино зі своїми власними МДС. Таким чином, ми отримуємо трифазний трансформатор, що має єдиний магнітний ланцюг для всіх його трьох фаз.
У зв'язку з тим, що струмові фази в трансформаторі зміщені на третину періоду, то і магнітні потоки, що утворюються ними, аналогічно зміщені за часом на 1/3. З цього зрозуміло, що найбільші значення магнітних потоків у трансформаторі йдуть один за одним через 1/3 періоду.
Зсув на третину періоду магнітних потоків викликає аналогічне зрушення електрорушійних сил, які виникають як у первинних, так і у вторинних обмотках стрижнів трансформатора.
ЕРС первинних обмоток практичноврівноважують прикладену до них трифазну напругу. А електричні рушійні сили вторинних обмоток, якщо правильно з'єднати кінці обмоток, дадуть на виході вторинну трифазну напругу, що подається у ланцюг.
Конструктивно трифазні трансформатори поділяються на стрижневі та броньові.
Відповідно стрижневі трифазні трансформатори можна розділити на трифазні трансформатори з симетричним і несиметричним магнітним ланцюгом. Схематичні зображення цих трансформаторів наведені на малюнках 3 і 4. На малюнках чітко видно, що обидва види трансформаторів є три стрижні 1,2 і 3, об'єднаних зверху і знизу спеціальними накладками-ярмами. Кожен із стрижнів має первинну та вторинну обмотки однакової фази. У трансформаторів із симетричним магнітним ланцюгом стрижні займають положення вершин кутів рівностороннього трикутника. А у трансформаторів, які мають несиметричний магнітний ланцюг, розміщені в одній площині.
При схемі розміщення стрижнів по кутах рівностороннього трикутника всі магнітні потоки різних фаз долають однаковий магнітний опір, оскільки мають однакові шляхи проходження. Якщо придивитися до схематичного зображення, стає видно, що магнітний потік кожної фази проходить повністю один з вертикальних стрижнів, а два інших по половині.
На малюнку 3 показано пунктиром, як замикається магнітний потік фази стрижня 2. Не важко зрозуміти, що для решти стрижнів шляху, які проходять їх магнітні потоки фаз, абсолютно однакові. Внаслідок цього можна дійти невтішного висновку, що магнітні опори всім потоків трифазного трансформатора однакові.
Дещо інший стан справ у трансформаторах з несиметричним магнітним ланцюгом. Тут магнітнеопір для потоку середньої фази (стрижень 2) менший, ніж для крайніх потоків (стрижні 1 і 3). З малюнка 4 видно, що магнітний потік середньої фази проходить шлях коротше, ніж магнітні потоки крайніх фаз. Крім цього, магнітні потоки крайніх фаз проходять першу половину ярма повністю, а другу половину ярма (після того, як частина потоку прямувала до середнього стрижня) проходять лише половини їх потоків. Потік середньої фази при виході його з середнього стрижня відразу розгалужується на дві рівні половини, які і проходять по обох частинах ярма.
Зважаючи на вищесказане, стає зрозумілим, що трифазний трансформатор має більше насичення ярма магнітними потоками крайніх фаз, для них магнітний опір є більш значним, ніж для середнього потоку.
У зв'язку з тим, що несиметричні трансформатори мають неоднаковий опір для магнітних потоків різних фаз, це призводить до нерівності струмів холостої роботи в різних фазах при однаковому фазному напрузі.
Однак якщо якісно збирати залізо трансформаторних стрижнів цією нерівністю струмів можна знехтувати.
Прості в конструкції трифазні трансформатори з несиметричним магнітним ланцюгом, що зумовило її активніше застосування. А трансформатори із симетричним магнітним ланцюгом, навпаки, дуже рідко зустрічаються.
Якщо ще раз подивитись схематичні малюнки 3 і 4, то, беручи за основу наявність струмів у всіх трьох фазах, можна помітити, що всі фази пов'язані між собою магнітним потоком. Це означає, що магніторушійні сили кожної фази трифазного трансформатора впливають одна на одну, чого не може бути при використанні трьох однофазних трансформаторів.
Ще одну велику групу серед трифазних трансформаторів складають, такзвані, броньові трансформатори. Броньовий трифазний трансформатор можна умовно уявити собі, як три однофазні, з'єднані між собою ярмами.
На малюнку 5 представлений типовий броньовий трифазний трансформатор із вертикальними стрижнями.
На малюнку чітко видно, що даний трифазний трансформатор може бути умовно розділений лініями АВ та CD на три однофазні трансформатори. Причому магнітні потоки кожного однофазного броньового трансформатора проходять кожен за своїм індивідуальним магнітним ланцюгом.
На малюнку 5 шляхи проходження цих магнітних потоків показані пунктирними лініями.
З малюнка можна виразно зрозуміти, що повний магнітний потік проходить тільки по вертикальних середніх стрижнях, з накладеними на них первинної і вторинної обмотками однієї і тієї ж фази. У той же час по ярмах b-b та бокових стінок проходить лише половина потоку. Виходить, що при однаковій індукції, переріз середнього стрижня а повинен вдвічі перевищувати перерізи бічних стінок і ярма трансформатора.
Щодо величини магнітного потоку в проміжних частинах, показаних на малюнку, як с-с, то вона залежить від способу підключення середньої фази трансформатора.
Броньовий трифазний трансформатор має перевагу, яка вигідно відрізняє їх від стрижневих, у ньому є невеликі траси замикання магнітних потоків і, як наслідок, незначні струми їхньої холостої роботи.
Броньовий трифазний трансформатор має недолік - низьку доступність для ремонту обмоток і більшу схильність до перегорання.