Zasada działania i urządzenie transformatorów trójfazowych

Prąd trójfazowy można przekształcić za pomocą trzech całkowicie oddzielnych transformatorów jednofazowych. W tym przypadku uzwojenia wszystkich trzech faz nie są ze sobą połączone magnetycznie: każda faza ma swój własny obwód magnetyczny. Ale ten sam prąd trójfazowy można przekształcić za pomocą jednego transformatora trójfazowego, w którym uzwojenia wszystkich trzech faz są ze sobą magnetycznie połączone, ponieważ mają wspólny obwód magnetyczny.

Aby wyjaśnić zasadę działania i urządzenie transformatora trójfazowego, wyobraź sobie trzy transformator jednofazowy, połączone ze sobą tak, że ich trzy pręty tworzą jeden wspólny środkowy pręt (ryc. 1). Na każdym z pozostałych trzech prętów nakładają się uzwojenia pierwotne i wtórne (na ryc. 1 uzwojenia wtórne nie są pokazane).

Załóżmy, że uzwojenia pierwotne na wszystkich nogach transformatora są dokładnie takie same i uzwojone w tym samym kierunku (na ryc. 1 uzwojenia pierwotne są uzwojone zgodnie z ruchem wskazówek zegara, patrząc z góry).Łączymy wszystkie górne końce cewek z neutralnym O i doprowadzamy dolne końce cewek do trzech zacisków sieci trójfazowej.

Obrazek 1.

Prądy w uzwojeniach transformatora wytwarzają zmienne w czasie strumienie magnetyczne, z których każdy zamyka się we własnym obwodzie magnetycznym. W centralnym pręcie kompozytowym strumienie magnetyczne sumują się w sumie do zera, ponieważ strumienie te są tworzone przez symetryczne prądy trójfazowe, względem których wiemy, że suma ich wartości chwilowych jest zawsze równa zeru.

Na przykład, jeśli prąd w cewce AX I, był największy i odbywał się w miejscu wskazanym na rys. 1 kierunek, wówczas strumień magnetyczny byłby równy jego największej wartości Ф i został skierowany do centralnego pręta kompozytowego od góry do dołu. W pozostałych dwóch cewkach BY i CZ prądy I2 i Az3 w tym samym momencie są równe połowie największego prądu i mają zwrot przeciwny do prądu w cewce AX (jest to własność trzech prądy fazowe). Z tego powodu w prętach cewek BY i CZ strumienie magnetyczne będą równe połowie strumienia maksymalnego, aw środkowym pręcie kompozytowym będą miały kierunek przeciwny do strumienia cewki AX. Suma przepływów w danym momencie wynosi zero. To samo dotyczy każdej innej chwili.

Brak przepływu w środkowym słupku nie oznacza braku przepływu w pozostałych słupkach. Jeśli zniszczymy pręt centralny i połączymy górne i dolne jarzma we wspólne jarzma (patrz rys. 2), to strumień cewki AX przedostanie się przez rdzenie cewek BY i CZ, a siły magnetomotoryczne tych cewki będą sumować się z siłą magnetomotoryczną cewki AX. W tym przypadku otrzymalibyśmy transformator trójfazowy ze wspólnym obwodem magnetycznym dla wszystkich trzech faz.

Rysunek 2.

Ponieważ prądy w cewkach są przesunięte w fazie o 1/3 okresu, wytwarzane przez nie strumienie magnetyczne są również przesunięte w czasie o 1/3 okresu, tj. największe wartości strumieni magnetycznych w prętach i cewkach następują po sobie po 1/3 okresu...

Konsekwencją przesunięcia fazowego strumieni magnetycznych w rdzeniach o 1/3 okresu jest to samo przesunięcie fazowe i siły elektromotoryczne indukowane zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym, działające na pręty. Siły elektromotoryczne uzwojeń pierwotnych prawie równoważą przyłożone napięcie trójfazowe Siły elektromotoryczne uzwojeń wtórnych przy prawidłowym połączeniu końców cewek dają trójfazowe napięcie wtórne, które podawane jest do obwodu wtórnego.

Jeśli chodzi o budowę obwodu magnetycznego, transformatory trójfazowe, podobnie jak jednofazowe, są podzielone na ryc. 2. i opancerzony.

Trójfazowe transformatory prętowe dzielą się na:

a) transformatory z symetrycznym obwodem magnetycznym i

b) transformatory z asymetrycznym obwodem magnetycznym.

na ryc. 3 schematycznie pokazuje transformator suwakowy z symetrycznym obwodem magnetycznym, a na ryc. 4 przedstawia transformator prętowy z niezrównoważonym obwodem magnetycznym. Jak widać po trzech żelaznych prętach 1, 2 i 3, zaciśniętych z góry i z dołu przez żelazne płyty jarzmowe. Na każdej nodze znajdują się cewki pierwotne I i wtórne II jednej fazy transformatora.

Rysunek 3.

W pierwszym transformatorze pręty znajdują się na wierzchołkach kątów trójkąta równobocznego; drugi transformator ma pręty w tej samej płaszczyźnie.

Ułożenie prętów w wierzchołkach rogów trójkąta równobocznego daje równe opory magnetyczne dla strumieni magnetycznych wszystkich trzech faz, ponieważ ścieżki tych strumieni są takie same. W rzeczywistości strumienie magnetyczne trzech faz przechodzą oddzielnie przez jeden pionowy pręt całkowicie i przez pozostałe dwa pręty w połowie.

na ryc. 3 linią przerywaną pokazano sposoby zamykania strumienia magnetycznego fazy pręta 2. Łatwo zauważyć, że dla strumieni faz prętów 1 i 3 sposoby zamykania ich strumieni magnetycznych są dokładnie takie same. Oznacza to, że rozważany transformator ma takie same opory magnetyczne dla strumieni.

Ułożenie prętów w jednej płaszczyźnie prowadzi do tego, że opór magnetyczny dla strumienia fazy środkowej (na rys. 4 dla fazy pręta 2) jest mniejszy niż dla strumieni faz końcowych (na rys. 4). 4 — dla faz prętów 1 i 3).

Rysunek 4.

W rzeczywistości strumienie magnetyczne faz końcowych poruszają się po nieco dłuższych ścieżkach niż strumień fazy środkowej. Co więcej, przepływ faz końcowych wychodzących z ich prętów odbywa się w całości w jednej połowie jarzma, a tylko w drugiej połowie (po rozgałęzieniu w środkowym pręcie) jego połowa przechodzi. Przepływ w połowie fazy na wylocie pręta pionowego natychmiast rozdziela się na dwie połowy, a zatem tylko połowa przepływu w fazie środkowej przechodzi do dwóch części jarzma.

Zatem strumienie faz końcowych nasycają jarzmo w większym stopniu niż strumień fazy środkowej, a zatem opór magnetyczny dla strumieni faz końcowych jest większy niż dla strumienia fazy środkowej.

Konsekwencją nierówności rezystancji magnetycznych dla strumieni różnych faz transformatora trójfazowego jest nierówność prądów biegu jałowego w poszczególnych fazach przy tym samym napięciu fazowym.

Jednak przy niskim nasyceniu żelazem jarzmowym i dobrym montażu pręta żelaznego ta nierówność prądu jest pomijalna. Ponieważ budowa transformatorów z asymetrycznym obwodem magnetycznym jest znacznie prostsza niż transformatorów z symetrycznym obwodem magnetycznym, pierwsze transformatory okazały się być najczęściej stosowane.Przekładniki z symetrycznym obwodem magnetycznym są rzadkością.

Biorąc pod uwagę rys. 3 i 4 i zakładając, że prądy płyną przez wszystkie trzy fazy, łatwo zauważyć, że wszystkie fazy są ze sobą sprzężone magnetycznie. Oznacza to, że siły magnetomotoryczne poszczególnych faz oddziałują na siebie, czego nie mamy, gdy prąd trójfazowy jest przetwarzany przez trzy transformatory jednofazowe.

Drugą grupą transformatorów trójfazowych są transformatory pancerne. Transformator pancerny można traktować tak, jakby składał się z trzech jednofazowych transformatorów pancernych połączonych ze sobą jarzmem.

na ryc. 5 schematycznie przedstawia opancerzony transformator trójfazowy z pionowo umieszczonym rdzeniem wewnętrznym.Z rysunku łatwo zauważyć, że poprzez płaszczyzny AB i CD można go podzielić na trzy jednofazowe transformatory pancerne, których strumienie magnetyczne można każdy zamknięty we własnym obwodzie magnetycznym. Ścieżki strumienia magnetycznego na ryc. 5 zaznaczono liniami przerywanymi.

Rysunek 5.

Jak widać z rysunku, w środkowych pionowych prętach a, na które nakładają się uzwojenia pierwotne I i wtórne II tej samej fazy, przepływa pełny strumień, podczas gdy w jarzmach b-b i ścianach bocznych przepływa połowa strumienia . Przy tej samej indukcji przekroje jarzma i ścian bocznych powinny być równe połowie przekroju środkowego pręta a.

Jeśli chodzi o strumień magnetyczny w częściach pośrednich c — c, jego wartość, jak zobaczymy poniżej, zależy od sposobu włączenia fazy środkowej.

Główną zaletą transformatorów twornikowych w porównaniu z transformatorami prętowymi są krótkie ścieżki zamykania strumienia magnetycznego, a tym samym niskie prądy jałowe.

Wady transformatorów pancernych to po pierwsze mała dostępność uzwojeń do naprawy, ze względu na to, że są one otoczone żelazem, a po drugie najgorsze warunki chłodzenia uzwojenia — z tego samego powodu.

W transformatorach prętowych uzwojenia są prawie całkowicie otwarte, dzięki czemu są bardziej dostępne do kontroli i naprawy, a także dla czynnika chłodzącego.

Trójfazowy transformator olejowy z zbiornikiem rurowym: 1 — koła pasowe, 2 — zawór spustowy oleju, 3 — cylinder izolacyjny, 4 — uzwojenie wysokiego napięcia, 5 — uzwojenie niskiego napięcia, 6 — rdzeń, 7 — termometr, 8 — zaciski do niskie napięcie, 9 — zaciski wysokiego napięcia, 10 — zbiornik oleju, 11 — przekaźniki gazu, 12 — wskaźnik poziomu oleju, 13 — grzejniki.

Więcej szczegółów na temat urządzenia transformatorów trójfazowych: Transformatory mocy — urządzenie i zasada działania