ТРЁХФАЗНО-ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ЕВСЕЕВА
THREE-PHASE-SINGLE-PHASE TRANSFORMER OF EVSEEV

Изобретение относится к схемам распределительных сетей переменного тока и может быть использовано для питания однофазных потребителей бытового и промышленного назначения от трехфазной сети.
Известно устройство для симметричного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, представляющее из себя трехфазный разделительный одно- или многообмоточный (во вторичной цепи) трансформатор потребителя, отличающийся тем, что каждая из вторичных обмоток имеет независимые от основной обмотки дополнительные витки, предназначенные для компенсации падения напряжения на линии, а каждый из потребителей многообмоточного разделительного трансформатора запитан от своей или от общей (для однообмоточного трехфазного трансформатора) вторичной обмотки, в которой линия каждого потребителя запитана от трех фазных катушек трансформатора, соединенных последовательно, любые две из которых включены согласованно, а третья - встречно (см. RU 2506676 C2, кл. H02J 3/00).
Недостатком известного решения является сложность и избыточная материалоемкость.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом является устройство для равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети, содержащее первичные трансформаторные обмотки и соединенные встречно вторичные трансформаторные обмотки, в котором количество первичных обмоток всего две, первичные обмотки соединены последовательно согласованно, и подключены к фазным входам устройства так, что точка соединения первичных обмоток соединена со входом одной из трех фаз, а другие концы первичных обмоток соединены с соответствующими входами двух других фаз, количество вторичных обмоток также всего две, вторичные обмотки соединены последовательно и концы их последовательного соединения подключены к выходам устройства (См. RU 2591040 C1, кл. H02J 3/26).
Недостатком известного устройства является избыточная материалоемкость, обусловленная требованиями большого количества провода для намотки обмоток, что в свою очередь приводит к увеличению массогабаритных параметров известного решения.
Кроме того, намотка большого количества витков снижает технологичность изготовления, влечет усложнение конструкции и снижение КПД.
Техническим результатом является снижение материалоемкости и массогабаритных параметров устройства, упрощение конструкции, повышение технологичности изготовления и увеличение КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что в трехфазно-однофазном трансформаторе, содержащем магнитопровод, две соединенные последовательно первичные обмотки, магнитопровод выполнен трехстержневым, первичные обмотки намотаны на двух крайних стержнях магнитопровода и соединены последовательно встречно, так, что соединенные выводы первичных обмоток являются одним из фазных входов, а другие выводы первичных обмоток являются двумя другими соответствующими фазными входами, при этом вторичная обмотка является единственной и намотана на среднем стержне, ширина которого составляет величину, в  раз большую ширины крайних стержней.
Кроме того:
- соединенными являются начала первичных обмоток или концы первичных обмоток,
- крайние стержни магнитопровода выполнены равного сечения,
- стержни магнитопровода выполнены прямоугольного сечения.
Конструкция трехфазно-однофазного трансформатора Евсеева поясняется с помощью чертежей, где на Фиг. 1 схематично показано расположение обмоток трансформатора относительно магнитопровода, на Фиг. 2 - схема соединения обмоток трехфазно-однофазного трансформатора.
На чертеже сделаны следующие обозначения.
1 и 2 - первичные обмотки, 3 - вторичная обмотка, 4 - зажимы на фазных входах устройства, 5 - зажимы на выходах устройства, 6 - ширина крайних стержней, 7 - ширина среднего стержня.
Трехфазно-однофазный трансформатор выполнен на трехстержневом магнитопроводе и содержит две 1 и 2 первичных обмотки и одну вторичную 3 обмотку. Первичные обмотки намотаны на двух крайних стержнях магнитопровода и соединены последовательно встречно, так что начало обмотки 1 соединено с началом обмотки 2, при этом соединение выводов обмоток подключено к соответствующему зажиму 4 и является одним из трех фазных входов фазы В1 питающей сети. Конец обмотки 1 соединен с соответствующим зажимом 4 и является фазным входом фазы А1, а конец обмотки 2 соединен с соответствующим зажимом 4 и является фазным входом фазы С1. Зажимы 4 предназначены для подключения к трехфазной питающей сети.
Вторичная обмотка 3 намотана на среднем стержне магнитопровода и ее выводы являются выходами D1 и D2 устройства и соединены с соответствующими зажимами 5, предназначенными для подключения однофазного потребителя.
Магнитопровод выполнен трехстержневой формы, при этом стержни имеют прямоугольное сечение, характеризуемое толщиной набора пластин магнитопровода и шириной этих пластин, при этом ширина и сечение крайних стержней равны между собой, а ширина среднего стержня выполнена в  раз больше ширины крайних стержней.
Трехфазно-однофазный трансформатор работает следующим образом.
Трехфазно-однофазный трансформатор обеспечивает преобразование энергии трехфазной сети в энергию для питания однофазной нагрузки, симметрично отбирая мощность от всех трех фаз питающей сети.
Входное трехфазное напряжение фаз A1, В1 и С1 прикладывают к последовательно встречно соединенным первичным обмоткам трансформатора. Выходное напряжение снимают с выводов D1 и D2 вторичной обмотки.
При подключенном к зажимам D1 и D2 потребителе (нагрузке) в обмотках трансформатора протекают токи. При этом токи фаз А1 и С1 равны между собой по величине, а ток фазы В1 имеет вдвое большую величину, поскольку к этой фазе подключены выводы двух первичных обмоток трансформатора. Таким образом, потребление мощности по фазе В1 составляет 50% от общего потребления мощности, а потребление по фазам А1 и С1 составляет по 25% от общего потребления. Такое же распределение мощностей по фазам (25% - 50% - 25%) обеспечивает известное устройство, однако оно требует использования значительно большего количества трансформаторной стали и обмоточного провода.
Поскольку первичные обмотки соединены встречно, магнитные потоки, создаваемые обмотками на крайних стержнях, вычитаются один из другого. Направления векторов напряжения фаз трехфазной сети отличаются на угол 120°, на такой же угол отличаются и направления векторов магнитных потоков. Модуль вектора разностного магнитного потока имеет величину в  раз больше, чем векторов магнитных потоков в крайних стержнях,
Ширина среднего стержня также в  раз больше ширины крайних стержней, и так как толщина набора пластин для всех трех стержней одинакова, то и сечение среднего стержня магнитопровода в  раз больше, чем сечение крайних стержней.
Электродвижущая сила (ЭДС) витка катушки пропорциональна величине магнитного потока индукции, в силу чего ЭДС витка вторичной обмотки в  раз больше ЭДС витка первичной обмотки.
Снижение расхода провода по сравнению с известным решением обусловлено следующими двумя причинами.
Во-первых, увеличение площади сечения среднего стержня в  раз увеличило ЭДС одного витка вторичной обмотки также в  раз, но длина витка при этом увеличивается меньше, чем в  раз. Это обусловлено тем, что при увеличении ширины стороны прямоугольника его площадь растет быстрее, чем периметр.
Во-вторых, в трансформаторе выходное напряжение обеспечивается одной вторичной обмоткой, и векторное суммирование напряжений отсутствует, в то время как в известном решении выходное напряжение получается путем векторного суммирования напряжений двух вторичных обмоток, что приводит к избыточному числу витков в . Так, в известном решении для получения напряжения 220B требуются 2 обмотки по 127B , в то же время 127+127=254B, т.е. витки на 34B (254-220) являются избыточными, но на них тратится провод и они генерируют дополнительное тепло, снижая КПД.
Согласно расчетам, требуемое количество (масса) провода вторичной обмотки в трансформаторе может быть снижено примерно на 40% в сравнении с массой вторичных обмоток известного решения, а общее снижение массы всех обмоток (первичных и вторичных) составляет около 20%. Снижение расхода провода приводит к повышению КПД и упрощению конструкции катушек.
Несмотря на простоту конструкции трансформатора, уровень техники не содержит решений, характеризующихся совокупностью сформулированных признаков, в частности отсутствуют описания подобных трехфазных трехстержневых трансформаторов со стержнями, имеющими не одинаковое сечение. Более того, выполнение стержней не одинакового сечения, но предусматривающее указанное соотношение между сечениями центрального и крайних стержней одновременно с наличием всего двух первичных обмоток, включенных последовательно встречно, формируют не очевидную комбинацию признаков, обеспечивающих достижение технического результата.
Трехфазно-однофазный трансформатор содержит всего три обмотки, т.е. минимально возможное их количество, так как к трем фазам не может быть подключено менее двух обмоток, а нагрузка не может питаться менее чем от одной обмотки, что обуславливает простоту конструкции и технологичность изготовления.
Уменьшение количества обмоток обеспечивает упрощение конструкции и повышает технологичность изготовления устройства, требующего меньшей намотки, с одновременным снижением массогабаритных параметров устройства. Уменьшение количества витков обмоток также влечет снижение материалоемкости.
Повышение КПД устройства обеспечивается благодаря меньшему требуемому количеству провода, что приводит к снижению потерь в обмотках, а также благодаря уменьшению массы магнитопровода, что позволяет снизить потери в трансформаторной стали.
Трехфазно-однофазный трансформатор также обеспечивает симметричное распределение однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети.
Трехфазно-однофазный трансформатор может быть изготовлен с использованием стандартного трансформаторного железа и обмоточной проволоки.
Таким образом, трехфазно-однофазный трансформатор Евсеева обладает более низкими материалоемкостью, массой и габаритами, имеет более простую конструкцию, более технологичен и обладает более высоким КПД.