ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а в частности к трансформаторам, предназначенным для электропитания трехфазных потребителей энергии.
Известен трехфазный трансформатор (КИ № 119930, H01F 30/12, 27.08.2012), содержащий магнитопровод, состоящий из трех стержней и двух ярем, выполненных из электротехнической стали, первичные обмотки, соединенные по схеме «звезда», вторичные обмотки, соединенные по схеме «треугольник», намотанные на стержни, которые расщеплены на два участка, при этом на первый участок намотана первая секция вторичной обмотки, а второй участок имеет площадь поперечного сечения меньшую, чем первый участок, и на него намотана вторая секция вторичной обмотки, имеющая большее число витков по сравнению с числом витков первой секции вторичной обмотки, причем конец первой секции соединен с началом второй секции вторичной обмотки, первичная обмотка намотана на расщепленные стержни поверх секций вторичной обмотки.
Недостаток данного трехфазного трансформатора заключается в слабой магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трехфазного трансформатора из-за того, что каждый стержень магнитопровода разделен на два участка, разделеных воздушным зазором, из-за которого увеличиваются магнитное сопротивление стержня и величина потоков рассеяния. В результате отмеченного понижается КПД трехфазного трансформатора.
Известен трехфазный трансформатор тяговых подстанций постоянного тока, используемый в трансформаторном агрегате для электрифицированных железных дорог переменного тока (RU № 146074, H01F 30/12, 27.09.2014) и выбранный в качестве прототипа, содержит трехстержневой магнитопровод, стержни которого расщеплены на два участка, которые в верхней части стержня соединены ферромагнитными стопами, на стержни намотаны фазы вторичной обмотки, которая соединена с нагрузкой, сверху фаз вторичной обмотки намотаны фазы первичной обмотки, подключенной к питающей сети. Участки стержня в нижней части соединены ферромагнитными стопами, при этом на первый участок стержня намотана первая секция вторичной обмотки, на второй участок намотана вторая секция вторичной обмотки, имеющая большее число витков по сравнению с первой секцией вторичной обмотки, причем конец первой секции вторичной обмотки соединен с началом второй секции вторичной обмотки, на первый участок стержня насажены короткозамкнутые витки.
В прототипе из-за использования расщепленных на два участка стержней магнитная связь между первичной и вторичной обмотками проявляется слабо, т.к. первичная обмотка одновременно охватывает оба участка стержня, между которыми находится воздушный промежуток. Наличие воздушного промежутка ведет к увеличению магнитного сопротивления стержня, а, следовательно, к понижению КПД прототипа.
Задача полезной модели - увеличение КПД трехфазного трансформатора тяговых подстанций постоянного тока за счет усиления магнитной связи между первичной и вторичной обмотками фаз в результате разделения первичной обмотки на две последовательно соединенные секции, намотанные поверх секций вторичной обмотки.
Технический результат достигается тем, что в трехфазном трансформаторе тяговых подстанций постоянного тока, содержащем трехстержневой магнитопровод, стержни которого расщеплены на два участка, на стержни намотаны фазы вторичной обмотки, которая соединена с нагрузкой, сверху фаз вторичной обмотки намотаны фазы первичной обмотки, подключенной к питающей сети, при этом на первый участок стержня намотана первая секция вторичной обмотки, на второй участок намотана вторая секция вторичной обмотки, причем конец первой секции вторичной обмотки соединен с началом второй секции вторичной обмотки, на первый участок стержня насажены короткозамкнутые витки, вторая секция вторичной обмотки имеет меньшее число витков по сравнению с первой секцией вторичной обмотки, первичная обмотка разделена на две секции с одинаковым числом витков, при этом первая секция первичной обмотки намотана поверх первой секции вторичной обмотки, вторая секция первичной обмотки намотана поверх второй секции вторичной обмотки, при этом конец первой секции первичной обмотки соединен с началом второй секции первичной обмотки.
Заявленный трехфазный трансформатор тяговых подстанций постоянного тока поясняется чертежом. Устройство содержит трехстержневой магнитопровод, в состав которого входят ярма 1 и стержни 2. Стержни 2 расщеплены на два участка: первый 3 и второй 4. На первый участок 3 стержня 2 намотана первая секция 5 вторичной обмотки, на второй участок 4 стержня 2 намотана вторая секция 6 вторичной обмотки, имеющая меньшее число витков, чем первая секция 5 вторичной обмотки, причем конец первой секции 5 вторичной обмотки соединен с началом второй секции 6 вторичной обмотки. На первый участок 3 стержня 2 насажены короткозамкнутые витки 7, выполненные из меди или алюминия. Первичная обмотка разделена на две секции с одинаковым числом витков, при этом первая секция 8 первичной обмотки намотана поверх первой секции 5 вторичной обмотки, вторая секция 9 первичной обмотки намотана поверх второй секции 6 вторичной обмотки, конец первой секции 8 первичной обмотки соединен с началом второй секции 9 первичной обмотки. Фазы первичной обмотки могут быть соединены, например, по схеме «звезда», а вторичной - по схеме «треугольник».
Работа трехфазного трансформатора тяговых подстанций постоянного тока осуществляется следующим образом.
Короткозамкнутые витки 7 на первом участке 3 стержня 2 действуют размагничивающее на ферромагнитный материал участка 3 стержня 2, тем самым увеличивая его магнитную проницаемость, что эквивалентно увеличению его площади поперечного сечения. В связи с этим при анализе работы трансформатора считаем, что площадь эквивалентного поперечного сечения участка 3 стержня 2 больше площади поперечного сечения участка 4 стержня 2.
Подается напряжение на первичную обмотку трансформатора, состоящую из секций: первой 8 и второй 9, и по последним начинают протекать переменные токи, которые создают первичный магнитный поток, сцепляющийся с первой 5 и второй 6 секциями вторичной обмотки и индуцирующий в них переменные токи. Эти токи создают вторичный переменный поток. Результирующий переменный магнитный поток, состоящий из первичного и вторичного магнитных потоков, протекает по ярмам 1, по первому участку 3 и второму участку 4 расщепленного стержня 2. Результирующий магнитный поток, протекающий по первому участку 3 стержня 2, сцепляется с витками первой секции 5 и с короткозамкнутыми витками 7 и индуцирует в них ЭДС. Под действием этой ЭДС в короткозамкнутых витках 7 возникает переменный электрический ток, который создает переменный магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку, созданному током первичной обмотки и протекающему по первому участку 3 стержня 2. В результате результирующий магнитный поток на первом участке 3 стержня 2 уменьшается, поэтому уменьшается напряжение на первой секции 5 вторичной обмотки. Магнитный поток, протекающий по второму участку 4 стержня 2, больше магнитного потока, протекающего по первому участку 3 стержня 2. Он сцепляется с витками второй секции 6 вторичной обмотки и на ней появляется напряжение. Результирующее напряжение вторичной обмотки складывается из напряжения на первой секции 5 вторичной обмотки и напряжения второй секции 6 вторичной обмотки.
Так как первая секция 8 и вторая секция 9 первичной обмотки намотаны поверх первой секции 5 и второй секции 9 вторичной обмотки соответственно, магнитная связь между ними максимальна из-за того, что воздушный промежуток между первым 3 и вторым 4 участками стержня 2 не участвует в процессе передачи электромагнитной энергии из первичной во вторичную обмотку и потоки рассеяния минимальны.
При увеличении напряжения на первичной обмотке происходит увеличение тока, протекающего по секциям 8 и 9, следовательно, увеличивается переменный магнитный поток. Тогда из-за высокой магнитной индукции на втором участке 4 стержня 2 его материал переходит в состояние насыщения, и магнитное сопротивление второго участка 4 стержня 2 увеличивается, а величина переменного магнитного потока, проходящего через второй участок 4 стержня 2, уменьшается. В этом случае большая часть переменного магнитного потока ответвляется в первый участок 3 стержня 2, так как он обладает большей эквивалентной площадью поперечного сечения, и поэтому его материал ненасыщен и магнитное сопротивление первого участка 3 стержня 2 мало по сравнению с магнитным сопротивлением второго участка 4 стержня 2. Эта часть переменного магнитного потока сцепляется с витками первой секции 5 вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу, которая участвует в формировании напряжения на всей вторичной обмотке трансформатора. Уменьшение величины ЭДС, индуктируемой в секции 6 вторичной обмотки, с учетом того, что число витков в секции 6 больше, чем в секции 5, компенсирует увеличение напряжения вторичной обмотки из-за подъема напряжения на секциях 8 и 9 первичной обмотки. В результате сказанного напряжение вторичной обмотки, состоящей из первой секции 5 и второй секции 6, остается на заданном уровне.
При уменьшении напряжения на секциях 8 и 9 первичной обмотки ток, протекающий по первичной обмотке, будет уменьшаться, следовательно, он будет создавать меньший переменный магнитный поток, проходящий по магнитопроводу, состоящему из первого участка 3 и второго участка 4 стержней 2 и ярем 1. При этом участок магнитной цепи, а именно второй участок 4 стержня 2, на котором расположена вторая секция 6 вторичной обмотки, выйдет из состояния насыщения, то есть его магнитное сопротивление уменьшится. Переменный магнитный поток, проходящий по первому 3 и второму 4 участкам стержня 2, перераспределится между ними, и наведет в первой 5 и второй 6 секциях ЭДС, которые суммируются и формируют напряжение на вторичной обмотке, причем величина ЭДС; индуктируемой во второй секции 6, увеличится, что скомпенсирует влияние уменьшения напряжения на секциях 8 и 9 первичной обмотки, и напряжение вторичной обмотки, состоящей из секций 5 и 6, останется на заданном уровне.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый трехфазный трансформатор тяговых подстанций постоянного тока характеризуется более высоким КПД из-за сильной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками и минимальным значением потоков рассеяния.