ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Изобретение относится к области трансформаторостроения и может быть использовано в различных электротехнических системах, в основе которых в качестве преобразователей переменного тока (напряжения) применяются трехфазные трансформаторы (Тр).
Целью предлагаемой полезной модели является - улучшение технических характеристик трехфазного трансформатора при максимально упрощенных его электрических связей во вторичной обмотке.
Известно, что главный недостаток существующих трансформаторов состоит в том, что токи в первичной и во вторичных обмотках не находятся в противофазе, ибо ток во вторичной обмотке зависит как от величины, так и от характера нагрузки. Вследствие чего перенос энергии из первичной обмотки во вторичную связан с большими потерями в стали магнитопровода Тр. Для устранения этого недостатка предложено несколько схем, на которые получены патенты №№56064, 2324992, 76159.
Ближайшими прототипами предлагаемой модели являются - Классические схемы трехфазных трансформаторов, рассмотренные в работе П.М.Тихомирова - "Расчет трансформаторов".М:. Энергоиздат, 1986 г., и в работе М.М.Кацмана "Электрические машины".М.: "Высшая школа", 1990 г. Основываясь на новинках по патентам №№56064, 2324992, 76159, авторы провели теоретические и экспериментальные исследования с трехфазными Тр малой и средней мощности (до 1 кВт). Результаты исследований показали, что технические характеристики трехфазных Тр не лучше однофазных и, вводя схемные решения, их можно значительно улучшить.
Трехфазный трансформатор - это достаточно сложная электромагнитная система. В простейшем виде он представляет собой - единый магнитопровод (МП) и шесть обмоток - три первичные и три вторичные. Все обмотки, по которым протекает ток, связаны между собой взаимной индукцией. Средняя длина МП для различных магнитных потоков, создаваемых обмотками, оказывается разной. На стыках ярм и стержней МП - из-за взаимного влияния магнитных моментов соседних микрочастиц - магнитное сопротивление МП возрастает. Все это в конечном итоге - как и в однофазных трансформаторах - приводит к тому, что токи в первичных и вторичных обмотках оказываются не в противофазах. В результате чего создаются дополнительные потери в Тр. Более того, аварийный случай в одной фазе приводит к выходу из строя Тр в целом. Как показали экспериментальные исследования в трехфазных Тр потери значительно выше, чем в однофазных.
Для устранения или, по крайней мере, для уменьшения указанных недостатков предлагается модель Тр, изображенная на фиг.1, 2.
Она включает в себя - три самостоятельных магнитопровода со скругленными по радиусу, равному половине ширины окон верхней и нижней частями, для уменьшения габаритных размеров и с целью минимизации влияния магнитных потоков рассеивания соседних обмоток плоскости МП развернуты на 120°, МП сходятся в центре, образуя средний стержень (СрСт), см. фиг.1, 2. На каждом магнитопроводе размещаются первичные и вторичные обмотки (фиг.1, 2), а на среднем стержне обмотки обратной связи, выполненные по схеме фиг.3.
Скруглением верхних и нижних частей МП достигается меньшее магнитное сопротивление, все МП могут быть выполнены с одинаковой средней линией. На среднем стержне, который по площади сечения должен быть равен трем площадям сечения каждого МП, можно разместить обмотки отрицательной обратной связи (ООС).
1
2
б2
б1
1
2
Обмотка ООС одним своим выводом электрически связана с двумя встречно включенными диодами (VD1, VD2), противоположные выводы диодов электрически связываются с двумя последовательно включенными конденсаторами (С, С) и параллельно подключенным к ним балластным сопротивлением (R). Второй вывод обмотки электрически через балластное сопротивление (R) связывается со средней точкой двух последовательно включенных конденсаторов (C, C). Все устройство в целом в последующем для сокращения назовем демпфером.
Назначение демпфера состоит в том, чтобы:
Во-первых, снизить магнитное сопротивление среднего стержня МП за счет создания постоянного подмагничивания. Что обеспечивается разрядом конденсаторов.
Во-вторых, симметрировать магнитные потоки в ветвях МП.
Принцип работы демпфера состоит в следующем.
1
2
б1
б2
По среднему стержню МП будет протекать бегущая магнитная волна, обусловленная магнитными потоками всех трех МП - в электрических машинах переменного тока, она называется вращающимся магнитным полем. В силу возможной несимметрии магнитных полей в каждом отдельном МП, ее амплитуда будет переменной. Вследствие чего, будет меняться постоянная составляющая полюсности намагниченности. Это зафиксирует обмотка демпфера, или обратной связи (L) и соответствующим образом зарядит конденсаторы (С, С). Причем один из конденсаторов будет заряжаться только через балластное сопротивление R, а второй - еще через дополнительное балластное сопротивление R.
б1
б1
б2
Балластное сопротивление R является как бы гасящим сопротивлением. Оно выбирается таким образом, чтобы за ¼ периода переменного напряжения один из конденсаторов мог зарядиться до амплитудного значения. При этом второй конденсатор, который заряжается через R+R, за это же время должен зарядиться до 0,6-0,8 амплитудного значения. Зарядка конденсаторов происходит при нарастании амплитуды напряжения. Как только амплитуда напряжения уменьшается до 0,6-0,8 ее значения, конденсаторы начнут разряжаться, поддерживая тем самым намагниченность среднего стержня с сохранением полюсности намагниченности.
Постоянная составляющая намагниченности среднего стержня оказывает симметрирующее воздействие на магнитные потоки во всех трех МП.
б1
б2
б2
Предлагаемая модель трехфазного Тр очень проста в настройке. Как уже отмечалось R выбирается с целью исключения больших значений тока в электрической цепи. В принципе оно может быть равным нулю. Поэтому вся настройка сводится к расчету конденсаторов и балластного сопротивления (R). В процессе настройки следует путем изменения значения R добиться, чтобы ток холостого хода в первичных обмотках Тр получил минимальное значение. Как показали экспериментальные исследования за счет предлагаемого схемного решения можно ток холостого хода - в классическом исполнении Тр - уменьшить в два раза.
Проведенные экспериментальные исследования на трехфазных Тр, используемых в бытовой и военной технике, полностью подтвердили справедливость результатов теоретических исследований.