Симметрирующий трансформатор. Принцип работы трансформатора

Несимметрией токов и напряжений в электротехнике называется появление в 3-фазной сети неравномерности амплитуд фазных токов и углов меж ними. Такая несимметрия может возникнуть при неравномерной межфазной нагрузке.

Например, при соединении обмоток по типу звезда и четырёхпроводном питании, возможны такие последствия несимметрии, как:

• обрыв «нуля». При этом линейное напряжение не меняется, а фазовые напряжения перераспределяются в прямой пропорциональности от электрического сопротивления нагрузки. При протекании тока по нулевой жиле разбалансировки не происходит (у каждого потребителя напряжение будет равно 220 В). Как только случается обрыв «нуля» по причине неравномерности, потребители могут выйти из строя;
• короткое замыкание «фазы на нуль». Напряжение между другими фазами и нулем вырастает. И по идее должен отключить цепь защитный автомат. Исход зависит от сопротивления проводов и самого трансформатора.

Что происходит при перекосе фаз?

Данное явление получается из-за нагрузочной неравномерности фаз. Происходит увеличение токов и падение напряжения, компенсирующегося другими фазами. При этом на остальных фазах возрастает напряжение, что плохо влияет на потребителей.

Самым энергоэффективным способом исправления перекоса фаз считается использование симметрирующих устройств (СУ), которые способны убрать токи нулевой и обратной последовательности.

Они делятся на виды:

• конденсаторные;
• преобразующие;
• компенсационные СУ.

Последние аппараты представляют собой устройства с подсоединением в рассечку «нуля» трансформатора симметрирующего трехфазного (ТСТ) компенсационной обмотки. Этот способ самый эффективный, так как характеризуется высокими показателями симметрирования.

Трансформатор симметрирующий трехфазный

Симметрирующие трансформаторы – это устройства, устраняющие перекос фаз

в 3-фазных электросетях.

Работа симметрирующего трансформатора заключается:

• в выравнивании тока нагрузки на сети питания вне зависимости от потребительской нагрузки;
• в уменьшении просадки в сети при подключении мощной нагрузки;
• в снижении потерь энергии, уменьшении гармоник и сопротивления.

Электрическая схема приведена на рисунке,

где 1 – магнитопровод, 2, 3 – обмотки высокого, низкого напряжения, 4 – компенсационная обмотка, 5 – клинья.

Конструкция хорошо понижает сопротивление нулевой последовательности 3-фазного трансформатора. Благодаря ей значительно увеличиваются токи КЗ – одно из основных преимуществ симметрирующих трансформаторов, поскольку это облегчает настройку релейной защиты при КЗ. Помимо этого, нет такого сильно разрушающего воздействия тока ОКЗ, так как обеспечивается компенсация несимметричного потока нулевой последовательности.

Посмотрим, что будет, если подключить однофазную несимметричную нагрузку в 3-фазную четырехпроводную электросеть с применением ТСТ и без него.

На изображении видно, что наибольшая нагрузка одной фазы равна 1/3 от 3-фазной мощности энергоисточника.

В результате включения мощного 1-фазного потребителя получится перекос фаз. Повысится риск выхода из строя присоединённых к источнику питания потребителей. Если мощность приёмников повысится на 1/3 трехфазной мощности источника, то возможна поломка прибора.

На этом рисунке показано, что наибольшая нагрузка на одну фазу может равняться половине 3-фазной мощности источника энергии. Тем не менее, источник станет принимать нагрузку как равномерно распределенную пофазно.

Использование ТСТ даёт возможность уменьшить мощность генератора, подключив к нему те же электроприемники. Для энергетического источника нагрузка будет приниматься равномерно распределенной по фазам.

Целесообразность решения о включении в схему ТСТ зависит от каждого конкретного случая.

Конструкция и применение симметрирующего трансформатора

Основными составляющими трансформатора являются силовой агрегат, устройство кабельного «ввода-вывода» с защитными автоматами. Способ электромонтажа стационарный. Выводы к сети и нагрузке располагаются в нижней панели. Трансформаторные катушки исполнены с помощью медного провода. Первичная со вторичной обмоткой обладают гальванической развязкой. Вторичная обмотка выполняется по схеме «звезда».

На входе трансформатора монтируется автомат, который обеспечивает защиту от перегрузок и КЗ. Трансформатор обладает световой индикацией наличия выходного напряжения.

Применение

Трансформаторы ТСТ широко применяются в следующих сферах:

• военное вооружение;
• технологические машины с ЧПУ;
• служба ЖКХ;
• садово-дачные поселения.

ТСТ размещаются между источником электроэнергии и электрическими потребителями.

Схемы симметрирующих трансформаторов

Рассмотрим для примера две схемы:

СУ с трехфазным трансформатором состоит из трёх обмоток. Обмотка «2» подключена с «4» последовательно, с обмоткой «2» на других стержнях – встречно зигзагообразно. Общее количество витков первой и третьей равно числу витков второй обмотки.

Эффективное применение СУ получается благодаря снижению сопротивления токам нулевой последовательности, что повышает надежность работы в аварийном режиме.

В схему между выводом «нуля» для подключения фазных нагрузок N2 и нулевым выводом N1 подключены последовательно тиристорный ключ (6 и 7), стабилитроны (8 и 9) и резистор 10.

Следующая схема включает в себя:

• 3-стержневой магнитопровод 1;
• 3-фазную симметричную первичную обмотку 2 с питанием от сети;
• вторичную обмотку 3, подсоединённую по схеме зигзага трёх лучей.

Особенность этой схемы заключается в неимении тока нулевой последовательности во всех обмотках при любых режимах. Такой трансформатор отличается простотой и надёжностью.

Заключение

ТСТ позволяют сократить потери энергии за счет снижения амплитуд гармоник, уменьшения сопротивления. Это увеличивает рабочий ресурс энергетических источников в сетях с перекосами фаз. Аппараты предназначены для повышения надежности автономных генераторов и потребителей, когда нагрузки несимметричны.

Трансформаторы дают возможность рационально применять электростанции с меньшей мощностью. Электрическим генераторам, производимым по синхронному типу, требуется равномерность нагрузки, при этом допускается лишь тридцати процентный перекос по фазам. В таком случае весьма полезным становится применение симметрирующего трансформатора.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Трехфазные симметрирующие трансформаторы — Симметрирующие трансформаторы

Напряжение между каждой фазой трехфазной сети переменного тока и нулевым проводом, в идеальном случае, составляет 220 Вольт. Однако, при подключении к каждой из фаз питающей сети различных нагрузок, отличающихся по характеру и по величине, возникает иногда довольно значительный перекос фазных напряжений.

Если бы соблюдалось равенство сопротивлений нагрузок, то и протекающие через них токи также были бы равны между собой. Их геометрическая сумма была бы обращена в нуль. Но в результате неравенства этих токов возникает уравнительный ток в нулевом проводе (происходит смещение нулевой точки) и появляетсянапряжение смещения.

Фазные напряжения меняются друг относительно друга, и получается перекос фаз. Следствием такого перекоса фаз становится увеличение потребления электроэнергии из сети и неправильная работа электроприемников, ведущая к сбоям, отказам, и преждевременному износу изоляции. Безопасность потребителя, в такой ситуации, ставится под угрозу.

Для автономных трехфазных источников электроэнергии неравномерность загрузки фаз чревата разного рода механическими повреждениями. В результате – нарушение работы электроприемников, износ источников электроэнергии, повышенный расход масла, топлива и охлаждающей жидкости для генератора. В конечном итоге увеличиваются расходы как на электроэнергию в целом, так и на расходные материалы для генератора.

Для устранения перекоса фаз, выравнивания фазных напряжений, следует изначально рассчитать токи нагрузок для каждой из трех фаз. Однако не всегда удается это сделать заранее. В промышленных же масштабах потери вследствие перекоса фазных напряжений могут быть просто колоссальными, а экономический эффект, в определенной степени, разрушительным.

Для устранения негативных тенденций следует применить симметрирование фаз. Для этой цели разработаны так называемые симметрирующие трансформаторы.

В трехфазный трансформатор, обмотки фаз как высшего, так и низшего напряжений которого соединены звездой, встраивается дополнительно симметрирующее устройство в виде дополнительной обмотки, которая опоясывает обмотки высокого напряжения. Эта дополнительная обмотка рассчитана так, чтобы выдерживать длительный ток номинальной нагрузки трансформатора, т.е. на номинальный ток одной фазы. Обмотка включается в разрыв нулевого провода трансформатора из следующего расчета.

При возникновении уравнительного тока в нулевом проводе, вследствие несимметричной нагрузки, потоки нулевой последовательности в магнитопроводе (рабочих обмоток трансформатора) будут полностью компенсированы направленными противоположно потоками нулевой последовательности симметрирующей обмотки. В конечном счете, перекос фазных напряжений целиком предотвращается.

Устройство симметрирующего трансформатора

Схема включения обмоток трехфазного трансформатора для симметрирования фаз показана на рисунке 1.

1. Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора.
2. Обмотки высокого напряжения.
3. Обмотки низкого напряжения.
4. Обмотка из компенсационных витков.
5. Дистанционные клинья.
6. Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения.
7. Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.

Энергетические характеристики таких трансформаторов, потери холостого хода, короткого замыкания, и другие, от добавления симметрирующего устройства почти не меняются, зато значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. При неравномерной нагрузке фаз, система фазных напряжений симметрируется так же, как и при соединении обмоток по схеме звезда-зигзаг.

Симметрирующий трансформатор ТСТ

Расчеты и эксперименты исследователей показали, что при правильном согласовании витков компенсационных и рабочих обмоток, напряжение на компенсационной обмотке трансформатора с симметрирующим устройством, при равном номинальному токе в нулевом проводе, достигает величины номинального фазного напряжения, уравновешивая на нейтрали обмоток низкого напряжения ЭДС нулевой последовательности, возникающей от рабочих обмоток, до нуля.

Такая конструкция сильно снижает сопротивление нулевой последовательности трехфазного силового трансформатора. Это дает значительное увеличение токов короткого замыкания на одной фазе, и является одним из главных достоинств симметрирующих трансформаторов, так как обеспечивает надежную и легкую настройку релейной защиты и ее надежную работу при КЗ.

Более того, разрушающее воздействие большого тока однофазного КЗ на обмотки такого симметрирующего трансформатора значительно меньше, чем от тока КЗ в отсутствие обмотки симметрирования, так как разрушительный мощный несимметричный поток нулевой последовательности теперь полностью компенсируется.

по материалам Школа для электрика

Симметричный трансформатор для двухтактных усилителей и двухполупериодных выпрямителей

Описание конструкции трансформаторов для двухтактных ламповых систем качественного звуковоспроизведения с двухполупериодными выпрямителями (ДППВ). В статье показано, как избежать встречного включения обмоток не нарушая оптимальную пространственную и векторную ориентацию остальных компонентов трансформаторов.

Backtomusic team

---

Двухтактные усилители в сравнении с однотактными имеют два недостатка — более сложную конструкцию и невозможность одновременного соблюдения правил ориентации деталей трансформаторов:

1. Электрической направленности проводов обмоток (система Контуров)
2. Векторной направленности проводов: пространственного направления укладки витков в трех проекциях (продольной, радиальной и тангенциальной: правило буравчика )
3. Пространственного положения катушки (вертикальное расположение оси катушки, суммарный Вектор компонентов катушки направлен «сверху-вниз»)
4. Векторной направленности железа магнитопровода — I-сердечник, на который наматывается катушка, должен быть сонаправлен с каркасом катушки, т. е. направленность I-сердечника также определяется по правилу буравчика.

Долгое время считалось, что одновременно соблюсти все условия можно только в однотактных трансформаторах. Эта точка зрения основывалась на предположении, что по аналогии с замкнутыми Контурами Направление железа у магнитопроводов совпадает с рисунком магнитных линий, что в случае изготовления трансформаторов для ДППВ или двухтактных усилителей позволяет либо соблюдать Направленность обмоток, либо правило буравчика.

Практически направленность магнитопроводов исследовалась с помощью Тестового Аудиотракта (ТА) на катушке индуктивности с плоскими, железными лентами в качестве магнитопровода. С помощью ТА определялась продольная направленность каждой пластины магнитопровода, затем катушка подключалась в разрыв сигнальной цепи ТА и во время прослушивания музыки пластины по одной вставлялись внутрь катушки. Изменения в звучании ТА контролировались на слух и для каждой пластины определялось ее наилучшее положение из четырех возможных. В конце эксперимента выяснилось, что более 80% пластин были продольно направлены относительно катушки по правилу буравчика .

Эксперимент по определению направления пластин магнитопровода относительно катушки индуктивности Последовательность загиба каждой пластины имеет значение — начало пластин должно быть ближе к катушке Экспериментальная индуктивность в сборе

Проведенный эксперимент определял только Направленность незамкнутого I-сердечника, о направленности 00-сердечника в сборе ничего определенного сказать было нельзя. Соответствует-ли Направленность железа рисунку магнитных линий тогда так и не выяснилось.

Предпочтительная поперечная Направленность пластин тоже не была определена — не удалось получить повторяемый результат. Как выяснилось позже, идеально сориентировать пластины в 00-сердечнике вообще невозможно: в любом случае окажутся либо нежелательные контакты деталей со встречной направленностью, либо не будет соблюдаться Радиальная Направленность сердечника (проекция Вектора изнутри наружу), либо катушку будет невозможно корректно установить на шасси (участи 00-сердечника, касающиеся шасси буду направлены в противоположные стороны).

Ориентация трансформатора относительно шасси — это такой-же важный момент, как и относительная ориентация компонентов самого трансформатора. Единственный вариант сердечника, который гарантированно можно сориентировать по всем правилам, включая установку на шасси — это 0-образный сердечник. Такой сердечник был использован в силовом трансформаторе Тестового Аудиотракта, пластины магнитопровода там были сориентированы в замкнутое кольцо (повторяли направление магнитных линий), анодное питание было однополупериодным. Во время настройки схемы, звучание трансформатора не вызывало нареканий вплоть до того момента, пока не была предпринята попытка надежно закрепить трансформатор на шасси. Как выяснилось, при стягивании крепежными планками разнонаправленных сторон 0-образного магнитопровода, сориентированного в кольцо, детали конструкции соприкасались разнонаправленными поверхностями, от чего Ясность звучания трансформатора резко снижалась. Компромисса тогда найти не удалось: трансформатор в ТА остался не закрепленным, просто стоял на дне корпуса.

Вектор магнитопровода должен максимально точно совпадать с Вектором шасси в точках их соприкосновения, то есть эзотерически, шасси и трансформатор должны представлять собой единое целое.

Позже была предпринята попытка решить задачу ориентации магнитопровода, отталкиваясь от данного Вектора шасси, а не от Направленности проводов. В этом случае суммарный Вектор сердечника в принципе не может совпадать с рисунком магнитных линий: во избежание соединений с встречным включением компонентов он должен быть максимально сонаправлен с Вектором шасси. Точно также Вектор шасси должен быть сонаправлен с Вектором корпуса и т. д. То есть в идеале корпус, шасси, трансформатор и все другие детали, установленные как внутри, так и снаружи усилителя и АС, должны представлять собой единое целое.

Сборка и ориентация деталей магнитопровода сонаправленно шасси позволила решить две казалось бы неразрешимые проблемы:

1. Жесткое крепление трансформатора к шасси с помощью сонаправленных крепежных скоб без потерь Ясности звучания
2. Одновременное соблюдение всех четырех вышеупомянутых условий при намотке, сборке и креплении трансформатора с О-образным магнитопроводом

Антон Степичев, 12.12.2018

---

применение, расчёт и как сделать своими руками

Согласующий трансформатор — электротехническое устройство, обеспечивающее передачу или преобразование полезного гармонического сигнала различной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности. Такой результат становится возможным только благодаря точному согласованию полного сопротивления (импеданса) источника сигнала и нагрузки или отдельных каскадов электронных схем.

Назначение

Известно, что минимизировать потери электрических сигналов при передаче потребителю можно только тогда, когда его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника. Это правило действует для всех схем — многокаскадных электронных устройств, при подключении нагрузки к усилителям или подаче на них сигнала, например, от звукоснимателя или микрофона.

Основное назначение согласующего трансформатора связано именно с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Применяются такие приборы тогда, когда требуется подключение нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.

Принцип работы

При подключении к первичной обмотке трансформатора источника переменного тока за счет сердечника магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку устройства. При этом индуцируется электродвижущая сила, которая и обеспечивает появление в цепи тока при подключении нагрузки. Благодаря этому осуществляется передача энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.

Принцип работы трансформатора

Чтобы обеспечить согласование нагрузки и источника по сопротивлению, соотношение числа витков во вторичной обмотке к первичной должно равняться квадратному корню отношения сопротивления нагрузки и источника сигнала. Только в этом случае можно обеспечить передачу без лишних потерь энергии и искажений.

Пример расчёта

Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе:

Виды магнитопроводов

Виды магнитопроводов

Особенности конструкции

Передача энергии между обмотками в трансформаторах осуществляется за счет воздействия создаваемого магнитного поля. В зависимости от типа согласующего устройства оно может иметь разную конструкцию:

1. Устройства для работы с низкочастотным электрическим сигналом обычно наматывают на броневых или стержневых сердечниках из электротехнической стали. Именно такие устройства применяются в усилителях и звуковоспроизводящей аппаратуре. Габаритные размеры зависят от передаваемой мощности, но обычно они не отличаются большими значениями.

1. Для высокочастотных согласующих трансформаторов чаще всего применяют тороидальные сердечники из ферромагнитных веществ. Они имеют форму кольца с прямоугольным сечением.
2. Отдельные виды ВЧ согласующих устройств могут быть выполнены по принципу воздушных трансформаторов. Простейший пример — петля из коаксиального кабеля, которая устанавливалась при подключении антенны к основному проводу. Существует вариант и распечатанных непосредственно на плате маломощных трансформаторов согласующего типа.

Для обмоток применяют изолированный медный провод круглого сечения, диаметр которого подбирается на основании расчета. Допускается и намотка проводниками прямоугольной формы, но только при сечении более 5 мм2. В качестве дополнительной изоляции применяется нанесение 2 слоев специального лака.

Основная область применения

Необходимость подобного масштабирования сопротивления существует практически во всех областях, связанных с передачей электрических сигналов и энергии. Но наибольшее применение согласующие трансформаторы получили в следующих сферах:

1. В усилителях низкой частоты (звуковых усилителях) в качестве межкаскадных и выходных трансформаторов. Необходимость в подобных устройствах была связана с тем, что старые усилители изготавливались на ламповой компонентной базе. При этом практически все лампы отличались высоким внутренним сопротивлением и подключение к ним 4 или 8-омных динамиков напрямую к ним было невозможно. Даже с появлением транзисторов, операционных усилителей ситуация в корне не изменилась, так как без согласования сопротивлений увеличивался уровень искажений сигнала.
2. В качестве входных согласующие трансформаторы применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов, звукоснимателей различных типов. Сопротивление этих устройств варьируется в пределах от десятка до сотни ом, а для подключения к усиливающей аппаратуре требуются значения, которые будут на порядок больше.
3. Еще одна сфера связана с передачей радиосигнала. Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приемным и передающим устройствам. Без их применения получить качественный сигнал не удается. Отметим, что в этих целях используются высокочастотные согласующие трансформаторы.

На этом область применения не ограничивается. Так, даже обычный сварочный трансформатор в какой-то степени можно считать согласующим, что обусловлено требованиями к величине нагрузки на электрические сети.

Виды согласующих трансформаторов

Наибольшее применение на практике получил звуковой согласующий трансформатор входного и выходного типов. Для усилителей на транзисторной элементной базе используют устройства серии ТОТ (оконечный транзисторный), а на ламповых элементах ТОЛ (оконечный ламповый).

В качестве входных получила применение серия ТВТ (входной транзисторный).

Для антенны применяют устройства тороидального типа на ферромагнитных кольцах или конусах необходимого диаметра. Отметим, что для таких трансформаторов не обязательна сплошная намотка по сечению магнитопровода. Достаточно провести через внутреннюю часть прямые проводники, что позволяет сэкономить на производстве за счет уменьшения потребности в электротехнических материалах.

Особенности в эксплуатации

Отметим, что каждая серия устройств предназначена для определенных условий эксплуатации. В большинстве случаев допустимый температурный диапазон составляет -60/+85°С, атмосферное давление не менее 5 мм рт. ст., но не более 3 атмосфер. Допускается эксплуатация при относительной влажности до 98 %.

В любом случае при выборе оборудования этого типа необходимо уточнить допустимые эксплуатационные условия.

Как сделать своими руками

Особых сложностей и отличий в изготовлении согласующих трансформаторов нет. Технология сходна со сборкой понижающих устройств. Но необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Обмотки укладываются равномерно без повреждения изоляции.
• Пластины малогабаритных устройств не нуждаются в дополнительной изоляции, лакируют только детали наборных сердечников более мощных трансформаторов.
• При выборе типа сердечника необходимо обращать на технические характеристики трансформаторной стали или ферромагнитных колец.

Отметим, что самостоятельное изготовление устройств такого типа экономически нецелесообразно. Закупка отдельных комплектующих обойдется дороже. Согласующее устройство с требуемым коэффициентом трансформации по сопротивлению в заводском исполнении обойдется дешевле.

трехфазный симметричный трансформатор — патент РФ 2144229

Использование: в устройствах электропитания различных потребителей. Технический результат заключается в улучшении энергетических и массогабаритных характеристик, а также в упрощении и расширении возможности унификации конструкции. Магнитная система трехфазного симметричного трансформатора содержит три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном. Первый и второй из них параллельны друг другу. А третий им перпендикулярен. Фазные первичные и вторичные обмотки пофазно охватывают по два смежных магнитопровода. Магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии. Высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна. Первичные обмотки концентричны вторичным. Ленточные магнитопроводы могут быть разрезаны, причем первый и второй разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода, и каждый из них может состоять из набора одинаковых сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к трехфазным силовым трансформаторам устройств электропитания различных потребителей. Известно, что магнитопроводы в трансформаторах выполняют ленточными или шихтованными в зависимости от уровня мощности и принятой у изготовителя технологии. При этом в трехфазных трансформаторах применяют две магнитные системы: плоскую и пространственную [1]. Плоская обеспечивает более простую конструкцию и технологию изготовления трансформатора. Ее недостатком является асимметрия, поскольку магнитное сопротивление для фазы, размещенной на среднем стержне, меньше, чем у фаз, размещенных на крайних стержнях. Симметрия трехфазного трансформатора обеспечивается пространственной магнитной системой. Известны пространственные магнитные системы, представляющие собой правильную треугольную призму, образуемую тремя стержнями с общим ярмом, при этом обмотки пофазно охватывают стержни [1], или тремя одинаковыми ленточными стержневыми магнитопроводами [2], при этом обмотки пофазно охватывают по два смежных стержня разных магнитопроводов. В последнем случае возникают технологические сложности, обусловленные многоугольной формой каркаса для намотки. Общими недостатками трехфазных трансформаторов с пространственной магнитной системой является низкий коэффициент заполнения катушки проводниковым материалом, то есть медью, что снижает их энергетические характеристики. Недостатком является также треугольная конструкция, приводящая к значительной потере объема при компоновке устройства электропитания. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трехфазный симметричный трансформатор [3], имеющий пространственную магнитную систему, которая содержит три одинаковые магнитопровода, два из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен. Вторичные фазные обмотки трансформатора пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а каждая фаза первичной обмотки состоит из двух параллельно согласно включенных секций, расположенных на отдельном стержне одного магнитопровода. Расстояние между секциями первичной обмотки, относящимися к разным фазам, равно сумме удвоенной толщины фазной вторичной обмотки и максимального расстояния между катушками в сборе, расстояние между магнитопроводами равно ширине окна, а магнитопроводы имеют квадратное сечение. Недостатком этого трансформатора является повышенная длина витков вторичной обмотки, что приводит к увеличенному расходу меди и, соответственно, увеличению потерь энергии в обмотке. Это обусловлено тем, что смежные стержни разных магнитопроводов находятся на расстоянии, равном ширине окна. Данному трансформатору присущи известная сложность конструкции и ограниченная возможность унификации магнитопроводов, что обусловлено обязательным требованием иметь для них квадратное сечение. Задачей изобретения является достижение технического результата, состоящего в улучшении энергетических и массогабаритных характеристик, а также упрощение и расширение возможности унификации конструкции. Для достижения этого технического результата для трехфазного симметричного трансформатора, магнитная система которого содержит три одинаковых ленточных или шихтованных магнитопровода с прямоугольным окном, первый и второй из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен, фазные первичные обмотки и вторичные, которые пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, предложены технические решения, заявляемые как новые признаки, а именно: магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна, а первичные обмотки концентричны вторичным. Для упрощения технологии изготовления обмоток трансформатора ленточные магнитопроводы могут быть разрезаны, причем первый и второй разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода. Для расширения возможности унификации конструкции каждый ленточный магнитопровод может состоять из набора одинаковых сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. В рассматриваемом техническом решении улучшение энергетических и массогабаритных характеристик обусловлено, во-первых, тем, что по сравнению с прототипом первичные фазные обмотки концентричны вторичным и охватывают сечения двух магнитопроводов, установленных вплотную в одной плоскости по одной оси симметрии. При этом при прочих равных данных, уменьшается длина витков вторичных обмоток и уменьшается число витков первичных обмоток. Во-вторых, концентричность обмоток приводит к применению только одного каркаса для укладки витков и, следовательно, приводит к повышению коэффициента заполнения катушки медью. В-третьих, в окне каждого магнитопровода образуется канал охлаждения, ширина которого равна удвоенной толщине магнитопровода. При этом полезная площадь окна не сокращается, в отличие от известного способа повышения теплоотдачи за счет неполного заполнения окна [2]. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, при этом на фиг.1 показаны основные элементы конструкции трехфазного симметричного трансформатора, на фиг.2 показана векторная диаграмма его магнитных потоков. На фиг. 1 приведены три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном 1, 2, 3, причем магнитопроводы 1, 2 параллельны друг другу, а 3 им перпендикулярен. Магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную и по одной оси симметрии. Магнитопроводы могут быть либо едиными ленточными или шихтованными (на фиг. 1 показано пунктиром), либо составленными из набора одинаковых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. Концентричные первичные и вторичные обмотки 4, 5, 6 пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а именно: обмотка 4 охватывает магнитопроводы 1, 2, обмотка 5 — магнитопроводы 1, 3, а обмотка 6 — магнитопроводы 2, 3. На фиг.1 показана линия разреза 7 ленточных магнитопроводов 1, 2, находящаяся на расстоянии от магнитопровода 3, равном удвоенной толщине магнитопровода, и линия разреза 8 магнитопровода 3, который с целью унификации конструкции всех магнитопроводов разрезан аналогично магнитопроводам 1, 2. Как следует из геометрических соотношений, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна. Трансформатор работает следующим образом. При подключении его первичных обмоток к трехфазной сети в них протекают токи намагничивания, которые образуют трехфазную систему магнитных потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C, приведенных на фиг. 2. Каждый из этих потоков равен разности магнитных потоков Ф₁, Ф₂, Ф₃ в магнитопроводах 1, 2, 3 (фиг.1), охваченных соответствующими фазными обмотками, при этом: Ф_A = Ф₁— Ф₃, Ф_B = Ф₂ — Ф₁, Ф_Cс = Ф₃-Ф₂. При симметрии трехфазной сети, идентичности магнитопроводов и обмоток потоки Ф₁, Ф₂, Ф₃ образуют симметричную трехфазную систему, сдвинутую относительно потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C на 30^o, и при этом обеспечивается полная симметрия параметров фаз, что составляет особенность работы рассматриваемого трансформатора. В остальном процесс работы данного трансформатора не отличается от известных [1,2,3]. С целью демонстрации изобретения был изготовлен трехфазный симметричный трансформатор мощностью 1500 Вт, который был применен в опытном образце источника питания. Его магнитная система, как на фиг.1, представляла собой три одинаковых магнитопровода, каждый из которых состоял из трех сердечников, навитых лентой электротехнической стали толщиной 0,35 мм и шириной 40 мм. Толщина навивки составляла 16 мм, ширина окна — 25 мм, высота окна — 82 мм, то есть равнялась удвоенной сумме толщины навивки и ширины окна. Магнитопроводы были установлены на стальную плату с крепежными отверстиями. Магнитная система в поперечном и вертикальном направлениях была стянута шестью лентами с помощью трех хомутов. Стягивание в продольном направлении осуществлялось тремя шпильками, установленными в пазах, образованных радиусами в стыке магнитопроводов и стяжных лент. Кроме того, для этой же цели крайние ленты имели буртики. Детали крепления на фиг. 1 не показаны. Наматывались сначала первичные фазные обмотки, а затем, после укладки межобмоточной изоляции, концентрично первичным наматывались вторичные фазные обмотки. Трансформатор при испытаниях имел перегрев 45^o, КПД — 92%. Его удельная мощность составила 110 Вт/кг и 430 Вт/дм³, что, соответственно, в 1,3 и 1,9 раза выше, чем в известных конструкциях [2,3,4]. Таким образом, предлагаемый трехфазный симметричный трансформатор сочетает в себе простоту конструкции и технологии, характерную для трансформаторов с плоской магнитной системой, и симметрию, присущую трансформаторам с пространственной магнитной системой при одновременном существенном улучшении массогабаритных характеристик. Источники информации
1. Г.Н.Петров. Электрические машины, ч. 1. М.: Энергия, 1974, с.75-76. 2. Р.Х.Бальян. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1971, с.18,19, 26-32, 53-54. 3. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Симметричный трехфазный трансформатор. Патент N1805507, H 01 F 33/00. 4. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Помехоподавляющий симметричный трехфазный трансформатор. «Судостроительная промышленность», серия общетехническая. Вып. 3. 1991, Научно- технический сборник. Центральный научно-исследовательский институт «Румб», с.34-37.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Трехфазный симметричный трансформатор, магнитная система которого содержит три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном, первый и второй из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен, первичные фазные обмотки и вторичные, которые пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, отличающийся тем, что магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна, а первичные обмотки концентричны вторичным. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что ленточные магнитопроводы разрезаны, при этом первый и второй из них разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода. 3. Трансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый магнитопровод состоит из набора одинаковых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями.

Симметрирующий трансформатор- устраняем перекос фаз. Симметричный трансформатор

Симметрирующий трансформатор. Принцип работы трансформатора

Несимметрией токов и напряжений в электротехнике называется появление в 3-фазной сети неравномерности амплитуд фазных токов и углов меж ними. Такая несимметрия может возникнуть при неравномерной межфазной нагрузке.

Например, при соединении обмоток по типу звезда и четырёхпроводном питании, возможны такие последствия несимметрии, как:

• обрыв «нуля». При этом линейное напряжение не меняется, а фазовые напряжения перераспределяются в прямой пропорциональности от электрического сопротивления нагрузки. При протекании тока по нулевой жиле разбалансировки не происходит (у каждого потребителя напряжение будет равно 220 В). Как только случается обрыв «нуля» по причине неравномерности, потребители могут выйти из строя;
• короткое замыкание «фазы на нуль». Напряжение между другими фазами и нулем вырастает. И по идее должен отключить цепь защитный автомат. Исход зависит от сопротивления проводов и самого трансформатора.

Что происходит при перекосе фаз?

Данное явление получается из-за нагрузочной неравномерности фаз. Происходит увеличение токов и падение напряжения, компенсирующегося другими фазами. При этом на остальных фазах возрастает напряжение, что плохо влияет на потребителей.

Самым энергоэффективным способом исправления перекоса фаз считается использование симметрирующих устройств (СУ), которые способны убрать токи нулевой и обратной последовательности. Они делятся на виды:

• конденсаторные;
• преобразующие;
• компенсационные СУ.

Последние аппараты представляют собой устройства с подсоединением в рассечку «нуля» трансформатора симметрирующего трехфазного (ТСТ) компенсационной обмотки. Этот способ самый эффективный, так как характеризуется высокими показателями симметрирования.

Трансформатор симметрирующий трехфазный

Симметрирующие трансформаторы – это устройства, устраняющие перекос фаз в 3-фазных электросетях.

Работа симметрирующего трансформатора заключается:

• в выравнивании тока нагрузки на сети питания вне зависимости от потребительской нагрузки;
• в уменьшении просадки в сети при подключении мощной нагрузки;
• в снижении потерь энергии, уменьшении гармоник и сопротивления.

Электрическая схема приведена на рисунке,

где 1 – магнитопровод, 2, 3 – обмотки высокого, низкого напряжения, 4 – компенсационная обмотка, 5 – клинья.

Конструкция хорошо понижает сопротивление нулевой последовательности 3-фазного трансформатора. Благодаря ей значительно увеличиваются токи КЗ – одно из основных преимуществ симметрирующих трансформаторов, поскольку это облегчает настройку релейной защиты при КЗ. Помимо этого, нет такого сильноразрушающего воздействия тока ОКЗ, так как обеспечивается компенсация несимметричного потока нулевой последовательности.

Посмотрим, что будет, если подключить однофазную несимметричную нагрузку в 3-фазную четырехпроводную электросеть с применением ТСТ и без него.

1. На изображении видно, что наибольшая нагрузка одной фазы равна 1/3 от 3-фазной мощности энергоисточника.

1. В результате включения мощного 1-фазного потребителя получится перекос фаз. Повысится риск выхода из строя присоединённых к источнику питания потребителей. Если мощность приёмников повысится на 1/3 трехфазной мощности источника, то возможна поломка прибора.

1. На этом рисунке показано, что наибольшая нагрузка на одну фазу может равняться половине 3-фазной мощности источника энергии. Тем не менее, источник станет принимать нагрузку как равномерно распределенную пофазно.

Использование ТСТ даёт возможность уменьшить мощность генератора, подключив к нему те же электроприемники. Для энергетического источника нагрузка будет приниматься равномерно распределенной по фазам.

Целесообразность решения о включении в схему ТСТ зависит от каждого конкретного случая.

Конструкция и применение симметрирующего трансформатора

Основными составляющими трансформатора являются силовой агрегат, устройство кабельного «ввода-вывода» с защитными автоматами. Способ электромонтажа стационарный. Выводы к сети и нагрузке располагаются в нижней панели. Трансформаторные катушки исполнены с помощью медного провода. Первичная со вторичной обмоткой обладают гальванической развязкой. Вторичная обмотка выполняется по схеме «звезда».

На входе трансформатора монтируется автомат, который обеспечивает защиту от перегрузок и КЗ. Трансформатор обладает световой индикацией наличия выходного напряжения.

Применение

Трансформаторы ТСТ широко применяются в следующих сферах:

• военное вооружение;
• технологические машины с ЧПУ;
• служба ЖКХ;
• садово-дачные поселения.

ТСТ размещаются между источником электроэнергии и электрическими потребителями.

Схемы симметрирующих трансформаторов

Рассмотрим для примера две схемы:

1. СУ с трехфазным трансформатором состоит из трёх обмоток. Обмотка «2» подключена с «4» последовательно, с обмоткой «2» на других стержнях

Обоснование применения симметрирующих трансформаторов ТСТ2 и ТСТ2Р — Симметрирующие трансформаторы

Обоснование применения симметрирующих трансформаторов ТСТ2 , ТСТ2Р, ТСТ2-О – вместо трехфазных и однофазных стабилизаторов напряжения.

В настоящее время широкое распространение получило применение трехфазных стабилизаторов переменного напряжения, в которых для обеспечения заданного номинального фазного напряжения 220В, применяются три независимых однофазных стабилизатора напряжения. Наряду с этим в большинстве случаев декларируется одновременная стабилизация линейных напряжений 380В, что не всегда обоснованно.

Принцип действия трехфазных стабилизаторов

Каждый из однофазных стабилизаторов повышает или понижает напряжение данной фазы до номинального, что автоматически приводит к изменению двух линейных напряжений, в которые входит данная фаза. Так, при необходимости повысить напряжение фазы А автоматически повышаются линейные напряжения АВ и АС, но поскольку, основной причиной отклонения фазных напряжений является смещение нейтрали, то обеспечение стабилизации фазных напряжений во многих случаях приводит к несимметрии линейных напряжений. А несимметрия линейных напряжений весьма неблагоприятно сказывается на работе трехфазных потребителей, например электродвигателей, значительно сокращая срок их службы.
На векторных диаграммах линейных и фазных напряжений, которые представлены хорошо видно (рис.1) , как для повышения так и для понижения напряжения на одной из фаз стабилизатор выравнивает модули векторов фазных напряжений 0A, 0B и 0C, из-за этого равносторонний треугольник, образованный векторами изначально равных по величине линейных напряжений AB, BC, CA превращается в произвольный треугольник с неодинаковым по величине линейными напряжениями, то есть возникает несимметрия линейных напряжений.

Вид 1 на рисунке
Таким образом, трехфазные стабилизаторы напряжения решая поставленную задачу стабилизации фазных напряжений одновременно обеспечивают, несимметрию линейных напряжений. Также необходимо учитывать значительные потери электрической энергии и надежность стабилизаторов напряжения, имеющих изнашивающиеся подвижные и электронные компоненты .

Преимущества симметрирующих трансформаторов

Мы предлагаем решение проблемы и рекомендуем применять симметрирующие трансформаторы ТСТ2 и ТСТ2Р , которые обеспечивают нормализацию фазных, а при необходимости и линейных напряжений, устраняют перекос фазных напряжений, и ПЕРЕраспределяют несимметричный ток нагрузки по трем фазам питающей сети.

На Рисунке 2 показано выравнивание фазных напряжений при помощи фильтросимметрирующих трансформаторов ТСТ2. Равносторонний треугольник, образованный векторами изначально равных по величине линейных напряжений AB, BC, CA остается неизменным, а выравнивание модулей векторов фазных напряжений 0A, 0B и 0C происходит за счет устранения смещения нейтрали и создания устойчивой нулевой точки 0.

Вид 2 на рисунке
Применение ТСТ2 вместо трехфазного стабилизатора напряжения рекомендовано в том случае, если линейных напряжения симметричны и находятся в диапазоне 380 В±5% (360-400 В). Если линейные напряжения несимметричны и или выходят за указанные диапазоны, то рекомендовано применение ТСТ2Р или ТСТ2 совместно с трехфазной группой однофазных стабилизаторов. В отличии от известных трехфазных регуляторов (стабилизаторов) переменного напряжения типа СТС, Lider, Sassin и других, в фильтросимметрирующих нормализаторах ТСТ2Р вольтодобавочная обмотка подключается со стороны питающей сети. Это для того, чтобы по ней не протекал нагрузочный ток нулевой последовательности, протекание которого вызывает дополнительные потери и искажения.
Преимущества очевидны: повышенная надежность, меньше цена, меньше потери электрической энергии. Фильтросимметрирующий трансформатор обеспечивает параметрическое симметрирование напряжений, более равномерное распределение фазных и линейных нагрузок при работе от питающей сети, а также устойчивую работу дизель — генератора при загрузке одной, двух фаз и при несимметрии нагрузок по трем фазам — увеличение срока службы, снижение расхода топлива, уменьшение износа при работе от дизель – генератора.

Преимущества применения трехфазно-однофазного трансформатора ТСТ2-О  в сравнении с однофазными стабилизаторами переменного напряжения:

1. Уменьшение максимального значения потребляемого от питающей сети тока в 1,5 раза, что создает дополнительные возможности увеличения мощности.
2. Отсутствие необходимости симметрирования нагрузок (особенно актуально когда нагрузки нельзя разделить на три группы).
3. Фильтрация третьей и кратных ей высших гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.
4. Исключение влияния неуравновешенности напряжений (смещения нейтрали) на величину однофазного напряжения.
5. Простота и надежность, при минимуме коммутирующих элементов в изделии.