Il principio di funzionamento e il dispositivo dei trasformatori trifase

La corrente trifase può essere trasformata da tre trasformatori monofase completamente separati. In questo caso, gli avvolgimenti di tutte e tre le fasi non sono collegati magneticamente tra loro: ogni fase ha il proprio circuito magnetico. Ma la stessa corrente trifase può essere trasformata con un trasformatore trifase, in cui gli avvolgimenti di tutte e tre le fasi sono collegati magneticamente tra loro, poiché hanno un circuito magnetico comune.

Per chiarire il principio di funzionamento e il dispositivo di un trasformatore trifase, immagina tre trasformatore monofase, attaccati l'uno all'altro in modo che le loro tre aste formino un'asta centrale comune (Fig. 1). Su ciascuna delle altre tre barre sono sovrapposti gli avvolgimenti primario e secondario (in Fig. 1 gli avvolgimenti secondari non sono mostrati).

Supponiamo che gli avvolgimenti primari su tutte le gambe del trasformatore siano esattamente gli stessi e avvolti nella stessa direzione (in Fig. 1, gli avvolgimenti primari sono avvolti in senso orario se visti dall'alto).Colleghiamo tutte le estremità superiori delle bobine al neutro O e portiamo le estremità inferiori delle bobine ai tre terminali della rete trifase.

Immagine 1.

Le correnti negli avvolgimenti del trasformatore creeranno flussi magnetici variabili nel tempo, ciascuno dei quali si chiuderà nel proprio circuito magnetico. Nell'asta composita centrale, i flussi magnetici si sommeranno in totale a zero perché questi flussi sono creati da correnti trifase simmetriche, rispetto alle quali sappiamo che la somma dei loro valori istantanei è sempre zero.

Ad esempio, se la corrente nella bobina AX I, fosse la più grande e si svolgesse nel punto indicato in fig. 1 direzione, allora il flusso magnetico sarebbe uguale al suo valore più grande Ф ed era diretto nell'asta composita centrale dall'alto verso il basso. Nelle altre due bobine BY e CZ, le correnti I2 e Az3 nello stesso istante di tempo sono pari alla metà della corrente più alta e hanno verso opposto rispetto alla corrente nella bobina AX (questa è la proprietà di tre- correnti di fase). Per questo motivo, nei picchetti delle bobine BY e CZ, i flussi magnetici saranno pari alla metà del flusso massimo, e nel picchetto centrale composito avranno verso opposto rispetto al flusso della bobina AX. La somma dei flussi al momento in questione è zero. Lo stesso vale per qualsiasi altro momento.

Nessun flusso nella barra centrale non significa nessun flusso nelle altre barre. Se distruggiamo l'asta centrale e colleghiamo i gioghi superiore e inferiore in gioghi comuni (vedi Fig. 2), allora il flusso della bobina AX troverà la sua strada attraverso i nuclei delle bobine BY e CZ, e le forze magnetomotrici di queste le bobine si sommeranno insieme alla forza magnetomotrice della bobina AX. In questo caso otterremmo un trasformatore trifase con un circuito magnetico comune per tutte e tre le fasi.

Figura 2.

Poiché le correnti nelle bobine sono sfasate di 1/3 del periodo, anche i flussi magnetici da esse prodotti sono sfasati di 1/3 del periodo, cioè i valori maggiori dei flussi magnetici nelle barre e nelle bobine si susseguono dopo 1/3 del periodo...

La conseguenza dello sfasamento dei flussi magnetici nei nuclei di 1/3 del periodo è lo stesso sfasamento e le forze elettromotrici indotte sia negli avvolgimenti primari che secondari imposti sulle barre. Le forze elettromotrici degli avvolgimenti primari quasi bilanciano la tensione trifase applicata Le forze elettromotrici degli avvolgimenti secondari, con il corretto collegamento dei capi delle bobine, danno una tensione secondaria trifase che viene immessa nel circuito secondario.

Per quanto riguarda la costruzione del circuito magnetico, i trasformatori trifase, come quelli monofase, sono suddivisi in barre fig. 2. e blindato.

I trasformatori a barra trifase sono classificati in:

a) trasformatori con circuito magnetico simmetrico e

b) trasformatori con circuito magnetico asimmetrico.

Nella fig. 3 mostra schematicamente un trasformatore a slitta con un circuito magnetico simmetrico, e in fig. 4 mostra un trasformatore a stelo con un circuito magnetico non bilanciato. Come si vede dalle tre sbarre di ferro 1, 2 e 3, bloccate sopra e sotto da piastre a giogo di ferro. Ci sono bobine primarie I e secondarie II di una fase del trasformatore su ciascuna gamba.

Figura 3.

Nel primo trasformatore le aste si trovano ai vertici degli angoli di un triangolo equilatero; il secondo trasformatore ha le sbarre sullo stesso piano.

La disposizione delle aste ai vertici degli angoli di un triangolo equilatero fornisce resistenze magnetiche uguali per i flussi magnetici di tutte e tre le fasi, poiché i percorsi di questi flussi sono gli stessi. Infatti i flussi magnetici delle tre fasi attraversano separatamente un'asta verticale completamente e le altre due a metà.

Nella fig. 3 la linea tratteggiata mostra le modalità di chiusura del flusso magnetico della fase 2 dell'asta. È facile vedere che per i flussi delle fasi delle aste 1 e 3, le modalità di chiusura dei loro flussi magnetici sono esattamente le stesse. Ciò significa che il trasformatore in esame ha le stesse resistenze magnetiche per i flussi.

La disposizione delle aste su un piano porta al fatto che la resistenza magnetica per il flusso della fase intermedia (in Fig. 4 per la fase dell'asta 2) è inferiore a quella per i flussi delle fasi finali (in Fig. 4 — per le fasi delle aste 1 e 3).

Figura 4.

Infatti, i flussi magnetici delle fasi finali si muovono lungo percorsi leggermente più lunghi del flusso della fase intermedia. Inoltre il flusso delle fasi terminali uscenti dalle loro aste passa interamente in una metà del giogo e solo nell'altra metà (dopo essersi ramificato nell'asta mediana) ne passa metà. Il flusso di mezza fase all'uscita dell'asta verticale si divide immediatamente in due metà, e quindi solo la metà del flusso di mezza fase passa nelle due parti del giogo.

Pertanto, i flussi delle fasi terminali saturano il giogo in misura maggiore rispetto al flusso della fase intermedia, e quindi la resistenza magnetica per i flussi delle fasi terminali è maggiore che per il flusso della fase intermedia.

La conseguenza della disuguaglianza delle resistenze magnetiche per i flussi delle diverse fasi di un trasformatore trifase è la disuguaglianza delle correnti a vuoto nelle singole fasi alla stessa tensione di fase.

Tuttavia, con una bassa saturazione del ferro del giogo e un buon assemblaggio del ferro, questa disuguaglianza di corrente è trascurabile. Perché Poiché la costruzione di trasformatori con circuito magnetico asimmetrico è molto più semplice di quella di un trasformatore con circuito magnetico simmetrico, i primi trasformatori risultarono essere i più utilizzati I trasformatori con circuito magnetico simmetrico sono rari.

Considerando la fig. 3 e 4 e supponendo che le correnti scorrano attraverso tutte e tre le fasi, è facile vedere che tutte le fasi sono accoppiate magneticamente l'una all'altra. Ciò significa che le forze magnetomotrici delle singole fasi si influenzano a vicenda, cosa che non si ha quando la corrente trifase viene trasformata da tre trasformatori monofase.

Il secondo gruppo di trasformatori trifase sono trasformatori corazzati. Un trasformatore corazzato può essere considerato come se fosse composto da tre trasformatori corazzati monofase collegati tra loro con un giogo.

Nella fig. 5 raffigura schematicamente un trasformatore corazzato trifase con un nucleo interno posizionato verticalmente Dalla figura è facile vedere che attraverso i piani AB e CD può essere suddiviso in tre trasformatori corazzati monofase, i cui flussi magnetici possono essere chiusi ciascuno nel proprio circuito magnetico. I percorsi del flusso magnetico in fig. 5 sono indicati da linee tratteggiate.

Figura 5.

Come si vede dalla figura, nelle aste verticali centrali a, sulle quali sono sovrapposti gli avvolgimenti primario I e secondario II della stessa fase, passa tutto il flusso, mentre nei gioghi b-b e nelle pareti laterali passa metà del flusso . Alla stessa induzione, le sezioni trasversali del giogo e delle pareti laterali dovrebbero essere la metà della sezione trasversale dell'asta centrale a.

Per quanto riguarda il flusso magnetico nelle parti intermedie c — c, il suo valore, come vedremo in seguito, dipende dal metodo di inclusione della fase intermedia.

Il vantaggio principale dei trasformatori di armatura rispetto ai trasformatori a barra sono i brevi percorsi di chiusura del flusso magnetico e quindi le basse correnti a vuoto.

Gli svantaggi dei trasformatori corazzati includono, in primo luogo, la scarsa disponibilità di avvolgimenti per la riparazione, poiché sono circondati da ferro e, in secondo luogo, le peggiori condizioni per il raffreddamento dell'avvolgimento, per lo stesso motivo.

Nei trasformatori a barra, gli avvolgimenti sono quasi completamente aperti e quindi più accessibili per l'ispezione e la riparazione, nonché per il mezzo di raffreddamento.

Trasformatore trifase in olio con serbatoio tubolare: 1 — pulegge, 2 — valvola di scarico olio, 3 — cilindro isolante, 4 — avvolgimento alta tensione, 5 — avvolgimento bassa tensione, 6 — nucleo, 7 — termometro, 8 — morsetti per bassa tensione, 9 - terminali ad alta tensione, 10 - contenitore dell'olio, 11 - relè del gas, 12 - indicatore del livello dell'olio, 13 - radiatori.

Maggiori dettagli sul dispositivo dei trasformatori trifase: Trasformatori di potenza: dispositivo e principio di funzionamento