Warum verwenden Drehstromtransformatoren keine Ringkerne?

Drei Spulen in magnetischer Reihe, wie Sie sie gezeichnet haben, ergeben keinen 3-Phasen-Transformator. Es gäbe nur einen Wert für den Fluss, der allen drei Spulen gemeinsam wäre, da jede Spule den gesamten Kernquerschnitt umschließt.

Bei einem echten Dreiphasentransformator umgibt jede Spule nur einen Teil des Kerns, sodass jede Spule mit einem anderen Fluss betrieben werden kann.

Ein dreibeiniger Dreiphasentransformator spart Eisen gegenüber drei Einphasentransformatoren, indem er einen Teil oder den gesamten Eisenrückweg teilt.

Um Ihren Kommentar zu Dreiphasen-Torroidal zu beantworten:

Weil es scheint, laut Wikipedia: Ringkerninduktoren und Transformatoren, dass das Design überlegen sein sollte. Aber ich sehe keine Erwähnung von dreiphasiger Nutzung, nur einphasig.

Abbildung 1. 3-Phasen-Transformatorfluss. Quelle: NPTEL .

In einem dreiphasigen Transformator sind jedes Primär- und Sekundärpaar auf denselben „Zweig“ oder „Zweig“ gewickelt. Mit der Phasendifferenz von 120° auf jedem Zweig kann der Fluss auf einem Zweig immer einen Weg auf den anderen beiden finden, so dass immer ein Flusskreis vorhanden ist. Wenn beispielsweise die Rotphase (Abb. 1) maximal nach oben ist, sind Gelb und Blau 0,5 nach unten.

Diese Anordnung ist bei einem Standard-Ringkerntransformator nicht möglich.

Abbildung 2. Ein dreiphasiger „Torroid“ müsste ungefähr so ​​aussehen. (Bild von mir.)

Sie könnten einen Dreiphasentransformator aus Torrioden bauen. Sie benötigen jedoch in jedem einen einzigartigen Magnetfluss, und die einzige Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, drei separate Torrioden übereinander oder nebeneinander zu stapeln. Grundsätzlich hätten Sie drei Einphasentransformatoren in einer Box.

Ich bin bereit zu wetten, dass 3-Phasen-Transformatoren in der Vergangenheit tatsächlich als drei separate Transformatoren gebaut wurden, bis jemand herausfand, dass sich die magnetischen Effekte der anderen beiden Spulen an der betreffenden Primärspule grundsätzlich aufheben, da die drei Phasen um 120 Grad voneinander entfernt sind . Indem Sie sie auf einem einzigen Kern kombinieren, können Sie das Gewicht und die Kosten des gesamten Transformators erheblich reduzieren.

Im Allgemeinen sind Ringkerntransformatoren teuer. Der Kern selbst ist nicht nur schwieriger herzustellen, sondern das Wickeln erfordert entweder sehr teure Strickmaschinen oder manuelles Wickeln. Das ist eine Größenordnung mehr Kosten im Vergleich zu einfachen maschinengewickelten Spulen, die auf laminierten Kernen installiert sind.

Leistungs-Ringkern-Xformer werden jedoch hergestellt, indem sehr dünnes Metall gewickelt wird, fast Folie, die durch sehr schnelles Abschrecken hergestellt wird, sodass sie eine unglaublich hohe Permeabilität aufweist (ich erinnere mich, als dies neu war - ich bin wirklich alt). Ich glaube, es hieß zuerst Metglass? Wenn Sie also bei zu versendenden Geräten Wert auf Gewicht legen, können Sie Ringkerne verwenden. Ich habe industrielle Geräte mit höherer Leistung gesehen, bei denen drei separate Toroide als Dreiphasen-Abwärtswandler verwendet wurden. Ich glaube nicht, dass es auf die Leistungsniveaus von "Polschweinen" für die Versorgungsverteilung skaliert und wahrscheinlich nicht kosteneffektiv wäre.

Sie könnten die Form eines Rades mit drei Speichen, einer Primär- und einer Sekundärwicklung auf jeder Speiche für jede Phase und ohne Wicklungen auf dem torodialen Rad verwenden. Dies ist jedoch die gleiche Topologie wie der herkömmliche Dreiphasentransformator mit dem B-förmigen Kern, der in der Antwort von Transistor beschrieben wird.

Wird es nicht so gut funktionieren wie der übliche B-förmige Kern?

Nein, das wird es nicht.

Andere Antworten erklärten bereits, warum ein Ringkern für einen kompakten Drehstromtransformator nicht geeignet ist. Aber selbst wenn das egal ist und Sie drei Einphasentransformatoren in Betracht ziehen, wird der Ringkern in den meisten Anwendungen mit drei Phasen nicht funktionieren.

Ringkerne eignen sich gut für Messwandler, Wandler und andere Anwendungen, bei denen kein nennenswerter Leistungsfluss auftritt.

Drehstromtransformatoren werden fast ausschließlich für Hochleistungsanwendungen eingesetzt, zB um Generatoren und Motoren mit dem Stromnetz zu verbinden und Spannungen innerhalb des Netzes zu transformieren. In jedem Fall ist ein hoher Energieaufwand erforderlich. Um diese Energie zu transportieren, braucht man eigentlich Streuflüsse, die man bei einem Ringkern (fast) nicht hat.

Wenn Sie einen Ringkerntransformator mit einem hohen Strom belasten, wird die Sekundärspannung stark reduziert oder verschwindet sogar.

Das Ganze ist nicht leicht zu verstehen und hat zu vielen Diskussionen unter meinen Kollegen geführt. Um einen tieferen Einblick zu bekommen, würde ich Ihnen etwas Literatur empfehlen, mit der Sie beginnen können:

Edwards, J. und Saha, TK (2000). Leistungsfluss in Transformatoren über den Poynting-Vektor . In: A. Krivda, Proceedings of the Australasian Universities Power Engineering Conference: AUPEC 2000. AUPEC 2000, Brisbane, Australien, (86-91). 24.-27. September 2000.

Lesbar auf ResearchGate

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Ein sehr anschauliches Video zum Thema finden Sie auf dem Youtube Channel von Veritasium .

Für ein Experiment habe ich einen einzelnen Ringkern mit einer dreiphasigen Wicklung gewickelt und ein rotierendes Feld innerhalb des Kerns erzeugt, und alle drei Phasenströme waren identisch, sodass ich sagen kann, dass dies möglich ist.