Включение трехфазного трансформатора в однофазную сеть

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Циркуляция каждого потока происходит лишь по собственному стержню. В конечном итоге все потоки сходятся в центральных частях верхнего и нижнего ярма. В этих точках получается геометрическое сложение этих потоков, сдвинутых между собой на величину угла 120 градусов. В результате, геометрическая сумма сложенных величин, окажется равной нулю. Следовательно, каждый магнитный поток проходит лишь по собственному стержню, обратного пути не имеет, а все три потока в сумме дают нулевое значение.

Движение потоков крайних фаз происходит не только по стержню. Оно захватывает половину каждого ярма. Поток в средней фазе будет проходить только по своему стержню. Поэтому значение токов холостого хода в фазах, расположенных по краям, всегда превышает аналогичное значение в средней фазе.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Соединение звездой

Данный вид соединения рекомендуется рассматривать на примере схемы «звезда-звезда». В этом случае источник тока и нагрузка соединяются методом звезды.

На рисунке обозначение фазных напряжений, вырабатываемых вторичными обмотками трансформатора, выполнено символами U_A, U_B, и U_C. От фазных обмоток до нагрузки идут проводники, выполняющие функцию линейных проводов. Следует учитывать наличие напряжения не только между нулевым и линейным проводами, но и между двумя линейными проводниками. Такое напряжение называется линейным и обозначается U_AC или U_CA.

Значение линейного напряжения всегда превышает фазное. Разница между ними составляет √3 раза, поскольку представляет собой векторную разность фазных напряжений. Таким образом, трехфазная линия электропередачи позволяет получить не только 380 В, но и 220 В, в зависимости от того по какой схеме включена нагрузка.

Соединение треугольником

Соединение вторичных обмоток в трехфазном трансформаторе треугольником будет выдавать одинаковое линейное и фазное напряжение, как и при соединении звездой, если напряжение составит 220 В. При одинаковом значении потребляемой мощности, линейные токи будут превышать фазные в √3 раза.

Трехфазная система напряжений представляет собой симметричную схему. Это означает, что и магнитная система, которую имеют все трехфазные трансформаторы, будет симметричной. Такая система очень сложная в изготовлении, поэтому широкое распространение получила плоская конструкция, в которой отсутствует центральный стержень. Необходимость в нем отпадает, поскольку сумма магнитных потоков здесь равна нулю.

Плоский вариант конструкции считается более технологичным и удобным при компоновке, хотя она и является несимметричной. Токи в крайних фазах заметно превышают ток в средней фазе, из-за чего нарушаются фазовые углы. Для ликвидации такой асимметрии сечение в верхнем и нижнем ярме увеличивается примерно на 10-15% по сравнению со стержнем. Однако, несмотря на принятые меры, некоторая асимметрия все равно остается.

Подключение трех однофазных трансформаторов к трехфазной сети

Приветствую! После очередного похода на радиобарахолку сподвигнулся на написание этого отчасти лженаучного материала.
Может оно и старо, как мир, но в наше "низкоимпедансное" время, когда у людей с грошами туговато, авось кому-то и пригодится.

Как-то у барахольщикив наткнулся на небольшой трехфазный трансформатор (150-180 вт навскидку). Имея небольшой, да и давнишний уже, опыт с таким железом (наладка и испытания оборудования подстанций), хотел было пройти мимо этой вроде бесполезной в хозяйстве железяки, но потом все же забрал за 50 деревянных ради эксперимента.
И вон он, расстерзанный, на «операционном» столе, приступим…

Содержание / Contents

↑ Мерим

↑ Варианты

Здесь сразу поясним, что все стержни трехфазника одинаковы по ширине, это обычное Ш-образное железо, собранное вперекрышку. Таким образом, включение трех первичек синфазно и параллельно недопустимо, для понимания достаточно нарисовать себе схему движения магнитного потока по сердечнику.

Абсолютно корректным и безопасным является вариант I. С него и начнем, причем замеры будем делать на холостом ходу и только после нахождения оптимального включения прогрузим рабочий вариант. Вот результат при токе холостого хода 25 mA и сетевом напряжении 240V (дело было уже в 5 утра):

В этом варианте мы можем варьировать включением всех вторичных и двух первичных обмоток, как в любом однофазнике, но нагрузочная способность его из-за работы только одной катушки (одна лошадь везет две телеги) предполагается ослабленной.

Теперь попробуем вариант II, включив первички А и С синфазно параллельно. Магнитный поток в центральном стержне возрастет в 2 раза при том же сечении. По идее – рискованно, но попробуем.

Ток холостого хода, как и ожидалось, значительно вырос – 380 mA. Но и после 1 часа непрерывной работы трансформатор оставался чуть теплым. Мощность в таком включении должна быть уже приемлемой и почти удвоенные напряжения в секции B тоже представляют интерес.

Теперь включим транс по варианту III.

Здесь обмотки А и С включены параллельно, но противофазно. Соответственно магнитные потоки в катушке В будут направлены встречно (самоуничтожение) и на выводах В и в1 практически по нолям. А что же происходит в остальных обмотках? Меряем:
Ток холостого хода всего трансформатора 65 mA , для его габаритов- самое то. Не утерпел, нагрузил на лампу 24V 60W обмотку a1 – 22V при токе 2,3А. Добавил еще одну лампу на c1 – та же песня, напруга даже не просела. Постояло так 30 мин. – транс чуть теплый. Чем не решение для двуполярника?! А обмотки секции В можно попросту убрать, при нынешнем дефиците провода – одна выгода!

Вариант IV замысливался, как альтернатива второму: попытаться уменьшить ток холостого хода. Здесь к соединенным синфазно обмоткам А и С последовательно добавлена обмотка В. Вот что получилось:

Ток холостого хода уменьшился до 240 мА и я уже возликовал. Но рано… Лампы при одновременном включении посадили обмотки a1 и c1 до 13V, а обмотку b1 до 36V (лампы здесь включал последовательно). В обоих случаях ток был 2А. Но этим не закончилось, ибо пока перекуривал, центральная обмотка стала ощутимо греться. Тогда я решил тупо поменять ее концы, включив по отношению к спарке А и С в противофазе. Транс получился сверхэкономичный: ток холостого хода аж 15 мА. Но вот напруга… a1, c1 – по 10V, b1 – 20V. И все это при слабой нагрузочной способности. Хотя как вариант имеет право жить!
А вот в чистом виде, как на рисунке, лучше забыть, потому из дальнейших действий мы его исключаем, равно как и сверхэкономичный (он на любителя).

Днем были дела семейные и прогрузкой занялся вечером. В качестве нагрузок – те же две лампы 24V 60W каждая. Исходный замер варианта II (он мне показался наиболее интересным) на холостом ходу при сетевом 220V: a1,c1 по 26V, b1 – 49V, в обмотке B – 416V. Включаем: a1,c1 по 21V, b1 – 45V, в обмотке B – 382V(пока не нагружена).

Добавляем сюда две на 220V 100W и 25W в последовательном включении (других под рукой не оказалось). Света в комнате сразу прибавилось, в обмотках следующие значения: a1,c1 по 18V(2,2A), b1 – 40V (не нагружена, но пол-ампера отдаст смело без просадки остальных обмоток), на B – 320V (230 mA). Вот вам готовый транс для гибридного уся. Полчаса прогрузки, температура транса примерно 50 градусей, вполне терпимо, но лучше подцепить кулер.

Ну и для очистки совести прогрузил все так же, но обмотки a1,с1 подключил через мосты с фильтрующими кондюками по 2200 мкф.

На a1 и c1 – по 18,7V (2.3А), b1 – 40V (не нагружена, на c1 – 320V (232mA). Тепловой режим не поменялся. Далее перецепил последовательно включенные лампы на обмотку b1, все остальные нагрузки снял: 41V, 2,3A (на холостом здесь было 44V). И, наконец, нагрузил только секцию B, причем низковольтую обмотку через мост и конденсаторы фильтра: на b1 – 36V (2,7A), на B – 315V (240 mA). Если подытожить, транс сполна отдаст 140-160 ватт полезной мощи, которая в данном случае ограничена сечением провода.

↑ Резюме

Мне могут возразить: к чему весь огород, взял тот же ТС-180 и не мучайся. Я отвечу:

1. На «безрыбье» при нынешних ценах он очень даже ТРАНС! Присмотритесь на барахолках, этих красавцев никто не берет, их можно купить впополам дешевле как минимум (у сварщиков ценятся мощностью от киловатта и выше).

2. Трехфазники более надежны конструктивно, Ш-образное железо с дырками в пластинах, хороший крепеж, мощный каркас, удобство в разборке и перемотке. Но даже если не перематывать – они практически не горят за счет хорошей изоляции и запаса прочности (на случай попадания фазного напряжения). Помнится, испытывают их мегометром при подаче минимум 1000 Вольт . Мой вот пропитан щеллаком. Плюс есть вариации с включением. То есть, как разделительный в хозяйстве — это очень хороший выбор (по варианту I и III).

3. Опытный радиолюбитель легко сделает из него приличный силовик для усилителя. По варианту II и анодное для ламп есть. А что до большого тока холостого хода – так и в классе А не меньше на ветер улетает. В конце-концов кому нужно, тот воспользуется данным материалом, а оспаривать его целесообразность не буду. Потому, как я с филологическим образованием и до сих пор не знаю, что такое логарифм числа «А». Но вот дымок канифольный люблю всю жизнь, и выдумывать пропорционально мозгам – тоже.

4. И теперь о сокровенном, на что я не дотягивают совсем. А почему бы не попробовать это железо в качестве выходного транса в ламповом усе? Может, спецы-датагрцы пораскинут своими головушками? Железо здесь совсем не хилое, пластины тонкие, три катушки (можно секционированием поиграть).
Надо же какую-то точку и здесь поставить.
Засим откланиваюсь!

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Циркуляция каждого потока происходит лишь по собственному стержню. В конечном итоге все потоки сходятся в центральных частях верхнего и нижнего ярма. В этих точках получается геометрическое сложение этих потоков, сдвинутых между собой на величину угла 120 градусов. В результате, геометрическая сумма сложенных величин, окажется равной нулю. Следовательно, каждый магнитный поток проходит лишь по собственному стержню, обратного пути не имеет, а все три потока в сумме дают нулевое значение.

Движение потоков крайних фаз происходит не только по стержню. Оно захватывает половину каждого ярма. Поток в средней фазе будет проходить только по своему стержню. Поэтому значение токов холостого хода в фазах, расположенных по краям, всегда превышает аналогичное значение в средней фазе.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Соединение звездой

Данный вид соединения рекомендуется рассматривать на примере схемы «звезда-звезда». В этом случае источник тока и нагрузка соединяются методом звезды.

На рисунке обозначение фазных напряжений, вырабатываемых вторичными обмотками трансформатора, выполнено символами U_A, U_B, и U_C. От фазных обмоток до нагрузки идут проводники, выполняющие функцию линейных проводов. Следует учитывать наличие напряжения не только между нулевым и линейным проводами, но и между двумя линейными проводниками. Такое напряжение называется линейным и обозначается U_AC или U_CA.

Значение линейного напряжения всегда превышает фазное. Разница между ними составляет √3 раза, поскольку представляет собой векторную разность фазных напряжений. Таким образом, трехфазная линия электропередачи позволяет получить не только 380 В, но и 220 В, в зависимости от того по какой схеме включена нагрузка.

Соединение треугольником

Соединение вторичных обмоток в трехфазном трансформаторе треугольником будет выдавать одинаковое линейное и фазное напряжение, как и при соединении звездой, если напряжение составит 220 В. При одинаковом значении потребляемой мощности, линейные токи будут превышать фазные в √3 раза.

Трехфазная система напряжений представляет собой симметричную схему. Это означает, что и магнитная система, которую имеют все трехфазные трансформаторы, будет симметричной. Такая система очень сложная в изготовлении, поэтому широкое распространение получила плоская конструкция, в которой отсутствует центральный стержень. Необходимость в нем отпадает, поскольку сумма магнитных потоков здесь равна нулю.

Плоский вариант конструкции считается более технологичным и удобным при компоновке, хотя она и является несимметричной. Токи в крайних фазах заметно превышают ток в средней фазе, из-за чего нарушаются фазовые углы. Для ликвидации такой асимметрии сечение в верхнем и нижнем ярме увеличивается примерно на 10-15% по сравнению со стержнем. Однако, несмотря на принятые меры, некоторая асимметрия все равно остается.

Подключение трех однофазных трансформаторов к трехфазной сети