Однофазные и трехфазные трансформаторы: питание, подключение и области применения

Краткое резюме

• Трансформатор следует подбирать с учетом количества фаз и напряжения на входе и на предполагаемой нагрузке. Отвод, взятый с одной пары напряжений, остается однофазным.
• В четырехпроводной сети с подключением по схеме «звезда» с номинальным напряжением 230/400 V напряжение между фазой и нейтралью составляет 230 V, а между фазами — 400 V. Уточните, какое значение напряжения требуется для данного оборудования.
• Блок из трёх модулей использует совместимые однофазные модули, скомпонованные для работы с трёхфазным источником питания. Встроенный трёхфазный трансформатор представляет собой единый физический узел.

Обычный трансформатор должен соответствовать фазной схеме, предоставляемой источником питания, и выходной мощности, требуемой нагрузкой. Источником питания может быть сеть электроснабжения или другая часть энергосистемы объекта. Четкое понимание этого различия перед определением технических характеристик или заказом трансформатора позволяет избежать переделок, поскольку устройство, рассчитанное и намотанное для одной фазной схемы, не будет работать корректно при подключении к другой. В данной статье объясняется, что на самом деле означают однофазное и трехфазное электроснабжение, как определять напряжение между фазами и напряжение между фазой и нейтралью на примере одной трехфазной распределительной сети, а также чем отличается единый интегрированный трехфазный трансформаторный узел от батареи из трёх отдельных однофазных агрегатов. В конце статьи приведены практические рекомендации относительно информации, которую следует собрать перед запросом коммерческого предложения.

Начните с источника питания и нагрузки

Число фаз является свойством источника переменного напряжения, а не только трансформатора. Однофазная сеть обеспечивает одно переменное напряжение между парой проводников, которое может быть напряжением «фаза-нейтраль» или «фаза-фаза». Напряжение нарастает и спадает в течение одного периодического цикла, и вся энергия в этой цепи проходит через эту единственную пару проводников.

Сбалансированное трёхфазное питание отличается определённым, измеримым образом. Оно подаёт три переменных напряжения одинаковой амплитуды и одинаковой частоты, но они разделены во времени на одну треть полного цикла — то есть между каждой парой составляет 120 электрических градусов. В любой момент времени, когда одно напряжение достигает своего пика, другое находится на спаде, а третье — на подъёме. В случае сбалансированной синусоидальной формы волны три фазы могут подавать постоянную суммарную мгновенную мощность на сбалансированную нагрузку. В правильно скомпонованных обмотках трехфазного двигателя фазосдвинутые токи также создают вращающееся магнитное поле. Это полезные различия в применении, но не гарантия того, что каждое трехфазное устройство более эффективно, чем любое однофазное.

Система электроснабжения и отдельная ветвь нагрузки — это не одно и то же. Трехфазная четырехпроводная система может одновременно обслуживать как трехфазные, так и однофазные нагрузки, используя одну и ту же инфраструктуру. Однофазная ветвь в такой системе использует один фазный провод и нулевой провод или два фазных провода и остается однофазной ветвью, когда питает подходящий однофазный трансформатор. Два фазных проводника, питающих однофазную первичную обмотку с правильным номиналом, по-прежнему обеспечивают ровно одно напряжение на этой обмотке. Трансформатор повышает или понижает это напряжение; он не создает обычного трехфазного питания. Эта ветвь по-прежнему нагружает используемые ею проводники, поэтому при планировании фазовой нагрузки выше по цепи необходимо учитывать наличие нескольких ветвей.

Техническое руководство компании Schneider Electric различает возможные пары входных напряжений.

Это ограничение имеет значение в одном конкретном направлении: обычный трансформатор сам по себе не может преобразовать однофазный источник питания в стандартное трехфазное питание. Для получения трехфазного выходного сигнала с однофазного входа требуется управляемое формирование двух дополнительных напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 120° каждое. Стандартные распределительные трансформаторы не рассчитаны на это, и подключение обычного трехфазного устройства к однофазному источнику не обеспечивает требуемого возбуждения или нормального трехфазного выхода.

Руководство компании Eaton по применению трансформаторов рассматривает различие между трансформацией и фазовым переходом.

Измерение напряжения «фаза-фаза» и «фаза-нейтраль»

В приведенном ниже примере с системой «звезда» на напряжение 230/400 V обе цифры обозначают одну и ту же сторону системы. Другие пары значений на паспортной табличке могут указывать номинальные значения первичной и вторичной обмоток или варианты обмоток. Перед тем как определить, какое значение следует принять, ознакомьтесь с надписями и схемой подключения.

В качестве постоянного примера на протяжении всего текста будем использовать трехфазную четырёхпроводную сеть с подключением по схеме «звезда» номинальным напряжением 230/400 V: значение 230 V представляет собой напряжение «фаза-нейтраль», измеряемое от любого фазного проводника до общей точки нейтрали. Значение 400 V представляет собой напряжение «фаза-фаза», измеряемое между любыми двумя фазными проводниками. Однофазная цепь, питающаяся от одной фазы и нейтрали, работает при напряжении 230 V. Однофазная нагрузка соответствующего номинала, подключенная между двумя фазами, потребляет 400 V. Трехфазный двигатель, подключенный ко всем трем фазам, также работает при напряжении 400 V между фазами.

Соотношение между этими двумя величинами в сбалансированной схеме «звездочка» вытекает из геометрии: напряжение между фазами равно напряжению между фазой и нейтралью, умноженному на квадратный корень из трех, что составляет примерно 1.732. Если разделить 400 V на √3, получится примерно 231 V. Стандартные номинальные значения составляют 230 V и 400 V; это номинальные значения, а не утверждение того, что оба измеренных напряжения будут в каждый момент времени точно равны этим округлённым значениям.

Руководство по напряжению от Schneider Electric приводит обозначения номинального напряжения, используемые в данном примере.

Конфигурация обмотки «треугольник» работает иначе. В простом «треугольнике» каждая обмотка подключена напрямую между двумя фазными проводниками, поэтому на ней возникает межфазное напряжение. Вторичная обмотка, подключенная по схеме «треугольник», не обеспечивает автоматического наличия нейтрального проводника, в отличие от вторичной обмотки, подключенной по схеме «звезда» с выведенной точкой соединения. Для показанной на рисунке четырёхпроводной сети 230/400 V в указанной вторичной обмотке, выполненной по схеме «звезда», точка соединения выведена на нейтральную клемму. Другие схемы обмоток могут обеспечивать иные соотношения между нейтралью и напряжением. Если нагрузке требуется нейтраль, необходимо проверить фактическое подключение источника и вторичной обмотки, а не делать выводы, основываясь исключительно на значении напряжения.

Это различие действует и в обратном направлении. Одного только значения напряжения недостаточно для определения типа системы. Значение 230 V может означать напряжение «фаза-нейтраль» в трёхфазной системе с подключением по схеме «звезда» на напряжении 400 V, а может означать напряжение «фаза-фаза» в однофазной двухпроводной цепи. Однофазная трёхпроводная сеть с напряжением 120/240 V имеет нейтраль в средней точке, что создаёт два уровня напряжения, но при этом она по-прежнему остаётся однофазной. Даже совокупность данных о количестве проводников и значениях напряжения не даёт однозначного ответа без знания конфигурации обмотки. Всегда проверяйте фактические данные на заводской табличке, однолинейную схему и чертежи подключения.

Один трехфазный блок или группа однофазных блоков

Если в рамках проекта требуется трехфазное преобразование, существует две различные схемы физической организации, позволяющие это осуществить. Понимание различий между ними имеет важное значение для закупок, планирования монтажа и принятия решений в чрезвычайных ситуациях.

Интегрированный трехфазный трансформатор представляет собой единый узел. Во многих конструкциях три набора фазных обмоток используют один магнитный сердечник. В жидкостном исполнении может применяться один резервуар; в исполнении с литой смолой корпуса обмоток устанавливаются на общей раме. Термин «интеграция» обозначает единый узел оборудования, а не требование к конкретной конструкции сердечника или корпуса. Вы получаете его, транспортируете, устанавливаете и вводите в эксплуатацию как единое целое. В случае обнаружения неисправности узел может быть выведен из эксплуатации на время оценки необходимости ремонта или замены. Конструкция, предусмотренная производителем, и характер неисправности определяют, какие компоненты подлежат ремонту.

Банк трансформаторов для трехфазного питания представляет собой специально подобранный набор из трёх отдельных однофазных трансформаторов, каждый из которых получает пару напряжений, необходимую для предусмотренного способа соединения банка, от имеющегося трехфазного источника. Каждый агрегат имеет собственный сердечник и обмотки, собственный корпус или кожух, а также собственную паспортную табличку. Когда эти три агрегата располагаются и соединяются для совместной работы от одного и того же трехфазного источника питания, такая группа называется банком. Основное отличие от моноблочного агрегата носит физический характер: это три отдельных узла, а не один.

Это отличается от ситуации, когда три однофазных трансформатора обслуживают три независимые однофазные нагрузки. В этом случае каждый трансформатор представляет собой отдельную ветвь в своей цепи, не связанную с остальными. Банк трансформаторов специально сконфигурирован как группа для трехфазного питания.

Это также отличается от фазового преобразования. Объединение однофазных агрегатов в батарею не позволяет получить трехфазное напряжение из однофазного источника. Для работы батареи по-прежнему требуется трехфазный источник; три агрегата подключаются к соответствующим парам напряжений существующей трехфазной сети.

Руководство компании Eaton по среднему напряжению показывает блоки трансформаторов в воздушной распределительной сети.

Практические вопросы, возникающие при выборе между этими двумя вариантами, включают в себя ряд реальных компромиссов. Интегрированный блок позволяет сократить количество внешних межблоковых соединений и обеспечивает компактную конструкцию, что полезно в условиях ограниченного пространства в распределительном помещении. Фактительные габариты и объем монтажных работ по-прежнему зависят от сравниваемых конструкций. Блок требует места для размещения трёх агрегатов и внешних соединений между ними. С другой стороны, блок может обеспечить преимущество в плане запасных частей в некоторых условиях эксплуатации: вместо замены всего блока можно заменить или отремонтировать отдельный совместимый агрегат. Продолжение работы с двумя агрегатами возможно только в случае схемы, специально разработанной и одобренной для работы в режиме «открытого треугольника» и со сниженной мощностью; это не является общей особенностью любой батареи из трех агрегатов. На практике распределительных сетей энергокомпания может выбрать батарею с учётом своих опорных конструкций, ограничений по погрузке и запасов стандартизированных однофазных агрегатов, которые используются для различных целей по всей сети. Для промышленных или коммерческих помещений часто предпочитают интегрированный трехфазный блок благодаря его компактной конструкции. Ни один из вариантов не является универсально лучшим; выбор зависит от ограничений по занимаемой площади, стратегии обеспечения запасными частями, имеющегося погрузочно-разгрузочного оборудования, а также от практики энергокомпании или конкретного объекта.

Области применения однофазных и трехфазных трансформаторов

Требования к фазе и напряжению определяются нагрузкой, а не общими правилами, связанными с отраслью или размером объекта. Два типичных примера показывают, насколько разными могут быть эти требования даже в пределах одного объекта.

Рассмотрим панель управления, в которой для указанных цепей управления переменного тока используется однофазный трансформатор. Он понижает имеющееся напряжение до требуемого управляющего напряжения для таких нагрузок, как катушки реле переменного тока или индикаторы. Если устройству требуется постоянный ток, его источник питания осуществляет это преобразование отдельно; сам по себе трансформатор не преобразует переменный ток в постоянный. Первичная обмотка этого трансформатора подключена к одной паре напряжений: либо «фаза-нейтраль», либо «фаза-фаза», в зависимости от конструкции. Выходной сигнал является однофазным независимо от того, какая пара напряжений используется на входе. Это однофазный режим работы, и трансформатор рассчитан и намотан соответствующим образом.

Для сравнения рассмотрим трехфазный двигатель, приводящий в действие насос, компрессор или конвейер на том же объекте. Если для его питающей линии требуется трансформатор, этот трансформатор должен обеспечивать необходимое трехфазное напряжение; при этом последовательность фаз согласовывается с цепью двигателя. Первичная обмотка соответствует распределительной сети объекта, а вторичная подключается ко всем трём фазным проводам цепи двигателя.

В приведенной ниже таблице представлено краткое сравнение этих двух примеров на практике:

Данные о трансформаторе, которые необходимо уточнить перед запросом предложения

Прежде чем запрашивать коммерческое предложение по любому из этих типов, подготовьте следующие данные из проектной документации:

• Однолинейная схема: показывает, к чему подключается трансформатор с обеих сторон, а также какие средства защиты и учета задействованы.
• Число фаз и напряжение на первичной обмотке: Питание однофазное или трехфазное? В случае трехфазного питания указано номинальное напряжение L–N, напряжение L–L или и то, и другое? Какова фактическая конфигурация системы — четырёхпроводная схема «звезда», трёхпроводная схема «треугольник» или что-то другое?
• Частота: проверьте частоту системы и допустимые номинальные значения напряжения и частоты трансформатора; не следует предполагать взаимозаменяемость устройств или делать вывод о том, что каждая конструкция ограничена одной частотой.
• Вторичное напряжение, количество фаз и требования к нейтрали: что на самом деле требуется для данной нагрузки? Для цепи трехфазного двигателя обычно требуются три фазных провода. Для распределительного щита со смешанной нагрузкой могут потребоваться три фазы и нулевой провод. Управляющий трансформатор требует определённого однофазного напряжения на вторичной обмотке.
• Нагрузочные данные и номинальная кажущаяся мощность: потребляемая мощность подключенных нагрузок в кВА или кВт, с указанием коэффициента мощности, если он известен. См. почему номинальная мощность трансформаторов указывается в кВА для получения информации о том, как вычисляется kVA.
• Паспортичная табличка действующего трансформатора (при замене): напряжение, kVA, частота, группа соединения или схема подключения, импеданс и класс охлаждения. Следующие Руководство по чтению данных на паспортной табличке трансформатора объясняет, для чего нужны эти поля.
• Схемы подключения: схема обмотки, положения отводов и расположение клемм. Подключения «звездой» и «треугольником» не являются взаимозаменяемыми с точки зрения наличия нейтрали; следует сверяться с фактическими чертежами, а не делать выводы, основываясь исключительно на значении напряжения.

Что касается вариантов однофазных трансформаторов, то Категория однофазных трансформаторов перечисляет доступные типы. Более широкий ассортимент трансформаторов охватывает трехфазные агрегаты масляного, сухого и других типов конструкции.

Если подготовить эту информацию до обращения к поставщику, это поможет ему оценить соответствие требованиям, проверить данные на заводской табличке и требования к подключению, а также выявить все оставшиеся вопросы до составления коммерческого предложения. Согласованное описание нагрузки и интерфейса гораздо полезнее, чем выбор, основанный исключительно на количестве фаз.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли питать однофазный трансформатор от трехфазной сети?

Да, если выбранная пара «фаза-фаза» или «фаза-нуль» соответствует номинальным параметрам первичной обмотки трансформатора, а частота питания подходит. Выходная мощность остается однофазной. Проверьте нагрузку на ответвлении в соответствии с планом фазной нагрузки выше по цепи.

Может ли обычный трансформатор преобразовывать однофазное напряжение в трехфазное?

Нет. Обычный трансформатор может изменять напряжение. Но он не способен самостоятельно формировать три сигналы напряжения с правильным интервалом от однофазного источника.

Что означают значения 230 V и 400 V при одной и той же четырёхпроводной подключении по схеме «звезда»?

В данном типовом примере напряжение «фаза-нейтраль» составляет 230 V, а напряжение «фаза-фаза» — 400 V. Воспользуйтесь паспортной табличкой оборудования и чертежами, чтобы уточнить, какое напряжение используется в данной цепи.

Являются ли три независимых однофазных трансформатора трехфазным блоком?

Нет. В банке установлены совместимые агрегаты, настроенные на совместную работу в трехфазном режиме. Три агрегата, обслуживающие отдельные однофазные нагрузки, остаются ответвленными трансформаторами.