Однофазные и трехфазные трансформаторы
Однофазные трансформаторы небольшой мощности применяют в качестве сварочных, измерительных, испытательных, специального назначения и для бытовых нужд.
Мощные однофазные силовые трансформаторы служат для трансформации электрической энергии трехфазного тока и для питания специальных промышленных установок. Простейший однофазный трансформатор (рис. 1) состоит из рамообразной магнитной системы, включающей два стержня 5, верхнее 4 и нижнее 5 ярма, обмоток высшего 1 и низшего 2 напряжения.
Левый стержень, если смотреть на трансформатор со стороны выведенных от обмоток ВН концов (отводов), принято обозначать буквой А, правый — X. Чтобы двухстержневую магнитную систему однофазного трансформатора использовать наиболее рационально и трансформатор конструктивно был более компактным, обмотки ВН и НН как бы делят на две части и размещают их на стержнях А и X. Соединив между собой параллельно или последовательно отдельные части обмоток ВН и со-
ответственно НН, от обмоток, размещены на стержне А, выводят их «начала», а на стержне X — их «концы».
Трансформацию трехфазного тока однофазными трансформаторами осуществляют следующим образом: устанавливают рядом три однофазных трансформатора, образующих трехфазную группу, и внешние зажимы обмоток ВН и НН (при трехобмоточных трансформаторах и СН) соединяют в трехфазные электрические схемы (звезда — звезда, звезда — треугольник). Полученная трехфазная трансформаторная группа имеет общую электрическую схему, а электромагнитная система каждого трансформатора работает раздельно.
Рис. 1. Устройство простейшего однофазного трансформатора
Рис. 2. Получение трехфазного трансформатора из трех однофазных: а — схема объединения трех магнитных систем с фазными обмотками в одну трехфазную, б — схема пространственной симметричной магнитной системы трехфазного трансформатора
В трехфазном трансформаторе электрические и электромагнитные системы трех однофазных трансформаторов объединены в одну.
Физическую сторону такого совмещения схематично можно пояснить следующим образом. Если три магнитные системы однофазных трансформаторов с обмотками ВН и НН, размещенными на одном стержне (рис. 2), составить под углом 120° друг к другу, свободные от обмоток стержни примкнуть — состыковать в один, соединить обмотки в трехфазные схемы и подать на одну из них трехфазное напряжение, то и получится трехфазный трансформатор с общей электрической и магнитной системой, состоящей из трех стержней с обмотками и одного центрального стержня без обмоток. Однако исходя из известного положения электротехники о том, что сумма мгновенных значений токов и магнитных полей трехфазной системы равна нулю, магнитный поток в центральном стержне будет отсутствовать, а следовательно, в нем нет необходимости, поэтому его из конструкции магнитной системы удаляют. Полученная при этом трехстержневая пространственная магнитная система (рис. 2, б) является симметричной — у нее длина путей основного магнитного поля каждой фазы одинакова.
Рис. 3. Пространственная (а) и плоская несимметричная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками (б): 1 — элементы навитой ленточной магнитной системы; 2 — стеклобандаж, скрепляющий составной стержень; 3 — изоляционная прокладка стыка стержня
Симметричная магнитная система наиболее совершенна, однако трудности, связанные с технологией изготовления и ремонта трансформаторов с такой магнитной системой, ограничивают ее применение; она используется только в трансформаторах некоторых серий мощностью в основном до 250 кВ-А. На рис. 3, а изображена одна из трехфазных пространственных магнитных систем, применяемая в трансформаторах I и частично II габаритов. Она состоит из трех ленточных магнитных систем, составленных под углом 60° и скрепленных стеклобандажной лентой. Каждая из них навита (намотана) непрерывной (без стыков) электротехнической лентой. Чтобы форма составленного стержня была близка к кругу и в местах стыка. Так как навитая магнитная система неразъемная, то обмотки с помощью специальных станков приходится наматывать («вматывать») непосредственно на стержне. У навитых магнитных систем переход из стержней в ярма плавный, совпадающий с направлением магнитного потока, тем самым исключаются добавочные потери в местах перехода стержней в ярма под прямым углом при применении анизотропной стали. Кроме того, процесс сборки трансформаторов с пространственными магнитными системами может быть полностью механизирован. Однако, по ранее указанным причинам, они нашли применение только в трансформаторах небольшой мощности.
Для упрощения конструкции и технологии сборочно-разборочных операций в трехфазном трансформаторе применяют главным образом плоскую несимметричную магнитную систему (рис. 3, б). Она состоит из трех стержней, расположенных в одной плоскости, и перекрывающих их ярм — верхнего и нижнего. Из рис. 3, б видно, что длина пути А—Б магнитного потока среднего стержня меньше длин пути потока крайних стержней. Асимметрия магнитной системы несколько сказывается на значении токов холостого хода отдельных фаз.
Фазные обмотки на стержнях трехфазной магнитной системы размещаются так же, как и на однофазной, — концентрически соосно и соединяются в трехфазные схемы.
Стоимость изготовления и монтажа одного трехфазного трансформатора ниже стоимости трех однофазных на ту же суммарную мощность. Современные силовые трансформаторы преимущественно имеют трехфазное исполнение. Масса трехфазного трансформатора на 30—35% меньше массы трех однофазных трансформаторов. Кроме того, он экономичнее в работе и обслуживании.
Применение в отдельных случаях однофазных силовых трансформаторов объясняется тем, что одновременное повреждение нескольких фаз маловероятно. Поэтому достаточно иметь один запасной однофазный трансформатор, чтобы в случае аварии заменить поврежденную фазу. Однако в настоящее время однофазные трансформаторы применяют только для очень крупных мощностей, где транспортировка и установка трехфазных трансформаторов, имеющих большие массы и размеры, вызывает значительные трудности.
Различия между трехфазным трансформатором и однофазным трансформатором
Трансформаторы являются важными компонентами электрических систем, без них большая часть окружающего нас оборудования, которое мы считаем само собой разумеющимся, была бы невозможна. Отличие трехфазного трансформатора от однофазного заключается в количестве электрических проводников, используемых для соединения вторичных обмоток с нагрузкой. Однофазный трансформатор имеет два проводника, а трехфазный трансформатор обычно имеет три.
Определение
Трансформатор — это устройство, используемое для передачи электрической энергии от одной цепи к другой посредством электромагнитной индукции. Его основная цель — преобразовать одно напряжение переменного тока (AC) с одного уровня на другой. Это достигается за счет изменения магнитной потокосцепления между его входной и выходной обмотками, что осуществляется путем пропускания переменного тока через первичную обмотку.
Трехфазный трансформатор — это тип трансформатора, используемый в электрических системах. Это устройство, имеющее три обмотки или катушки, подключенные к одной и той же трехфазной электрической линии. Первичная обмотка используется для получения напряжения от источника питания, а вторичные обмотки используются для передачи мощности на нагрузку.
Однофазный трансформатор — это трансформатор, который имеет только одну обмотку или катушку и подключен к однофазной электрической линии. Однофазный трансформатор имеет входную катушку и выходную катушку, причем выходная катушка получает электроэнергию от линии.
Функция
Трехфазный трансформатор принимает однофазное входное напряжение и делит его на три фазы. Затем он увеличивает или уменьшает напряжение в зависимости от конфигурации трансформатора. Затем трехфазный выход трансформатора используется для питания устройств нагрузки.
Однофазный трансформатор принимает однофазное линейное напряжение и либо повышает, либо понижает его по мере необходимости в зависимости от конфигурации. Выход однофазного трансформатора используется для питания устройств нагрузки.
Сфера использования
Трехфазные трансформаторы обычно используются в промышленном оборудовании, электродвигателях и когда требуются более высокие уровни напряжения для больших нагрузок. Эти трансформаторы также часто встречаются в линиях распределения электроэнергии и соединениях с электросетями.
Однофазные трансформаторы в основном используются в жилых или небольших коммерческих помещениях, где нагрузки обычно имеют более низкое напряжение. Они также широко используются в цепях управления небольшими двигателями, источниках питания и других подобных устройствах.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество трехфазного трансформатора заключается в том, что он более эффективен, чем однофазный трансформатор того же номинала. Это связано с тем, что трехфазный трансформатор имеет в три раза большую мощность или в три раза большую эффективность, чем однофазный трансформатор. Он также требует меньшего тока, что полезно в некоторых приложениях.
Основным недостатком трехфазного трансформатора является то, что он дороже однофазного трансформатора того же номинала. Это связано с тем, что обычно требуется три отдельных обмотки или катушки, в отличие от одной катушки для однофазного трансформатора.
Главное преимущество однофазного трансформатора в том, что он дешевле трехфазного. Это связано с его упрощенной конструкцией, для которой требуется только одна первичная и одна вторичная катушки по сравнению с тремя для трехфазного трансформатора. Он также требует меньшего тока, что полезно в некоторых приложениях.
Основным недостатком однофазного трансформатора является то, что он менее эффективен, чем трехфазный трансформатор. Это связано с его однофазным входом, который требует большего тока для питания той же нагрузки, что и трехфазный вход.
Заключение
Подводя итог, можно сказать, что разница между трехфазным трансформатором и однофазным трансформатором заключается в количестве электрических проводников, используемых для подключения вторичных обмоток к нагрузке. Трехфазный трансформатор имеет три проводника, а однофазный только два. Они оба имеют свои преимущества и недостатки и используются в различных приложениях в зависимости от их требований.
Принцип работы трехфазного трансформатора
Трансформаторы – статические электромагнитные аппараты, с помощью которых возможно преобразовать переменный ток из одного класса напряжения в другой, при этом с неизменной частотой.
В энергосистемах трансформатор, преобразовывающий электроэнергию трехфазного напряжения, называют трехфазным силовым. Для передачи электроэнергии от генераторов электростанций к линиям электропередач (ЛЭП) применяют повышающие трансформаторы (они увеличивают класс напряжения), от ЛЭП к распределительным подстанциям и далее к потребителям – понижающие (они уменьшают класс напряжения).
Конструктивная особенность
Трехфазный трансформатор имеет основу – магнитный сердечник, собранный из трёх ферромагнитных стержней. На стержнях располагаются первичная обмотка высокого напряжения и вторичная обмотка низкого напряжения. Для соединения фаз первичных обмоток применяют схемы «треугольник» либо «звезда». Аналогичным способом соединения выполняются и вторичные обмотки.
На первичную обмотку подаётся электроэнергия из питающей сети, а на вторичную подключается нагрузка. Электроэнергия передаётся за счет электромагнитной индукции. Главная функция магнитопровода – обеспечить между обмотками магнитную связь. Магнитопровод изготавливают из тонких стальных пластин (так называемая, электротехническая листовая сталь). Чтобы сократить потери, стальные листы между собой изолируют, используя оксидную пленку или специальный лак.
Обмотки с магнитопроводом погружаются в бак, в котором находится трансформаторное масло. Оно одновременно выполняет функцию изоляции и охлаждающей среды. Такие трансформаторы называются масляными. Трехфазный трансформатор, у которого в качестве охлаждения и изоляции используется воздух, называют сухим. Недостаток масляных трансформаторов заключается в повышенной пожароопасности.
Принцип действия
Электромагнитная индукция – базовое явление в работе трансформатора.
Из электрической сети подается питание к первичной обмотке, в ней появляется переменный ток, в магнитопроводе при этом образуется магнитный переменный поток. Как известно из физики, если поместить второй проводник в магнитное поле, в нем также появляется переменный ток. В качестве второго проводника в трансформаторе выступает вторичная обмотка. Таким образом, в ней появляется напряжение.
Разница между первичным и вторичным напряжением зависит от коэффициента трансформации, который определяется числом витков в обмотках.
Назначение трехфазного трансформатора
Трансформаторы применяются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Она вырабатывается на электростанциях и при ее передаче происходят потери, вызванные нагреванием проводов. Чтобы снизить их, требуется уменьшить силу тока. Это достигается за счет увеличения напряжения. При этом его показатель должен находиться в диапазоне от 6 до 500 кВ.
Кратность увеличения рассчитывается на основе значений передаваемой мощности и расстояния, через которое нужно передать электроэнергию. Мощность, передаваемая при этом, зависима от напряжения и силы тока.
После того как совершилась передача электроэнергии, нужно снизить напряжение до требуемой потребителями величины.
Именно для изменения напряжения используются трехфазные трансформаторы. Перед передачей электроэнергии они служат для того, чтобы повысить, а после – чтобы понизить его.
Принцип действия трехфазного трансформатора
Основные рабочие элементы трёхфазного трансформатора – магнитопровод и обмотки. На каждую фазу приходится по паре обмоток: понижающая и повышающая. Так как оборудование является трехфазным, соответственно и обмоток 3 пары. Они никак не соединяются между собой. Принцип работы трансформатора основан на электромагнитной индукции.
При подаче питания на первичную обмотку в ней начинает протекать переменный ток. Он приводит к появлению в сердечнике магнитопровода магнитного потока, который воздействует на обмотки во всех фазах. В каждом витке начинает появляться одинаковая по своим параметрам электродвижущая сила.
Если витков вторичной обмотки больше, чем первичной, то напряжение на выходе возрастает. Этот же принцип действует и в обратную сторону. При меньшем количестве витков вторичной обмотки – напряжение на выходе падает.
Разное соединение обмоток изменяется разница в напряжении между фазами. При соединении звездой начальное напряжение в 1.73 раза больше, чем конечное. Соединение треугольником обеспечивает одинаковое фазное и линейное напряжение. Использование звезды выгодно при работе с высокими напряжениями, а треугольника – при повышенных токах. В зависимости от типа расположения стержней выделяются: плоская и пространственная, а также симметричная и несимметричная магнитные системы.
Строение трехфазного трансформатора
Трансформатор состоит из нескольких ключевых элементов, позволяющих обеспечить безопасную работу принципа электромагнитной индукции:
· Магнитопровод – служит в качестве крепежного элемента для всех частей оборудования. За счет его формируется направление движение основного магнитного потока. Особенности крепления обмоток к сердечнику магнитопровода определяют его тип. Он может быть броневым, стержневым или бронестержневым.
· Обмотки – 3 высшего напряжения и 3 низшего. При изготовлении обмоток небольшой мощности используется медь. Провод может иметь круглое или прямоугольное сечение.
· Бак – элемент трансформатора, внутри которого устанавливается его активная часть. Чаще всего он представлен в виде стального овального резервуара. При небольшой мощности охлаждение происходит естественным путем, а для трансформаторов высокой мощности требуется охлаждение при участии минерального масла. Оно выполняет 2 функции: охлаждение и повышение изоляции.
· Ввод – изготовленный из фарфора проходной изолятор.
· Вывод.
В зависимости от проводимых мощностей, на трехфазный трансформатор может устанавливаться дополнительная аппаратура:
· Расширительный бак – резервуар, объем которого равен примерно 10% объема трансформаторного масла. Он служит для компенсации изменений температуры при работе оборудования. С его помощью обеспечивается постоянное заполнения бака маслом, независимо от температуры воздуха и воздействующих нагрузок.
· Выхлопная труба – служит для защиты от разрушения бака в случаях, когда повышается давление внутри бака. Это происходит при внутренних повреждениях: КЗ, пробои и т.д. При этом выхлопная труба является вторым элементом защиты, который начинает работать в случае, если не произошло автоматическое отключение поврежденного трансформатора.
· Пробивной предохранитель – используется для предотвращения роста потенциала со стороны обмотки низшего напряжения при пробое между обмотками.
· Контрольные приборы и сигнализация – устройства, которые используются для отслеживания правильности работы и подачи сигналов при обнаружении неисправностей.
Использование дополнительных элементов позволяет обеспечить правильное и стабильное функционирование при работе трансформатора. С его помощью добиваются повышения безопасности работы, защиты от внутренних повреждений и разрывов изоляции.
Область применения трехфазных трансформаторов
Трехфазные трансформаторы чаще всего применяются в промышленности. Их используют в сетях, где требуется питать большие нагрузки, например, при работе станков ЧПУ. Они незаменимы для обеспечения производственных мощностей электроэнергией.
Сделайте заказ на трёхфазный трансформатор в нашей компании, и мы быстро осуществим доставку и монтаж оборудования. Мы оказываем всестороннее проектирование, внедрение и обслуживание оборудования на объектах.
Различия между трёхфазным и однофазным напряжением
Термины «однофазная» и «трехфазная» сеть знакомы любому обывателю, однако далеко не все понимают разницу между этими понятиями. В этой статье мы постараемся доступно объяснить, чем трехфазное напряжение отличается от однофазного, и в каких случаях применяется тот или другой вариант.
Одна фаза
В большинстве случаев бытовые потребители получают электрический ток напряжением 220-230 В, при частоте 50 Гц. Для его подачи применяют один фазный и один нулевой проводник. На фазную линии подают напряжение, а нулевую заземляют на подстанции. Может показаться, что вся суть питания в однофазной сети заключается в перетекании электричества от фазной линии на нулевую.
На практике напряжение на фазе попеременно то повышается на 220 В относительно нулевого значения, то опускается на такую же величину. Говоря техническим языком, происходит «смена полярности». Это провоцирует движение заряженных частиц то в одном, то в другом направлении (отсюда звание такого тока — «переменный»). 50 Гц указывает на периодичность смены полярности на фазе за одну секунду времени. Напряжение, которое замеряется между фазой и нулем, называют фазным.
Интересно! Если быть предельно точным, то степень колебания напряжения тока на фазе относительно нуля доходит до 311 В. Его также называют амплитудным значением напряжения (Um). Что касается величины 220 В, то она является усредненной.
Три фазы
В состав трехфазной схемы входят четыре провода: один «ноль» и три «фазы». Модель поведения каждой фазы полностью соответствует вышеописанному алгоритму в однофазной сети. Частота смены полярности (50 Гц) и значение перепада относительно нуля в этом случае также совпадают.
Главные отличия трехфазной сети от однофазной:
1. Перепады потенциала на каждой фазе происходят не одновременно, а с некоторой задержкой по времени относительно друг друга. Как правило, степень сдвигания соответствует 1/3 периода.
2. Значение напряжения между отдельными фазами достигает 380-400 В. Причина — сдвигание периода колебания между фазными линиями. То есть при максимальном значении напряжения на одном проводе второй может иметь минусовое значение величиной до 150 В и более. Такой тип напряжения называют «межфазным».
Все магистральные линии имеют трехфазное напряжение, однако при разводке питания по отдельным квартирам используют общий «ноль» и одну из фаз. Это позволяет получить стандартную однофазную сеть с фазным напряжением 220 В. На объектах, внутри которых используются схемы и на одну, и на три фазы, рекомендуется использовать стабилизаторы напряжения итальянского производителя ORTEA. Эта компания производит качественные приборы для однофазных и трехфазных сетей с точностью стабилизации 0,5%.
Плюсы и минусы трехфазной сети
Недостатки трехфазного питания:
• Дороговизна. Для организации проводки требуются дорогостоящие 4-жильные кабели, трехфазные автоматы и УЗО.
• Сложность монтажа. Трехфазная сеть требует использования соответствующих трансформаторов и преобразователей.
Преимущества трехфазной сети:
• Есть возможность подключать мощное оборудование. Технические нормативы предписывают удерживать от использования в однофазной сети электрических приборов суммарной мощностью 12 кВт.
• Снижение потерь при транспортировке электроэнергии. На однофазных линиях такие потери в 6 раз выше.
Большинство мощных электроприборов разрабатываются под трехфазное питания, что благотворно влияет на их КПД и исключает вероятность перекоса фаз. Оборудование данного типа рекомендуется подключать через качественные стабилизаторы напряжения (хороший вариант — трехфазный стабилизатор Orion).