Иногда возникает необходимость подключить мощную однофазную нагрузку к трехфазной сети. Самый простой путь – подключить нагрузку к любой из трех фаз (то есть между фазным проводом и нейтралью) – подходит далеко не всегда. Во-первых, это может привести к так называемому перекосу фаз, т.е. к возникновению существенной разницы между напряжениями разных фаз. Перекос фаз нарушает нормальную работу трехфазных приборов (например, электродвигателей), а также приводит к понижению или повышению напряжения питания однофазных потребителей. Во-вторых, во многих случаях разрешенная мощность сети ограничивается автоматическими выключателями («автоматами»), которые могут срабатывать при питании мощной однофазной от одной из фаз, даже если мощность однофазного потребителя не превышает разрешенную мощность трехфазной сети в целом.

Для решения указанных проблем можно использовать устройство, преобразующее трехфазное напряжение сети в однофазное.На нашем  заводе трансформаторов разработаны, запатентованы и производятся трансформаторы, преобразующие трёхфазную сеть в однофазную. Сокращенно такие трансформаторы называются ТСТО – трансформатор симметрирующий трёхфазно-однофазный. Трансформаторы производятся двух видов. В ТСТО с гальванической развязкой (ГР) выходные зажимы не имеют гальванической связи с питающей сетью; в ТСТО без гальванической развязки (обозначаются буквами НГР) выходные зажимы имеют гальваническую связь с питающей сетью. Цифры в наименовании указывают мощность в кВА. ТСТО обеих разновидностей (как ГР, так и НГР) подключаются к питающей сети с помощью трех проводов, нейтральный провод сети не используется. Токи потребления по фазам распределяются в соотношении 1:2:1, или 25-50-25 %, при этом ток через нейтральный провод отсутствует.

При принятии решения о том, применять ли ТСТО с гальванической развязкой или без гальванической развязки, необходимо учитывать следующее.

Трансформатор без гальванической развязки (ТСТО-ХХ-НГР)

Трансформатор без гальванической развязки (ТСТО-ХХ-НГР) можно применять в том случае, если имеется возможность разделить нейтральный провод сети и нейтральный провод потребителей (нагрузки) – последний будет подключаться к ТСТО. Если же нейтрали сети и нагрузки не разделять, то распределение тока по фазам может отличаться от заявленного, т.е. симметрирование может быть нарушено. При применении ТСТО с гальванической развязкой (ТСТО-ХХ-ГР) нейтрали сети и потребителей можно разделять, можно не разделять распределение токов по фазам в любом случае будет соответствовать указанному в паспорте (1:2:1). Кроме того, ТСТО с ГР позволяет создать систему электропитания, не имеющую гальванической связи с землёй.

Таким образом, ТСТО с гальванической развязкой обладают большей универсальностью, но они являются и более дорогими – цена примерно в полтора раза больше.

Следует также учитывать, что потребляемая от сети полная мощность в 1,33 раза больше мощности, потребляемой нагрузкой от ТСТО.

Симметрирующий трансформатор ТСТ

Симметрирующий трансформатор ТСТ – это устройство, которое уменьшает (устраняет) несимметрию напряжений (перекос фаз) в трёхфазных электрических сетях низкого напряжения (0,4 кВ), а также выравнивает токи нагрузки по фазам. Кроме того, ТСТ снижает несинусоидальность напряжения, увеличивает ток короткого замыкания, повышает пропускную способность линии и уменьшает в ней потери. ТСТ обеспечивает работу при наличии как трехфазной нагрузки с значительной несимметрией токов, так и при питании подключённых к разным фазам сети однофазных нагрузок разной мощности.

Принцип действия ТСТ состоит в выравнивании фазных напряжений путём перераспределения мощности между фазами. При подключении нагрузки к одной из фаз происходит перераспределение мощности этой нагрузки: половина мощности отбирается от той фазы, к которой подключена нагрузка, а от двух других фаз отбирается по одной четвертой части мощности нагрузки. Это создает более равномерное распределение мощности между фазами, что уменьшает разницу между величинами фазных напряжений. Поскольку на практике нагрузки подключены ко всем трём фазам, эффект симметрирования возрастает. Важно отметить, что ТСТ формирует искусственный нулевой провод, который соединяется с нулевым проводом нагрузки.
    

Если сравнивать ТСТ с трёхфазными стабилизаторами напряжения, то ТСТ обладает рядом достоинств в сравнении со стабилизаторами. Главным достоинством является более высокая надёжность, поскольку ТСТ не содержит, в отличие от стабилизатора, подвижных элементов, электронных компонентов. ТСТ при прочих равных условиях обладают меньшими массогабаритными показателями, меньшей стоимостью. В отличие от стабилизатора, к одной фазе может быть подключена нагрузка равная полной номинальной мощности ТСТ (в обычных стабилизаторах – только 33 % нагрузки). Вместе с тем, ТСТ не поможет в тех случаях, когда фазные напряжения сети постоянно завышены или занижены – в этом случае придётся воспользоваться стабилизатором напряжения.

Фотографии некоторых устройств приведены ниже:

Ниже приведен материал, который позволяет лучше понять суть проблемы и наглядно показывает суть явления перекоса фаз. Данный материал взят с электронного ресурса и отредактирован.

Устранение перекоса фаз (напряжений), перекоса фазных нагрузок, выравнивание (симметрирование) напряжений (фаз), равномерное распределение нагрузок по фазам питающей сети существенно снижает расход электроэнергии, топлива генератора, обеспечивает безотказную работу электроприемников.

Сущность явления перекоса фаз

Явление перекоса фаз известно практически всем, кто, так или иначе, сталкивается с проблемами, связанными с потреблением электроэнергии. Перекос фаз проявляется в трехфазных четырех- (пяти-) проводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

В идеальном состоянии фазное напряжение (напряжение между каждой из трех фаз и нулевым рабочим проводником) составляет 220 В. Векторная диаграмма напряжений генератора (модель, отображающая взаимосвязь и взаиморасположение фазных и линейных напряжений) показана на рис. 1.

Линейные напряжения образуют равносторонний треугольник с вершинами UA, UB, UC. Фазные напряжения 0A, 0B и 0C равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°. Данная модель является идеальной и перекос фазных напряжений в ней отсутствует.

При подключении нагрузки на разные фазы, которая всегда отличается и по величине, и по характеру - резистивная и реактивная (индуктивная и емкостная), в питающей сети возникает перекос фазных напряжений. Помимо вреда, который наносит электроэнергия низкого качества непосредственно электроприемникам, возникают уравнительные токи, вызывающие дополнительный расход электроэнергии, и, соответственно, топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора. Схема, иллюстрирующая условия возникновения перекоса фаз (напряжений) представлена на рис. 2, где RA, RB, RC - активные сопротивления нагрузок по фазам, причем RA > RB > RC ≠ 0.

Если бы сопротивления нагрузки были равны, то токи, через них протекающие так же были равны между собой. Учитывая то, что угол сдвига между ними равен 120°, то их геометрическая сумма равнялась бы нулю.

Однако при их неравенстве в результате суммирования возникает ток I00', который называется уравнительным (см. рис. 2.). А, следовательно, напряжение U00', которое называется напряжением смещения. Графически напряжение смещения показано на рис. 3. красной сплошной линией. Красным пунктиром обозначены фазные напряжения, сдвинутые друг относительно друга на произвольный угол и отображающие перекос фаз. Белым пунктиром показана идеальная ситуация без перекоса фазных напряжений.

Чем больше уравнительный ток, тем больше Ваши потери электроэнергии. Чем больше напряжение смещения, тем выше риск повреждений, отключений, отказов, неустойчивой работы Ваших электроприемников, генератора электроэнергии, тем быстрее они изнашиваются, тем больше потребляют ресурсов.

Последствия перекоса фаз

Последствия перекоса фаз проявляются в увеличении электропотребление из сети; в неправильной работе электроприемников, их сбоях, отказах, отключениях, перегорании предохранителей, износе изоляции. Для трехфазных автономных источников неравномерность загрузки их фаз чревата механическими повреждениями подшипников валов, подшипниковых щитов генератора и приводного двигателя, закоксовыванию форсунок.

Условно негативные последствия перекоса фаз можно разделить на три группы:

1. последствия для электроприемников (приборов, оборудования), связанные с их повреждениями, отказами, увеличением износа, уменьшением периода эксплуатации;
2. последствия для источников электроэнергии (увеличение износа, повреждения, увеличение энергопотребление при питании от госсети, повышенный расход топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора, повреждения генератора, уменьшение периода его эксплуатации);
3. последствия для потребителей, связанные с безопасностью, так как ухудшение качества изоляции может привести:

• к электротравматизму;
• к возгоранию электропроводки или электроприемников;

а также последствия, связанные с увеличением расходов на:

• электроэнергию;
• расходные материалы для генератора;
• ремонт электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;
• приобретение новых электроприемников, отказавших вследствие перекоса фаз.

Традиционные способы решения проблем, связанных с электроэнергией низкого качества

Для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиту отдельных электроприемников или небольшой их группы. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения.

Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменения напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз.

Из изложенного выше ясно, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка, трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью - и электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.

Альтернативная технология

Для решения задачи по устранению перекоса фазных напряжений и обеспечения заданного фазного напряжения необходимо использовать технологию, которая позволит выравнивать напряжение не на каждой из фаз по отдельности, а симметрировать фазы между собой, то есть симметрировать всю трехфазную систему. Такое устройство обладает значительно большей эффективностью, оно не только само потребляет меньше электроэнергии, но и снижает электропотребление из сети для электроприемников.

Использование такой технологии даёт ряд преимуществ. Рассмотрим главные из них.

Экономичность

• снижение уровня энергопотребления из сети при сохранении нагрузки;
• снижение расходов на электроэнергию для питания электроприемников;
• снижение расходов электроэнергии и других ресурсов на обеспечение необходимой величины фазных напряжений;
• снижение расходов на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора;
• снижение расходов на генератор, так как технология позволяет использовать генератор меньшей мощности для той же группы приборов;
• снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;
• снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение устройств, предназначенных для обеспечения заданной величины напряжения и обладающих низкой надежностью и низкой эффективностью (например, электромеханических и электронных трехфазных стабилизаторов напряжения).
• обеспечение возможности подключения фазных потребителей мощностью до 70% от трехфазной мощности.

Надежность

1. Надежность электроприемников. Защита, обеспечение их устойчивой и безотказной работы.

2. Надежность устройства для симметрирования фазных нагрузок и устранения перекоса фазных напряжений. Принцип работы устройства основан на перемагничивании обмоток. Отсутствие подвижных и электронных частей делает устройство исключительно надежным, практически безотказным.

3. Надежность источника электроэнергии. Защита генератора от механических повреждений подшипников валов генератора и приводного двигателя вследствие перекоса фаз.

Безопасность

1. Защита от электротравматизма, возгорания электропроводки или электроприемников, вызванных износом изоляции вследствие перекоса фаз.

2. Обеспечения безопасности за счет применения такой защитной меры, как зануление.

Ниже на рисунках представлены варианты подключения нагрузки без использования представленной технологии и с использованием представленной технологии.

Максимальная нагрузка на одну фазу составляет треть от трехфазной мощности источника электроэнергии.

Подключение мощного однофазного электроприемника вызывает перекос фаз и повышает риск его повреждений и повреждений других электроприемников. Если мощность такого фазного потребителя превышает треть трехфазной мощности, это вызывает его неправильную работу (сбой, отключение, отказ).

Максимальная нагрузка на одну фазу может составлять 70% от трехфазной мощности источника электроэнергии. Источник электроэнергии воспринимает нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Представленная технология позволяет подключать ту же группу электроприемников к генератору электроэнергии меньшей мощности, при этом источник электроэнергии будет воспринимать нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Представленная технология запатентована, не имеет аналогов в России и за рубежом. Оборудование, производимое на основе данной технологии, сертифицировано и соответствует ТУ.

Массовое внедрение такой технологии позволит более рационально использовать электроэнергию, снизить ее потери; обеспечивать тех же потребителей (группы электроприемников) меньшим количеством электроэнергии; снизить затраты на электроэнергию, затраты на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора; продлить срок службы электроприемников, уменьшить их износ, обеспечить безотказную работу электроприемников; снизить расходы на источники электроэнергии, так как для той же группы электроприемников возможно использование генератора меньшей мощности.

• роста цен на энергоресурсы: эффективность технологии повышается при росте цен на энергоресурсы, так как позволяет снизить их расход.
• роста благосостояния населения: тхнология способствует росту благосостояния населения, так как защищает электроприемники от износа и отказов, то есть позволяет снизить расходы не только на электроэнергию, но и на сервисное обслуживание электроприемников.
• введением новых экологических требований: технология способствует защите окружающей среды, так как экономия электроэнергии способствует экономии энергоресурсов, а использование источников электроэнергии меньшей мощности позволяет меньше загрязнять окружающую среду.
• других факторов: технология позволяет отогревать конструкции и коммуникации (при обледенении проводов, промерзании трубопроводов и т.д.); подключать оборудование, чувствительное к значительным отклонениям от номинала, так как устраняет эти отклонения; однофазное оборудование, потребляющее до 50% трехфазной мощности; преобразовывать трехфазную сеть в одно(двух)фазную, трехфазную трехпроводную сеть в трехфазную четырехпроводную сеть, обеспечивать заданный уровень напряжения, отличающийся от напряжения в исходной сети.

Технология повышает надежность энергоснабжения, изменяет экономические показатели.