Фазоповоротные трансформаторы (ФТ). Устройство и работа

Фазоповоротные трансформаторы (ФТ) – это разновидность электротехнических преобразовательных устройств, предназначенных для принудительного изменения фазы сетевого напряжения. Острая потребность в таких приборах объясняется необходимостью корректировки фазовых характеристик силовых питающих линий в случае их сильного рассогласования по нагрузкам.

Как работают фазоповоротные трансформаторы и для чего они нужны

Функционирование устройств основывается на свойстве некоторых элементов электрических цепей (дросселей, в частности) влиять на фазу пропускаемого через них сигнала. При их установке в питающую линию появляется фазовый сдвиг между током и напряжением, наблюдаемый на стороне приемника (потребителя). За счет комбинированного использования индуктивных цепочек при желании можно добиться такого положения, когда фаза питающего напряжения на выходе изменится на заданную величину.

Необходимость в изменении фазных характеристик в нагрузке и использовании фазоповоротных трансформаторов вызвана следующими причинами:

Несимметричность нагрузочных цепочек, подключаемых к трехфазной питающей линии.
Неравномерность распределения токов и напряжений в кабельных силовых цепях из-за частичного разрушения изоляции.
Совместное действие обоих перечисленных факторов.

Первая причина связана с тем, что к каждой фазе питающего напряжения подключается «своя» группа нагрузок в виде отдельных объектов с множеством потребителей (например, многоквартирный дом). В различное время суток потребление в таких подключениях постоянно меняется, что приводит к несимметричности их распределения по отдельным фазам.

Еще одна причина необходимости фазовой корректировки в силовых линиях и цепях – постепенный износ и разрушение изоляции питающих кабелей или отдельных проводов. Сильнее всего нарушение фазового баланса по питающим жилам проявляется в случае одновременного действия этих двух факторов. Все перечисленные причины вынуждают работников эксплуатационных служб устанавливать в нагрузочные цепи специальные корректирующие устройства – фазоповоротные трансформаторы.

Необходимость в их использовании особа важна в тех случаях, когда неконтролируемый сдвиг фаз достигает очень больших значений. В подобной ситуации величина полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, резко снижается. Это объясняется тем, что при значительных фазовых сдвигах и большой разницы в токах в цепи начинают проявляться индуктивные свойства.

В результате этого часть передаваемой полезной энергии рассеивается в виде непроизводительных потерь. Добавим к этому, что сильный перекос фаз в определенных ситуациях несет в себе реальную угрозу повреждения дорогостоящего станционного оборудования.

Как устроены фазоповоротные трансформаторы

Изделия, обеспечивающие корректировку (поворот) фазы в нужную сторону, как правило, изготавливаются на основе двух трансформаторов, отличающихся схемой своего включения. Один из них подсоединяется к контролируемой 3-х фазной цепи параллельно, а другой – последовательно. Первый обозначается как «ПТ», а второй – дополнительный – «ПсТ».

Fazopovorotnye transformatory 2

Из приведенной схемы видно, что первичные обмотки ПТ включены по общеизвестной схеме под названием «треугольник». Его вторичные изолированные витки выполнены в виде отдельной катушки, подсоединенной одним концом к отводу вторичных обмоток ПТ, а их ответные части наглухо заземлены.

Первичные обмотки трансформатора ПТ – это полностью изолированные участки, включенные в разрыв силовых питающих цепей. Из приведенной схемы также видно, что последовательный трансформатор подключается по схеме «звезда» (с наглухо заземленной нейтралью). Выбранный способ включения обеспечивает сдвиг фазы напряжения питания на 90 градусов по отношению к сигналу, приходящему со станционного оборудования.

Именно поэтому такие устройства получили название «фазоповоротные трансформаторы» или кросс преобразователи. Они могут устанавливаться в виде самостоятельного узла, подключаемого на входе нагрузки. Но не исключается возможность их вхождения в состав силовых агрегатов совместно с преобразователями другого типа. Из приведенной схемы также следует, что нагрузочные цепи подключаются к ним через фазные обмотки трансформатора ПсТ.

Каким образом происходит коррекция параметров в фазовом преобразователе

Результат коррекции фазовых характеристик любой силовой цепи представляется в виде специальных поправок, вносимых в них фазовращательными устройствами. Для их успешного функционирования проектировщиками этих изделий обязательно учитываются следующие важные моменты:

В подключаемых к ним нагрузочных цепях формируется напряжение, получаемое путем сложения двух векторных величин.
Первая из них образуется источником фазной ЭДС, а вторая вносится самим трансформатором.
Компенсировать непроизводительные потери в линии можно только за счет изменения второй составляющей.
Для точного управления параметрами встроенного ФТ во вторичной обмотке ПТ имеются выполненные виде реостата регулируемые отводы.
Изменяя положение ползунка регулятора можно корректировать величину второй составляющей общей фазы, компенсируя накопленный в линии паразитный сдвиг.

При вращении ручки потенциометра (или при перемещении его ползунка) происходит обнуление накопившейся разницы фаз между векторами ЭДС источника и напряжения на нагрузке.

Особенности конструкции ФТ, определяющие сферы их применения

Фазоповоротные трансформаторы имеют присущие только им эксплуатационные показатели, связанные с особенностями конструкции. Дело в том, что эти агрегаты могут использоваться исключительно в промышленных целях. Более того, масштабы того или иного производства должны оправдывать затраты на изготовление сложного по составу фазоповоротного устройства.

В частных подсобных хозяйствах и для личных целей применение таких агрегатов неприемлемо и неоправданно с любых точек зрения. К особенностям конструкции и технических показателей этих устройств относят:

Очень большие размеры, которые сравнимы с габаритами линейных трансформаторов большинства современных подстанций (ТПП).
Низкий показатель полезного действия (КПД), что объясняется значительными потерями во внутренних цепях электротехнических изделий.
Высокая стоимость сборки и монтажа преобразовательного фазосдвигающего устройства.

С учетом этих особенностей определяется и основное назначение фазовращательных трансформаторов, состоящее в их способности перераспределять нагрузку на трехфазные линии. Одновременно с этим с их помощью удается оптимизировать потребление мощности в рабочих цепях.

Фазоповоротные трансформаторы отличаются сравнительной сложностью своей конструкции, что, в конечном счете, сказывается и на стоимости этих изделий. Однако затраты на их приобретение и монтаж со временем окупаются теми преимуществами, которых удается достичь оптимизацией эксплуатационных характеристик. Большое значение эта особенность приобретает в питающих сетях, к которым подключаются мощные коллективные нагрузки.

Плюсы и минусы преобразующих фазу трансформаторов

К преимуществам применения фазовращательных устройств относят целый ряд уникальных возможностей. С их помощью удается:

Оптимизировать рабочие характеристики силовых линий и обеспечить равномерность распределения подключенных к ним нагрузок (устранить перекос фаз).
Повысить эффективность передачи полезной мощности в нагрузочные цепи.
Исключить возможность выхода из строя дорогостоящего станционного оборудования.

Существенные недостатки этих устройств проявляются в сложности монтажа из-за слишком больших габаритов ФТ. Кроме того, они сказываются в сравнительно высокой стоимости самого изделия, а также работ по его установке в линейные цепи.

Краткая история появления ФТ и перспективы их развития

Первые упоминания о фазовращательных трансформаторах появились во второй половине прошлого века (предположительно – в 1969 году). Ближе к завершению столетия эти устройства стали появляться повсеместно, что подтверждалось данными об их эксплуатации в ведущих европейских странах.

Fazopovorotnye transformatory 3

В 1996 году фазоповоротные трансформаторы появляются сначала во Франции и Германии, а уже к 2009 году упоминания о них встречаются в публичной печати Бельгии, Голландии и Казахстана.

В России правительственное постановление о внедрении фазосдвигающих трансформаторов в различные направления производственного сектора принято не так давно. Но из-за стечения обстоятельств это решение до сих пор не реализовано, а проводимые в данном направлении работы находятся на стадии проектных изысканий. Задержка их внедрения мотивируется тем, что использование таких трансформаторов экономически оправданно только в трехфазных сетях особо крупных промышленных объектов.

Системы управления фазовыми показателями силовых питающих цепей относятся к перспективным направлениям развития электротехнической отрасли. Их внедрение неразрывно связано с интегрированием в производственные процессы уникальных элементов микропроцессорной техники. Реализовать заложенные в этих системах возможности поможет использование современных быстродействующих контроллеров и чувствительных датчиков электрического типа.