Как сделать 1 фазу из 3?

Почему возникает вопрос о преобразовании фаз?

 Очень часто наши клиенты задают нам вопрос: «Как сделать из 3 фаз одну и питать всех потребителей от одной фазы?». Причины такого интереса следующие:

1. Нет 3-фазной нагрузки, однофазная в сумме превышает 5 кВт. Или есть однофазная нагрузка мощностью более 5 кВт (или другого ограничения на 1 фазу).
2. Куплен или планируется к покупке однофазный резервный генератор (маломощные 1-фазные генераторы обычно дешевле 3-фазных, 3-фазы обычно начинаются с 8-10 кВт мощности).
3. Для резервирования каждой фазы от инвертора нужен отдельный инвертор. Если питать все от одной фазы, то можно поставить 1 источник бесперебойного питания (инвертор) вместо 3-х.
4. Есть 3-фазный резервный генератор, но ББП однофазный, соответственно, при заряде АБ от генератора происходит перекос фаз.
5. Неправильно распределенная нагрузка по фазам приводит к перекосу фаз и разбросу напряжений по фазам. В поселках со слабой сетью это не решается на уровне отдельного дома, нужно вмешательство энергосетей для решения проблемы. Но часто пользователи пытаются решить эту задачу самостоятельно. 

Сначала рассмотрим методы преобразования 3 фаз в 1, а потом — способы решения типичных проблем, для которых возникает необходимость увеличивать мощность на 1 фазе или распределять мощность 3 фаз.

Рассмотрим методы преобразования 3 фаз в 1. Их несколько, и каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Как преобразовать 3 фазы в 1: основные методы и их особенности

Двойное преобразование выпрямитель-инвертор

Это один из способов, который равномерно загружает 3 фазы на входе. Сначала нужно выпрямить 3-фазное переменное напряжение, а потом преобразовать постоянный ток в переменный инвертором или инверторным стабилизатором.

Есть готовые решения, например, электронные стабилизаторы с функцией «3-в-1», которые преобразуют 3 фазу в одну и стабилизируют ее. Принцип работы состоит в выпрямлении 3-фазного напряжения и преобразования его инверторным стабилизатором в 1 фазу. Преимущество по сравнению с ББП — может работать без аккумуляторов. Недостаток — не обеспечивает резервное электроснабжение.  Такие стабилизаторы делает, например, ГК Штиль.

Модели стабилизаторов напряжения 3 в 1 от ГК «Штиль» подключаются только к трехфазной сети 380 В и ко всем питающим фазам. Для этого на тыльной стороне корпуса устройства предусмотрены клеммные колодки. При этом каждую питающую фазу и нейтральный проводник необходимо подключать в отдельную клемму в соответствии с маркировкой на корпусе изделия. Запитывать от одной фазы «А» другие проводники не допускается: входные фазы должны быть разноименные.

В случае пропадания в электросети фазы «В» или «С» (или сразу обеих) устройство перейдет на электронный байпас, и при этом не будет работать функция стабилизации напряжения. Вся нагрузка переключится на питание от фазы «А». Если пропадет питание на клемме «А», стабилизатор выключится.

Похожие по принципу, но добавляют возможность резервного электроснабжения — онлайн ББП. Принцип работы практически тот же, но после выпрямителя еще стоит DC-DC преобразователь  зарядного устройства для аккумуляторов, который одновременно с питанием инвертора заряжает аккумуляторы. В зависимости от напряжения на аккумуляторах может потребоваться дополнительный преобразователь для повышения напряжения от аккумуляторов в напряжение 220В. Но часто для снижения потерь энергии онлайн-ББП используют в своем составе высоковольтные аккумуляторы напряжением 200-250В.

Как вариант — использовать мощное 3-фазное зарядное устройство для аккумуляторов (с мостовым выпрямителем), а к аккумуляторам подсоединить однофазный инвертор необходимой мощности. Бонус — питание нагрузки от аккумуляторов при авариях в сетях.

Как частный случай — необходимость полностью отделить нагрузку от питающей сети. У нас был такой объект — нагрузкой было аудиофильное оборудование, очень чувствительное к помехам по питанию. Использовались 2 ББП — один в режиме зарядного устройства, другой в режиме инвертора.

По однофазным и 3-фазным инверторам. Конечно, есть мостовая схема инвертора, которая генерирует 3-фазы. Она проще, чем 3 однофазных инвертора. Однако, при использовании такой схемы при пропадании 1 фазы на входе отключаются и 2 другие фазы, потому что 3-фазный инвертор может генерировать только 3 фазы. Он не может брать 2 фазы от сети, а 3 фазу генерировать от аккумуляторов. Поэтому обычно в системах бесперебойного электроснабжения применяются 3 однофазных независимых инвертора, иногда они объединены в 1 корпус и продаются как «3-фазный инвертор», но на самом деле внутри 3 однофазных инвертора. Например, по такой схеме построены 3-фазные ББП МАП Гибрид.

По-настоящему 3-фазный инвертор обычно применяется в сетевых солнечных инверторах, а также в различных китайских 3-фазных гибридных инверторах (например, Deye Sun). У сетевых 3-фазных инверторов при пропадании 1 фазы сети прекращается генерация и по 2-м другим. Гибридный 3-фазный ББП при пропадании 1 фазы на входе переходит в режим питания всех 3 фаз от аккумуляторов. 

Питание нагрузки постоянным напряжением

Как частный случай способа, описанного выше, иногда для питания чисто активной нагрузки — электронагревателей, ламп накаливания, и другой резистивной нагрузки предлагается питать ее от постоянного тока, без инвертора. Это действительно возможно, но нужно учитывать, что напряжение 380В 3 фазы после мостового 3-фазного выпрямителя преобразуется в 520В постоянного тока.

Udc=Uph*2.34, в случае нормативных 230В на фазе 230*2,34=538В DC.

То есть нужно снизить напряжение до выпрямителя в 2,34 раза, например, установкой понижающего трансформатора. Можно снижать напряжение и после выпрямителя, но это уже сложнее.

Трехфазно-однофазный симметрирующий трансформатор (ТСТО)

Назначение симметририрующего трансформатора — устранение перекоса фаз при питании нагрузки, неравномерно распределенной по фазам. Нагрузки подключаются на все три фазы, такое перераспределение позволяет сделать загрузку трехфазной сети значительно более равномерной. Симметрирующие трансформаторы перераспределяют мощность – они могут часть нагрузки (напряжения) «сбрасывать» на соседние фазы. Их назначение – привести трехфазную сеть в равновесное состояние и убрать напряжение смещения, перекос фаз. Электромагнитное (не механическое) перераспределение напряжения также позволяет приблизить значения напряжений на каждой из фаз к номинальному, но на этом сходство со стабилизаторами заканчивается.

Но трехфазный симметрирующий трансформатор (ТСТ) может использоваться для преобразования трехфазной сети в однофазную. Трансформатор, преобразующий трёхфазное напряжение в однофазное в некоторой степени устраняет также и перекос фаз, который возникает при нагрузке трехфазной сети однофазным потребителем большой мощности, а также обеспечивает гальваническое разделение сети.

Принцип действия ТСТ основан на эффекте симметрирования – за счет электромагнитного перераспределения нагрузки по фазам. Перераспределение осуществляется таким образом:

• 50% мощности остается на той фазе, к которой подключена нагрузка,
• по 25% мощности распределяется на две оставшиеся фазы.

Мощность симметрирующего трансформатора должна быть больше мощности однофазной нагрузки. Например, если мощность однофазной нагрузки на выходе ТСТ составляет 5,3 кВА, то мощность ТСТ должна составлять не менее 16 кВА. Для обеспечения указанной однофазной нагрузки из сети будет потребляться приблизительно 7 кВА. Таким образом, целесообразнее использовать ТСТ в трехфазном режиме, т.е. распределять нагрузку по всем трем фазам, именно в этом режиме обычно указывается его паспортный КПД 96-98%. В случае если линейные напряжения сети ниже нормы (например: 320 В вместо 380 В), то ТСТ выполняется с дополнительными обмотками на повышение.

На выходе после трансформатора получаем суммированием векторов напряжений на вторичной обмотке. По заказу дополнительно можно установить подключаемые принудительно обмотки, для повышения выходного напряжения (при сезонном снижении напряжения). При половинной (например) загрузке двух фаз скачек нагрузки на третью до 20% сверх ее «номинала» допускается и не должен привести к выбиванию вводного автомата.  КПД при «трехфазном» подключении 95-98%.

Можно использовать устройство, «преобразующее» трехфазное напряжение сети в однофазное. 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) 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 (при полной загрузке). Такие трансформаторы недешевы  (например, ТСТО на 7 кВА стоит 126 тысяч рублей, при этом он  может питать однофазную нагрузку не более 5 кВА).

ТСТО обеих разновидностей (как ГР, так и НГР) подключаются к питающей сети с помощью трех проводов, нейтральный провод не используется. Токи потребления по фазам распределяются в соотношении 1:2:1, или 25-50-25 %, при этом ток через нейтральный провод отсутствует. При необходимости использования нейтрального провода он может быть соединен с одним из зажимов нагрузки, о чем указано в паспорте изделия.

Применение трансформаторов ТСТ при электроснабжении электроприемников от дизель-генераторов целесообразно в случаях, когда:

• необходимо устранить перекос фазных напряжений дизель-генератора, связанный с неравномерностью фазной нагрузки в отходящей линии;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети;
• необходимо преобразовать трехфазную сеть в одно- или двух фазную сеть и гальванически развязать потребитель от сети, а также уменьшить величины напряжения до значений, соответствующих требованиям электробезопасности в специальных сооружениях;
• необходимо обеспечить однофазную нагрузку равную 50 % мощности 3-х фазного генератора.  http://www.inter-electro.ru/tst.htm

У ТСТ есть и недостатки. Во-первых, на холостом ходу он потребляет. Да-да, и счетчик крутится, хоть и медленно, когда ничего не включено. Во-вторых у него КПД не 100%, а значит денежки еще сверху. Более того, с КПД надо учитывать коэффициент загрузки мощности. Оптимистичные 95% трансформатор даст при мощности, близкой к номинальной. А при мощности в 10 % КПД его будет ужасающий. К тому же в данном конкретном включении потери в меди избыточны — одна из обмоток работает навстречу. КПД трансформаторов — в среднем 95%, умножьте потери на корень из трех для трех фаз

Питание однофазной нагрузки от 2 фаз

Однофазный трансформатор 380/220, подключеный между двумя фазами, может питать однофазную нагрузку от 2 фаз. Получаем увеличение максимального тока однофазной нагрузки в √3, приблизительно в 1.73 раза — немного, но хоть что-то. Минус — КПД! Он указывается при номинальной мощности. Соответственно, если КПД даже 98%, транс в 5 кВА без нагрузки будет жрать около 100ВА, что накрутит счетчик за месяц на лишние 70 кВтч.

Таким образом трансформаторы, конечно, могут помочь справиться с неравномерными нагрузками, но целиком проблему не решают. Трансформатором преобразовать 3 фазы в одну в принципе невозможно!

Еще вариант — 3 трансформатора 220/110. Мощность трансформаторов подбирается согласно току вторичной обмотки. Ток в нагрузке можно удвоить по сравнению с током на вводе. Одна фаза нагружается на 100%, две другие на 100% по току, 50% по мощности (cos phi = 0.5). В однофазную нагрузку можно отдать 2/3 макс. мощности трехфазной сети. Это (66%) несколько выше чем одиночный трансформатор 380/220, который позволит снять 57% макс. мощности трехфазной сети, но потери в проводах будут больше в корень из трех раз.  (рисунок 3-to-1_2.jpg)

Электромашинный преобразователь

Умформер (электромашинный преобразователь, или мотор-генератор)  — это трехфазный двигатель, нагрузкой на валу которого является генератор (синхронный, иногда асинхронный). В этом случае нагрузка на фазы равномерная, мощность однофазной нагрузки может быть равна мощности преобразователя. За счет довольно большой инерции сглаживаются броски пускового тока однофазной нагрузки. Есть специальные агрегаты, предназначенные для кратковременного питания нагрузки при пропаданиях входного напряжения (там на валу есть еще весьма солидный маховик). Своего рода UPS, работающий в течение нескольких десятков секунд, максимум. В свое время применялись на опасных производствах, где внезапное отключение питания недопустимо — поддерживали питание КИПиА, пока она все остановит. Минусы — КПД значительно ниже трансформатора, практически нет маломощных устройств на рынке, при работе изрядно шумит. И еще одна проблема: подобрать приводной двигатель по частоте вращения вала и стабилизировать эту частоту в зависимости от нагрузки, чтобы на выходе генератора было 50 герц. Для этих целей в электромашинных преобразователях использовались центробежные регуляторы и электромагнитные угольные регуляторы тока.

Распространенные проблемы и пути их решения

Самое лучшее решение — сделать так, чтобы не было необходимости питать однофазную нагрузку от 3-фазной сети. В подавляющем большинстве случаев это возможно сделать перераспределением нагрузок по фазам. Это самое правильное и самое дешевое решение. Можно дополнить его установкой реле приоритетов, которые отключат мощную неприоритетную нагрузку при приближении к максимально допустимой мощности на фазе.

Обычно к загородному дому подводится 15 кВт 3 фазы, то есть по 5 кВт на фазу. Подавляющее большинство бытовых потребителей имеет мощность меньше 5 кВт на фазу.

Если есть 3-фазная нагрузка, то вариантов нет — если нужно питать ее от аккумуляторов, то нужен 3-фазный инвертор (или 3 однофазных в режиме синхронизации со сдвигом фаз в 120 градусов). Но строго 3-фазная нагрузка в загородном доме бывает не часто — это обычно мощные 3-фазные электродвигатели (в водоподъемных насосах или в тепловых насосах). Другая мощная нагрузка, даже если она расключена  на 3 фазы, может быть преобразована в однофазную. Например, в электрокотле или бойлере на каждой фазе находятся однофазные ТЭНы, их можно перекоммутировать с подключения «звезда» в параллельное подключение. Варочные поверхности на кухне обычно на 2 фазы, с возможностью подключения к 1 фазе.

Но даже если подключение всех нагрузок на 1 фазу и возможно, то это не очень хорошая идея. Дело в том, что токи нагрузки увеличиваются, соответственно, по тому же кабелю уже будет невозможно питать всю нагрузку, и с большой вероятностью потребуется замена кабеля от щитка (или другого места, где 3 фазы объединяются в одну) до нагрузки.  Обычно в доме до розеток прокладывается кабель ВВГ 3*2,5. Этот кабель может выдержать максимум 20А, и защищается автоматическим выключателем в 16А. То есть максимально вы можете питать через этот кабель нагрузку мощностью примерно 3,5 кВт (230В*16А=3,68 кВт).  Если мощность группы однофазных нагрузок больше, то нужно прокладывать дополнительные кабели или увеличивать сечение существующего.

Мощность на фазе меньше мощности однофазной нагрузки

Но что делать, если все-таки мощности на 1 фазе не хватает? Например, известны случаи, когда мощность сети ограничена 2 кВт на фазу, а питать нужно нагрузку мощностью больше 2 кВт (например, утюг, чайник, стиральную машину). В этом случае самый простой способ — установка трансформатора 400/230В (см. выше). Таким образом, появится возможность питать нагрузку мощностью в 2 раз больше, чем мощность 1 фазы. Распределение нагрузки по фазам будет 50%+50%+0%.

Гораздо более дорогое решение — симметрирующий трансформатор ТСТО. Он позволит распределить более равномерно нагрузку по фазам 50%+25%+25%.

Следующее решение — установка стабилизаторов с преобразованием фаз 3-в-1. Это решение позволит как равномерно распределить нагрузку по фазам, так и увеличить допустимую мощность однофазной нагрузки до 3-х кратной мощности одной фазы сети.

Перекос фаз, напряжение на входе «плавает»

В этом случае лучшее решение — установка трех 1-фазных или одного 3-фазного электронных стабилизаторов с высоким быстродействием. Применять релейные и электронно-механические стабилизаторы в таком случае нецелесообразно. Точность поддержания напряжения в таких случаях обычно не важна, можно установить менее дорогие стабилизаторы с низкой точностью поддержания напряжения. Мощность однофазной нагрузки не должна превышать допустимой мощности по фазе.

Учтите, что применение стабилизаторов выровняет напряжения на выходе, но усугубит перекос напряжений на входе.

Нестабильное напряжение, часто пропадает напряжение в сети

В этом случае нужно в систему ввести аккумуляторы. При сильно нестабильном напряжении на входе лучше использовать онлайн бесперебойник. Он может быть  с преобразованием фаз 3-в-1, или без преобразования количества фаз. См. принцип работы выше

При пропадании напряжения в сети нагрузка питается от аккумуляторов. Если напряжение на АКБ низкое, то у такого онлайн-бесперебойника КПД будет низкий из-за потерь на преобразования напряжения. Лучше использовать модели с высоким напряжением на АКБ, примерно равным или превышающем 220В. Такие модели есть на рынке, они часто используются в качестве бесперебойников для серверных.

Можно разделить зарядные устройства и инверторы, и все время заряжать аккумуляторы от зарядных устройств, а нагрузку питать от инверторов. КПД такого решения низкий, потери на преобразование 220В AC в 48 В DC и обратно — низкий, общий КПД будет около 60-80%. Но такое решение также имеет право на жизнь, оно позволит питать нагрузку более качественным напряжением даже при низком напряжении сети. Нашли видео про подобное решение на «дешманском» оборудовании, мы не рекомендуем это оборудование, но принцип действия понять можно.

Мощность на фазе меньше мощности однофазной нагрузки, часто пропадает напряжение

Если проблема только в ограничениях по мощности на фазе, но напряжение стабильное, то более дешевым решением для обеспечения мощной нагрузки будет использование гибридного инвертора с возможностью добавления мощности от аккумуляторов. Такие инверторы называются гибридными (потому что могут питать нагрузку одновременно как от сети, так и от аккумуляторов). Например, если из сети приходит 2 кВт, а питать нужно нагрузку на фазе 5 кВт, то нужно установить гибридный инвертор функцией подмешивания мощностью 5 кВт. В этом случае когда будет работать нагрузка 5 кВт от сети будет потребление 2 кВт, и от аккумуляторов 3 кВт.

Нужно иметь ввиду, что по количеству энергии должен соблюдаться баланс. То есть если вы можете всегда брать из сети 2 кВт, то общее количество доступной вам энергии будет 2*24=48 кВт*ч. Потребление нагрузки не должно превышать это значение, то есть 5 кВт нагрузку можно будет питать не более 9 часов в сутки. При этом эти 9 часов не должны быть подряд, системе нужно давать успеть заряжать аккумуляторы в периоды, когда нагрузка меньше 2 кВт. Подробнее см. в статье про гибридные инверторы с функцией добавления мощности, у разных производителей эта функция называется по-разному. Например у Xtender она называется «SmartBoost», у SE XW — «Grid Support», у МАП Энергия — «Поддержка сети» и т.п.

В нашем Интернет-магазине есть комплекты для повышения мощности сети. Это хоть и не самое дешевое, но самое правильное решение, если нужно питать нагрузку с мощностью выше, чем допустимая мощность сети. При использовании 3-х таких инверторов можно питать мощную нагрузку на всех 3-фазах, в том числе и 3-фазную.

Нужно питать все группы потребителей от одного резервного инвертора или однофазного генератора

Часто в домах, где нет трехфазной нагрузки, в целях экономии приобретается один однофазный резервный генератор или блок бесперебойного питания. Для того, чтобы распределенная по разным фазам нагрузка питалась от однофазного источника бесперебойного питания (инвертора или генератора), ее нужно на время отсутствия напряжения в централизованной сети объединить в одну группу.  Для этого есть специальные устройства — автоматические коммутаторы фаз.

При наличии нормальных трех фаз, они просто транслируются потребителям, а инвертор МАП стоит (не подключённый к нагрузке) на ответвлении одной из фаз и поддерживает АКБ в полностью заряженном состоянии.

Переключение всех трёх фазных линий проводки на единое 220 В вырабатываемые инвертором происходит при:

• Отключении 1-х и 2-х или 3-х фаз. Примечание: если отключится любая из фаз, кроме фазы к которой подключен МАП, то фаза, к которой подключён МАП, будет транслироваться вместо двух остальных
• Перекосе фаз
• Неправильном чередовании фаз.

Мощность инвертора должна соответствовать мощности потребления всей нагрузки на объекте (со всех трёх фаз).

Такие устройства можно купить у нас в магазине.

Ресурсы

1. Forumhouse #40
2. Преимущества симметрирующих трансформаторов для устранения перекоса фаз
3. Трансформаторы симметрирующие трёхфазно-однофазные (ТСТО, 3 в 1).
4. Как 3 фазы слить в одну

Эта статья прочитана 4912 раз(а)!