Преобразователи числа фаз в электротехнологии

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧИСЛА ФАЗ
В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 621.314(075.8)
ББК 31.261.8я73
         П72

Авторы:
Назаров С. Л. (гл. 1–5), Удинцев В. Н. (гл. 4), Бычков С. А. (гл. 3),
Тарасов Ф. Е. (гл. 1), Беавоги П. (гл. 5), Абдуллаев Ж. О. (гл. 5)

Рецензенты:
кафедра «Энергетика» ФГБОУ ВО «Урал. гос. лесотехн. ун-т» (завкаф. д-р 
техн. наук, проф. Шанчуров С. М.;
директор науч.-техн. центра ООО НПП «РЭЛТЭК» канд. техн. наук Фаткуллин С. М.

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. Сарапулов Ф. Н.

П72
    Преобразователи числа фаз в электротехнологии : учебное пособие / Назаров С. Л., Удинцев В. Н., Бычков С. А. [и др.] ; Мин-во науки и высш. 
образования. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 196 с.

ISBN 978-5-7996-2925-0

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и электрические схемы преобразователей числа фаз — устройств, предназначенных для сопряжения 
специфических электроприемников (однофазных, несимметричных или нелинейных трехфазных) со стандартной трехфазной сетью в целях обеспечения должного качества электроэнергии.
Пособие рекомендовано магистрантам для выполнения курсового проекта 
по модулю «Электрооборудование и электрохозяйство промышленных и гражданских объектов» и для написания магистерских диссертаций, также может быть полезно инженерам-электрикам.

Табл. 6. Рис. 126.

УДК 621.314(075.8)
ББК 31.261.8я73

ISBN 978-5-7996-2925-0 
© Назаров С. Л., Удинцев В. Н.,
 
     Бычков С. А., Тарасов Ф. Е.,
 
     Беавоги П., Абдуллаев Ж. О., 2019
 
© Оформление. УрФУ, 2019

ПРЕдИСЛОВИЕ

У

чебное пособие представляет собой краткое и далеко не полное изложение теории и технической реализации преобразователей числа фаз.
Пособие состоит из пяти глав, содержащих следующие разделы:
· основные понятия теории многофазных систем;
· параметрические преобразователи числа фаз — трехфазно-однофазные симметрирующие устройства и однофазно-трехфаные расщепители фаз;
· трансформаторные трехфазно-двухфазные симметрирующие 
устройства;
· трансформаторные умножители числа фаз для преобразования переменного тока в постоянный (мощные выпрямительные агрегаты);
· примеры моделирования преобразователей числа фаз с помощью современного программного обеспечения и некоторые результаты экспериментальных исследований.
Вопросы теории, систематизации конструкций и проектирования 
преобразователей числа фаз различного назначения подробно освещены в ряде отечественных и иностранных монографий [1–7], изданных в 1930–1960-х гг. К настоящему времени эти издания стали малодоступны из-за отсутствия в библиотеках вузов и платного доступа 
к  ним в сети интернета. Современные работы в этой области посвящены практическому применению преобразователей числа фаз, техническим характеристикам и способам моделирования таких устройств. 
Как правило, эти работы представлены в виде публикаций в многочисленных периодических изданиях.
Целью предлагаемого пособия ставилось изложение теории, классификации, областей применения, методов моделирования преобразователей числа фаз для студентов электротехнологов.

Предисловие

Большое внимание уделено единству обозначений используемых 
величин. Так, в электротехнической литературе принадлежность некоторых величин принято обозначать нижними индексами (к первичным 
или вторичным обмоткам трансформатора, порядку симметричных 
составляющих, числа фаз, величине гармонической составляющей). 
Поскольку в пособии одновременно используются величины, относящиеся к различным определениям, то во избежание путаницы принято следующее обозначение индексов:
· 1, 2, 3 — обозначение величин, относящихся к обмоткам трансформатора, первичным, вторичным, третичным и т. д. (без скобок);
· (0), (1), (2) — обозначение порядка симметричных составляющих — системы Фортескью (в круглых скобках);
· [m] — число фаз преобразователей числа фаз (в квадратных скобках);
· {n} — номер временной гармонической составляющей тока или 
напряжения (в фигурных скобках).

ВВЕдЕНИЕ

П

рактически все производство, передача и распределение 
электроэнергии осуществляется системами переменного 
трехфазного синусоидального тока. Все преимущества трехфазной системы, по сравнению с системами с другим числом фаз, реализуются только при полной симметрии фазных токов и чисто синусоидальной форме токов и напряжений. Эти условия выполняются 
для большинства промышленных предприятий, в которых потребители электрической энергии представлены симметричными трехфазными приемниками (трехфазными двигателями переменного тока) 
или однофазными, равномерно распределенными между тремя фазами сети (осветительная нагрузка).
Однако в некоторых отраслях промышленности (электротехнология, электрофицированный железнодорожный транспорт) применяются мощные одно- и двухфазные приемники, а также иного рода 
тока — постоянного. Наличие таких приемников приводит к несимметрии или несинусоидальности токов питающей трехфазной сети, 
что во многом обесценивает ее техническое совершенство.
Для сохранения преимуществ трехфазной системы при питании таких приемников необходимо применение промежуточных (между сетью и приемником) устройств — преобразователей числа фаз (постоянный ток можно рассматривать как нуль-фазную систему).

ГЛАВА 1.  
Назначение и теория  
преобразователей числа фаз

1.1. Назначение преобразователей числа фаз

П

реобразователи числа фаз представляют собой устройства, 
преобразующие электрическую энергию переменного тока 
определенной частоты f с одним числом фаз m[1] в энергию 
с другим числом фаз m[2].
В настоящее время производство, передача и распределение электроэнергии осуществляется посредством трехфазной симметричной 
системы напряжений. Такое состояние современной электроэнергетики обусловлено следующими причинами:
· передача электроэнергии трехфазной системой, по сравнению 
с системами с иным числом фаз, требует наименьшего расхода 
металла проводников линий электропередач (меди, алюминия) 
и их опор (для воздушных ЛЭП) при прочих равных условиях;
· трехфазная система токов позволяет очень просто получать вращающееся магнитное поле, обеспечивающее работу широкого 
класса электромеханических преобразователей энергии — синхронных и асинхронных электрических машин;
· передача электроэнергии трехфазной системой позволяет обеспечивать совмещение питания как мощных трехфазных приемников, так и многочисленных маломощных однофазных (при 
условии их равномерного распределения по всем фазам трехфазной сети).

1.1. Назначение преобразователей числа фаз

Несмотря на перечисленные достоинства трехфазных систем, существуют немногочисленные исключения, состоящие:
· в наличии мощных однофазных и двухфазных приемников, питаемых от трехфазной сети;
· в необходимости применения однофазных ЛЭП для питания 
трехфазных приемников.
Очевидно, указанные обстоятельства требуют специальных 
устройств — преобразователей числа фаз.
Преобразователи числа фаз находят применение в качестве следующих устройств:
· симметрирующих устройств, обеспечивающих питание мощных однофазных приемников от трехфазной сети (m1 = 3,  
m2 = 1…2);
· расщепителей фаз, обеспечивающих питание трехфазных приемников от однофазной сети (m1 = 1, m2 = 3);
· умножителей фаз вентильных (преобразовательных) трансформаторов для питания мощных выпрямителей (m1 = 3, m2 = 6…24).
По способу реализации (принципу действия) преобразователи числа фаз уместно разделить на следующие виды:
· параметрические, представляющие собой электрическую цепь 
с пассивными элементами (L, C), параметры которых должны 
иметь определенное соотношение между собой. В устройствах 
этого типа сети с различным числом фаз имеют гальваническую 
связь между собой (рис. 1.1, а);
· трансформаторные, в которых преобразование числа фаз основано на явлении электромагнитной индукции. В устройствах 
этого типа сети с различным числом фаз изолированы друг 
от друга (рис. 1.1, б);
· вентильные, в которых преобразование числа фаз происходит 
с промежуточным преобразованием рода тока — переменного 
в постоянный и постоянного в переменный. В устройствах этого 
типа сети с различным числом фаз имеют гальваническую связь 
между собой (рис. 1.1, в);
· электромашинные, в которых преобразование числа фаз происходит с промежуточным преобразованием электрической энергии в механическую. В устройствах этого типа сети с различным 
числом фаз изолированы друг от друга (рис. 1.1, г, д).

Глава 1. Назначение и теория преобразователей числа фаз  

Рис. 1.1. Способы реализации преобразования числа фаз:

а — параметрический; б — трансформаторный; в — вентильные; г, д — электромашинные

1.1.1. Симметрирующие устройства

Несмотря на принципиальную возможность непосредственного 
подключения однофазного приемника к любой многофазной цепи, 
такое подключение единичного мощного приемника (единицы — десятки мегаватт) в значительной степени обесценивает достоинства 
трехфазных систем. Так, для трехфазной сети подключение к ней одного или двух мощных однофазных приемников приводит к значительной несимметрии токов (рис. 1.2, а, в) и, как следствие, к несимметрии напряжений.
Применение промежуточных преобразователей числа фаз (трехфазно-однофазного А1 — рис. 1.2, б, трехфазно-двухфазного А2 — 
рис. 1.2, г) для тех же случаев позволяет симметрировать токи в питающей сети и тем самым уменьшить несимметрию питающих 
напряжений.
Симметрирующие преобразователи числа фаз широко применяются в электротехнологии и электрофицированном железнодорожном транспорте переменного тока.
В электротехнологии преобразователи числа фаз используются как 
симметрирующие устройства для следующих потребителей:
· крупных индукционных тигельных печей промышленной частоты (единичных мощных однофазных приемников — рис. 1.3, а);

1.1. Назначение преобразователей числа фаз

· индукционных канальных печей с числом индукционных единиц n = 1, 2, 4 (потребителей, состоящих из n однофазных приемников равной мощности и, следовательно, требующих преобразования в однофазную, при n = 1, или двухфазную систему, 
при n = 2, 4);
· печей электрошлакового переплава с одним, двумя или четырьмя электродами (n = 1, 2, 4; m = 1, 2 — рис. 1.3, б).

Рис. 1.2. Схемы подключения однофазных приемников  
и их векторные диаграммы напряжений и токов

Рис. 1.3. Примеры применения симметрирующих преобразователей числа фаз

В железнодорожном транспорте переменного тока применение 
симметрирующих устройств обусловлено тем, что электроснабжение 
электровозов переменного тока осуществляется однофазной сетью 
с одним контактным проводом, нейтральным, образованным рельсами. Разделение контактной сети на ряд участков, питаемых одной 

Глава 1. Назначение и теория преобразователей числа фаз  

из фаз трехфазно-двухфазного преобразователя (см. рис. 1.3, в) позволяет равномерно распределять мощности по всем фазам трехфазной 
сети, а следовательно, исключать в ней несимметрию напряжений.

1.1.2. Расщепители фаз

Расщепители фаз представляют собой преобразователи однофазной системы напряжений в многофазную, чаще всего в трехфазную.
Они широко применяются:
· в бытовой технике (стиральные машины, кондиционеры и др.), 
в которой применение полупроводниковых расщепителей фаз 
(транзисторных преобразователей частоты) позволяет сочетать 
достоинства трехфазных электродвигателей с частотным управлением и имеющейся в распоряжении только однофазной сетью. 
В частности, использование таких устройств исключает провалы напряжения, обусловленные пусковыми токами асинхронных двигателей;
· электрофицированных транспортных системах — цехового, рудничного, магистрального транспорта, в которых целесообразна однофазная система напряжений, как имеющая наименьшее 
число проводников.

1.1.3. Умножители фаз

В ряде случаев желательно увеличение числа фаз по сравнению 
с промышленной трехфазной сетью. Прежде всего такое умножение 
числа фаз применяется в мощных выпрямительных установках.
Типичная схема мощной выпрямительной установки показана 
на рис. 1.4. В качестве промежуточного источника питания выпрямителей с током I = 10…60 кА (А3) от трехфазной сети (А1) используют 
специализированные трансформаторы, в которых совмещены функции преобразователя величин напряжений (силового трансформатора) и преобразователя числа фаз (А2). Такие трансформаторы называют преобразовательными (вентильными).