06/28/2024で公開されています 539

電力システムにおける三相変圧器接続の理解

産業および商業部門では、3相変圧器が電力の効果的な伝送と分布に役割を果たします。3つの単相トランスを1つのユニットに組み合わせることにより、コスト、サイズ、重量を削減します。これらの変圧器は、建設タイプに関係なく、高電圧巻線と低電圧巻線間の電気エネルギーの均等な分布を保証します。この記事では、それらの構築、操作、および接続構成について説明し、機能とアプリケーションを理解するのに役立ちます。磁束を管理し、エネルギー損失を最小限に抑えるコアタイプとシェルタイプの設計から始まります。また、運用原則、磁束のバランス、デルタ/デルタ、デルタ/ワイ、ワイ/デルタ、ワイ/ワイなどの接続タイプと、ScottやZig-Zagなどの専門的なつながりをカバーしています。ドライタイプと液体で満たされた変圧器の例と比較が提供され、エンジニアが最適なパフォーマンスと信頼性のために適切な変圧器を選択するのに役立ちます。

カタログ

三相変圧器構造

図1：三相トランス構造

彼らは、3つの単相変圧器を1つに組み合わせて、お金、スペース、重量を節約します。コアには、高電圧部品と低電圧部品間の磁気流のバランスをとる3つの磁気回路があります。この設計は、3つのフェーズシェルタイプの変圧器とは異なり、3つのコアをグループ化しますが、それらをマージしません。単一相システムと比較して、システムがより効率的で信頼性が高くなります。

三相変圧器の一般的な設計は、3脚のコアタイプです。各手足は独自の磁気流をサポートし、他の人のリターンパスとして機能し、それぞれ120度の位相がない3つのフローを作成します。この位相差は、磁気流の形状をほぼ正弦波に保ち、安定した出力電圧を保証し、歪みと損失を減らし、パフォーマンスと寿命を改善します。このシンプルで効果的なデザインは、標準的な用途に人気があります。

コアタイプ

図2：コアタイプ

3相トランスのコアタイプ構造では、デザインは3つの主要なコアに焦点を当てており、それぞれが2つのヨークとペアになります。この構造は、磁束を効果的に分布させます。各コアは、コア脚の周りのらせんに巻かれた一次巻線と二次巻線をサポートします。このセットアップにより、各脚が高電圧（HV）と低電圧（LV）巻線の両方を運ぶことが保証され、電気荷重と磁束分布のバランスが取れます。

コアタイプトランスのもう1つの機能は、渦電流損失を減らすことです。変化する磁場によって導体内で誘導される渦電流は、エネルギー損失を引き起こし、効率を低下させる可能性があります。これらの損失を最小限に抑えるために、コアはラミネートされます。これには、渦電流を閉じ込めて衝撃を減らすために、それぞれが他の磁気材料の薄い層を積み重ねて積み重ねることが含まれます。

巻線の位置は別のデザインの側面です。低電圧巻線は、コアの近くに配置されます。LV巻線は低電圧で動作し、断熱材が少ないため、この配置は断熱と冷却を簡素化します。断熱とオイルダクトは、LV巻線とコアの間に導入され、冷却を強化し、過熱を防ぎ、変圧器の寿命を確保します。

高電圧巻線は、LV巻線の上に配置され、断熱され、オイルダクトで間隔を空けます。これらのオイルダクトは、高電圧下での断熱システムの有効性を冷却し、維持するのに最適です。巻線とラミネートコアのこの詳細な配置により、コアタイプの変圧器は、エネルギー損失を最小限に抑え、高い安定性を備えて、高電圧を効率的に処理できます。これらの設計原理により、コアタイプの変圧器は、効率的な磁束管理と高電圧動作を必要とするアプリケーションに最適です。

シェルタイプ

シェルタイプの変圧器は、ユニークな設計と運用上の利点を特徴とする3相変圧器構造に異なるアプローチを提供します。この設計では、フェーズが相互依存しているコアタイプトランスとは異なり、3つの個別の単相​​トランスを積み重ねて3相ユニットを形成します。シェルタイプの変圧器では、各フェーズには独自の磁気回路があり、独立して動作します。独立した磁気回路は互いに平行に配置されており、磁気フラックスが位相にあることを保証しますが、互いに干渉しないようにします。この分離は、変圧器の安定性と一貫したパフォーマンスに大きく貢献します。

図3：シェルタイプ

シェルタイプ変圧器の利点は、波形の歪みを減らします。各フェーズの独立した動作により、コアタイプトランスと比較して、よりクリーンで安定した電圧波形が得られます。これは、歪みが機器の誤動作につながる可能性のある敏感な産業および商業システムなど、電圧の品質が損なわれるアプリケーションで重要です。

シェルタイプの変圧器も効率的です。各フェーズは、特定の負荷条件に対して独立して最適化し、信頼性と効率を高めることができます。波形の歪みの減少は、高調波損失を最小限に抑え、トランスの効率と寿命をさらに改善します。

コアタイプとシェルタイプの変圧器の両方の構造と動作により、エンジニアと技術者が電気システムに適したトランスを選択するのに役立ちます。高電圧の処理、エネルギー損失の最小化、安定した電圧供給の確保が必要かどうかにかかわらず、適切なトランスタイプを選択すると、最適なパフォーマンスが保証されます。

三相変圧器の動作

図4：3相トランスの動作

120度間隔を置いた3つのコアは、3相トランスで使用され、一次巻線によって生成された磁束の効果的な相互作用を保証します。トランスのコアは、プライマリ巻線で電流IR、IY、およびIBによって生成された磁束を処理します。これらの電流は、磁束を作成します。3相電源に接続されているこれらの電流は、コアに磁束を誘導します。

バランスの取れたシステムでは、3相電流（IR + IY + IB）の合計はゼロであり、中心脚の磁束磁束ゼロ（ɸR +ɸY +ɸB）がゼロになります。したがって、他の脚が独立してフラックスを処理するため、トランスは中心脚なしでは機能します。三相変圧器は、3つのフェーズに均等に電力を分配し、エネルギー損失を減らし、電源の安定性を高めます。効率的なトランス動作に必要なコア構造のフラックスバランス。3相変圧器のコア内の磁束の分布は、機能するためにバランスをとる必要があります。コアの120度の配置と電流の正確な誘導により、効率的な動作が保証されます。

三相変圧器接続

さまざまな要件を満たすために、3相変圧器巻線をさまざまな方法で結合できます。「スター」（ワイ）、「デルタ」（メッシュ）、および「相互接続スター」（Zig-Zag）は、3つの主要な接続です。組み合わせには、アプリケーションに応じて、セカンダリスター接続と接続されたプライマリデルタ接続、またはその逆も含まれます。

図5：三相変圧器の接続

デルタ/デルタ接続

Delta/Delta接続は、単一の二次電圧が必要な場合、または一次荷重が主に3相機器で構成されている場合に広く使用されています。このセットアップは、480 Vまたは240 Vで動作する大きな3相モーター負荷を備えた工業用設定で一般的であり、最小限の120 V照明と容器のニーズがあります。一次巻線と二次巻線のターン比は、必要な電圧と一致しているため、このセットアップは異なる電圧変換に適していません。

図6：デルタ/デルタトランスのシンボル

図7：デルタ/デルタトランスの接続図

利点

デルタ/デルタ接続には、いくつかの利点があります。利点の1つは、回線電流の57.8％のみである縮小位相電流です。この削減により、3相荷重を供給するライン導体と比較して、各単相変圧器の導体が小さいことが可能になり、材料コストが低く、システムが簡素化されます。さらに、高調波電流はキャンセルする傾向があり、一次回路と二次回路間で電気ノイズを分離するトランスの能力が向上します。これにより、負荷の急増中の変動が最小限の安定した二次電圧が得られます。単相変圧器が故障した場合、システムは、58％の容量が低下しているにもかかわらず、開いたデルタ構成を介して3相電圧を提供できます。

短所

これらの利点にもかかわらず、デルタ/デルタ接続には顕著な欠点があります。1つのセカンダリ電圧のみを提供します。これにより、さまざまな電圧ニーズに合わせて追加の変圧器が必要になる場合があり、システムの複雑さとコストが増加します。一次巻線導体は、完全な一次電圧のために絶縁されている必要があり、高電圧用途に追加の断熱材を必要とします。もう1つの欠点は、二次側に共通のグラウンドポイントがないことです。これは、地上の高電圧につながり、安全性のリスクをもたらし、潜在的な機器の損傷を引き起こす可能性があります。

デルタ/ワイ接続

Delta/WYE接続は、異なるセカンダリ電圧で使用される一般的な変圧器セットアップです。さまざまな電圧レベルを同時に提供する必要があるシステムに最適です。たとえば、工場や商業ビルでは、重機の高電圧と照明の低電圧と一般的な使用アウトレットが必要になることがよくあります。典型的な用途には、モーターに208 V、ライトとアウトレットに120 Vの提供が含まれる場合があります。Delta/WYE接続は、これらの異なる電圧のニーズをうまく処理できます。

このセットアップでは、一次巻線はデルタ（δ）の形状であり、二次巻線はワイ（Y）の形状です。一次側のデルタ接続は、高出力負荷を処理するのに適しており、強力で安定した電源を与えます。これは、大きなモーターと重機を備えた産業環境で役立ちます。デルタの配置は、特定の種類の電気ノイズを減らし、接続されたデバイスへのよりクリーンな電源を確保するのにも役立ちます。

図8：デルタ/ワイトランスのシンボル

図9：デルタ/ワイトランスの接続図

利点

WYE接続により、セカンダリライン電圧は、各単相トランスの一次巻線と二次巻線で同じ数のターン数で1.73倍大きくなります。これは、ステップアップトランスアプリケーションに有益です。二次巻線は、完全な二次ライン電圧のために絶縁する必要がないため、断熱材が少なくなります。二次側での複数の電圧が可用性により、208 Vライン電圧を備えた3フェーズシステムに120 V荷重を供給する追加の変圧器が供給する必要がなくなる可能性があります。利点とは、システムを接地するための二次側に共通点が存在し、電圧の電位を接地するために制限し、二次相電圧を超えるのを防ぎます。

短所

ただし、Delta/WYE接続には欠点があります。一次巻線は、完全な3相ライン電圧のために絶縁されている必要があり、特に高電圧のステップダウンアプリケーションには追加の絶縁が必要です。二次WYE接続は高調波電流をキャンセルせず、変圧器の安定性と効率に影響を与えます。二次巻線は、3相電流全体を運ぶ必要があります。つまり、同じ容量のデルタシステムよりも大きくなければなりません。

ワイ/デルタ接続

WYE/DELTA接続とも呼ばれるY/Δ変圧器接続は、電力システムの一般的なセットアップです。単一のセカンダリ電圧が必要な場合、またはメイン負荷が工業用モーターや重機などの3フェーズ機器である場合に役立ちます。このセットアップは、ステップダウントランスでもよく使用され、高プライマリ電圧を下げて、より安全で効率的な二次電圧をより効率的に使用します。

これに関連して、一次巻線はワイ（Y）の形で配置され、それぞれの巻線が一般的に接地された共通の中性点に接続されています。二次巻線はデルタ（δ）の形状で配置され、ループを形成します。位相関係と電圧レベルは安定していますが、このセットアップの助けを借りて三相電力が変換されます。

図10：ワイ/デルタトランスのシンボル

図11：ワイ/デルタトランスの接続図

利点

ターン比は、WYE接続のために1.73（または57.8％）の係数が減少する二次ライン電圧をもたらし、ステップダウントランスアプリケーションに有益になります。これにより、二次高調波電流がキャンセルされ、一次回路と二次回路の間の優れたノイズ分離が提供されます。一次巻線は、完全な3相ライン電圧のために絶縁される必要はなく、高電圧から踏むときに断熱要件を削減する可能性があります。単相変圧器障害が発生した場合は、58％低い容量で、3相の電力を開いたデルタシステムを使用して配信できます。

短所

ワイ/デルタ接続には欠点があります。デルタ/デルタ接続のように、照明と容器の負荷を供給するために追加の変圧器が必要なのは、単一の二次電圧のみを提供します。二次側に共通のグラウンドポイントはなく、地面に高い電圧を引き起こします。主要な巻線導体は、完全な3相電流を運ぶ必要があり、同じ容量のデルタ接続のプライマリと比較して、より大きな導体を必要とします。最後に、WYE一次巻線の共通点は、不均衡な負荷による電圧の変動を避けるために、システム中立に接続する必要があります。

ワイ/ワイ接続

WYE/WYEトランスの接続は、ノイズ移動、高調波の歪み、通信干渉、位相電圧の不安定性のためにめったに使用されません。ワイ/ワイのセットアップでは、一次巻線と二次巻線の両方のニュートラルポイントが接地されています。この接地は基準点を提供し、負荷のバランスをとるのに役立ちますが、プライマリサーキットとセカンダリ回路の間でノイズが移動することもできます。これは、片側の電気ノイズが他方に簡単に移動し、敏感な電子機器を傷つけ、非効率性を引き起こすことを意味します。

ワイ/ワイの接続は、電流と電圧を歪める不要な周波数であるハーモニクスを起こしやすいです。ハーモニクスは、整流器や可変周波数駆動などの非線形負荷から生じることがあります。Delta/Wyeなどの他の構成とは異なり、WYE/WYEトランスはこれらの高調波を効果的にキャンセルしません。

図12：ワイ/ワイトランスのシンボル

図13：ワイ/ワイトランスの接続図

短所

•不均衡な負荷に敏感で、巻線に不均衡な電流を引き起こし、過熱して効率の低下につながる可能性があります。

•特に不均衡な負荷を使用すると、循環中性電流が発生する可能性があり、追加の保護対策が必要です。

•ワイ/ワイトランスの接地は、他の構成と比較してより複雑であるため、グランドループや安全上の危険が生じます。

•非線形負荷によって生成される高調波電流からの電圧歪みは、敏感な機器の性能に影響を与える可能性があり、追加のフィルタリングまたは緩和策が必要になる場合があります。

•接続の複雑さと、不均衡な負荷や中性電流などの問題に対処するための追加の措置により、WYE/WYEトランスの実装はより高価になる可能性があります。

デルタまたはV-V接続を開きます

図14：DeltaまたはV-V接続を開く

オープンデルタ接続では、2つの単相トランスが使用されています。このセットアップは、1つの変圧器が故障したり、メンテナンスが必要な場合に役立ちます。最初のセットアップでは3つの変圧器が使用されていましたが、残りの2つは依然として3相パワーを提供できますが、容量は58％です。

この配置では、2つの変圧器の主要な巻線は、片足が開いたデルタで接続されています。位相電圧VABとVBCは、2つの変圧器の二次巻線で生成され、VCAは他の2つのトランスの二次電圧から作成されます。このようにして、3相の電源は、3つではなく2つのトランスで作業を続けることができます。

バランスの取れたデルタデルタ接続からオープンデルタに切り替えると、各トランスはより多くの電流を処理する必要があります。この増加は、通常の量の約1.73倍であり、これにより、トランスは通常の容量よりも73.2％多く過負荷できます。メンテナンス中の過熱と損傷を防ぐには、同じ係数1.73だけ負荷を減らす必要があります。

1つのフェーズが出ると予想される場合、オープンデルタ接続を使用して、変圧器で作業している間、物事を実行し続けることができます。

スコット接続

図15：スコット接続

90°相シフトで2相電圧を作成するには、3相トランスのScott接続で2つの変圧器を使用します。1つは両方の巻線にセンタータップがあり、もう1つは86.6％のタップを持っています。このセットアップにより、2つのトランスを備えた単相システムと3フェーズシステム間のパワーの変換が可能になります。

2つの変圧器は磁気的に分離されていますが、電気的に接続されています。補助変圧器は30°位相シフトと並行して接続しますが、メイントランスは一次巻線で3相供給電圧を取得します。単相負荷の場合、巻線は二次側で並行して接続されています。ソース電圧は、複合セカンダリに移動して、単相を3相に変化させ、バランスの取れた3相出力を与えます。

トランスコアを分離することにより、この磁気分離により、2つの変圧器が過負荷なしで3相電力に必要な3番目の相電圧を作成できます。単一相を3相、または3相から単相から単相電圧を少なくするために、Scott接続は費用対効果の高い選択です。Scott接続は、3相システムを2フェーズシステムに変換するためによく使用されます。

zig-zag三相接続

Zig-Zag Transformer接続には、各位相が2つの等しい半分に分割され、前半は1つのコア、後半は別のコアに分割されます。このパターンは各フェーズで繰り返され、各四肢の2つのフェーズの一部が繰り返され、各手足に1つがエンドポイントで接続されています。

バランスのとれた電圧が適用されると、システムは受動的なままで、誘導電圧が互いにキャンセルされ、トランスが正と負のシーケンス電圧への高インピーダンスとして確立されます。地上断層などの不均衡な状態では、巻線はゼロシーケンス電流の低インピーダンスパスを提供し、電流を3つに分割し、それぞれのフェーズに戻します。インピーダンスを調整して最大のグラウンドフォールト電流を設定するか、トランスを接地抵抗器で使用して、中電圧システム全体で一貫した値を維持することができます。

図16：zig-zag三相接続

ドライタイプおよび液体充填トランス

三相変圧器は、ドライタイプの変圧器と液体で満たされた変圧器の2つの主要なカテゴリに分類されます。各タイプには、冷却方法と構造に基づいてユニークな特性があります。

ドライタイプの変圧器

図17：ドライタイプの変圧器

ドライタイプの変圧器は、冷却に空気を使用します。それらは、開いたフレーム変圧器と鋳造 - レシンコイル変圧器に分かれています。

オープンフレーム変圧器：オープンフレームトランスは、樹脂含浸コアとコイルを露出させ、囲まれたスペース向けに設計されています。通常、最大1000Vの電圧を処理し、最大500 kVAの電力を供給します。それらの設計により、効率的な冷却が可能になり、低ノイズと最小限のメンテナンスが必要な環境に適しています。しかし、それらの露出した性質は、汚染を避けるために制御された環境を必要とします。

鋳造 - 樹脂コイルトランス：鋳造 - 樹脂コイルトランスでは、各コイルがエポキシでしっかりと鋳造されており、より良い保護と信頼性を提供します。最大36.0 kVの電圧を処理し、最大40 MVAの電力を供給できます。エポキシカプセル化は、優れた断熱性、機械的強度、水分および汚染物質に対する耐性を提供します。これにより、産業や屋外の設定に最適です。

液体で満たされた変圧器

図18：液体充填トランス

液体で充填された変圧器は、真空に密閉された金属容器内のミネラル油に浸されています。オイルは冷却と断熱媒体として機能します。これらの変圧器は、6.0 kVから1,500 kVの範囲で、最大1000 MVA以上の範囲で、高出力および電圧アプリケーションに適しています。ミネラルオイルは優れた冷却効率と断熱性を提供し、高需要の産業およびユーティリティアプリケーションに最適です。

真空密閉容器は、環境要因からコンポーネントを保護し、耐久性と信頼性を確保します。液体で満たされた変圧器は、高負荷を処理して安定した性能を維持する能力により、大規模な電力分布に好まれます。物事をスムーズに動かし続け、過熱を避けるためには、オイル浸漬を介して熱を適切に放散する必要があります。

結論

コアタイプであろうとシェルタイプであろうと、三相変圧器の構造は、磁束の管理と損失の削減に価値があります。コアタイプの変圧器は高電圧操作に適していますが、シェルタイプのトランスは波形の安定性と効率を向上させます。バランスの取れた磁束分布と120度のコア配置を含むそれらの運用原則は、効率とエネルギー損失の減少を確実にします。ScottやZig-Zagなどの専門的な接続は、特定のアプリケーションの汎用性を高めます。ドライタイプと液体で満たされた変圧器を選択することは、冷却ニーズ、電圧レベル、環境条件に依存します。さまざまな変圧器タイプと構成の技術的な詳細と利点を理解することで、エンジニアは安定性、効率、寿命のために電力システムを最適化することができます。

よくある質問[FAQ]

1. 3相モーターが相を失うとどうなりますか？

3相モーターがその相の1つを失うと、条件は単一のフェージングとして知られています。モーターは動作を継続しようとしますが、いくつかの悪影響が発生します。まず、モーターはより少ないパワーを生成し、振動とノイズを増やして走ります。また、残りの2つのフェーズでより多くの電流を引き出し、モーター巻線の過熱と潜在的な損傷につながります。これらの条件下で走っている場合、モーターは損傷を受ける可能性があり、その寿命は減少します。実際には、オペレーターは、異常なハミングサウンド、パフォーマンスの低下、そしておそらくモーターケーシングの温度の上昇に気付くでしょう。

2.通常、3相変圧器とは何ですか？

三相変圧器は、デルタ（δ）またはwye（y）構成のいずれかで接続されています。デルタ接続は、各トランス巻線がエンドツーエンドに接続され、三角形を作成し、閉ループを形成します。WYE接続は、各変圧器巻線を共通のニュートラルポイントに接続し、「Y」形状を形成します。これらの構成は、電圧レベル、負荷の分布、および電気システムの接地方法に影響します。

3. 3相変圧器の端子は何ですか？

3相トランスには、一次側に6つの端子、セカンダリ側に6つの端子があります。これらの端子は、3つのフェーズ（a、b、およびc）とそれぞれの端（一次側ではh1、h2、h3、二次側ではx1、x2、x3）に対応します。変圧器がWYE（Y）接続で構成されている場合、一次側と二次側の両方に中性端子がある場合があります。

4. 3相変圧器にはいくつのワイヤがありますか？

3相変圧器には、デルタデルタまたはデルタワイ構成で接続されている場合、3つのプライマリワイヤと3つのセカンダリワイヤがあります。Wye-WyeまたはWye-Deltaの構成で接続されている場合、一次側、二次側、またはその両方に追加のニュートラルワイヤがある場合があります。したがって、構成とニュートラル接続の存在に応じて、両側に3〜4本のワイヤを持つことができます。

5. 3相のケーブルはいくつですか？

3フェーズシステムは、電源の1つのフェーズを運ぶ3つの電源ケーブルを使用します。システムにニュートラルワイヤが含まれている場合、合計4つのケーブルがあります。アース（グランド）ワイヤを含むシステムの場合、3つの位置ワイヤ、1つのニュートラルワイヤ、1つの接地ワイヤの5つのケーブルが完全にある場合があります。

6. 3相変圧器の1つのフェーズが失敗した場合はどうなりますか？

3相トランスの1つのフェーズが失敗すると、いくつかの問題につながる可能性があります。変圧器はバランスの取れた3相パワーを供給できず、バランスの取れた負荷をもたらします。この状態は、過熱、残りの段階での電流の増加、および接続された機器に損傷を与える可能性があります。電力品質は劣化し、潜在的な誤動作または障害につながります。オペレーターは、パフォーマンスの低下、騒音の増加、および電気システムの過負荷の可能性に気付くでしょう。

7.最も一般的な3フェーズ接続は何ですか？

最も一般的な3相接続は、Delta-Wye（ΔY）接続です。この構成では、一次巻線はデルタ配置で接続されており、二次巻線はWYE配置で接続されています。このセットアップは、電圧の変換を可能にし、接地のためのニュートラルな点を提供するため、広く使用されています。

8. 3相トランスの用途に言及します。

配電：それらは、長距離にわたる電力の送信と分布において価値があり、安全な住宅、商業、および産業用の電圧レベルを削減します。

産業機器：多くの産業用機械とモータードライブには、効率的な動作のために3相電力が必要であり、これらの変圧器を産業環境で良好にします。

HVACシステム：大規模な暖房、換気、および空調システムは、コンプレッサーとモーターに3相電力を使用することがよくあります。

再生可能エネルギーシステム：それらは、生成された電力を効率的に変換および配布するために、風力や太陽光発電所などの再生可能エネルギーのセットアップで使用されます。

電気グリッド：それらは変電所と電力グリッドで役割を果たし、高い伝送電圧を下って分布レベルを低くします。