Что называется фазой трехфазной цепи?

ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В промышленности наибольшее распространение получили трехфазные электрические системы как наиболее простые и экономичные для передачи электрической энергии на дальние расстояния с наименьшими потерями.

Заслуга открытия трехфазного тока и его первого практического применения принадлежит талантливому русскому инженеру-электрику М. О. Доливо-Добровольскому (1862— 1913). Он создал первые генераторы и двигатели трехфазного тока, получившие широкое распространение. Современная электрификация также многим обязана этому замечательному русскому изобретателю.

Трехфазная цепь представляет собой совокупность трех электрических цепей,в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты синхронизированные таким образом что их начальные фазы отличаются на угол

Каждую отдельную цепь трехфазной системы называют фазой.

Временная диаграмма таких ЭДС приведена на рис. 13, а, а их векторная диаграмма — на рис. 13, б.

В симметричной трехфазной системе сумма мгновенных значений ЭДС в любой момент времени равна нулю:

То же и для действующих значений векторов ЭДС:

Рис. .13. Трехфазная симметричная система:

а -графики мгновенных значений ЭДС; б — векторная диаграмма

Применяются следующие обозначения фазы: А илиа — начало X или х — конец фазы (прописные буквы относятся к источникуа строчные — к нагрузке). Всю фазу называют фазой А, следующие — фазы В и С.

Запомните

Трехфазная система ЭДС называется симметричной, если ЭДС синусоидальны, их частота и амплитуда одинаковы и ЭДС каждой фазы смещены относительно друг друга на угол 2п/3

1. Что представляет собой трехфазная цепь?

2. Какая трехфазная система переменного тока называется симметричной?

3. Как называется каждая из цепей трехфазной системы?

СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО

ГЕНЕРАТОРА И ПРИЕМНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ЭНЕРГИИ

Электроприемники (нагрузка) и обмотки источников электрической энергии (генераторы) в трехфазных системах могут быть соединены по схеме «звезда» — Y или «треугольник» — .

Схемы соединения обмоток трехфазного генератора. При соединении фаз генератора по схеме «звезда» (рис. .14, а) концы фаз объединяют в одну точку N, которая называется нулевой, или нейтральной. Нагрузку можно подключать к зажимам: N — А; N — В;

N — С или А — В; В — С; С — А.

Рис. 14. Схемы соединения фаз генератора:

а — по схеме «звезда»; б — по схеме «треугольник»

Электродвижущие силы , , называются фазными, а , , -линейными.

В симметричной трехфазной системе соотношение между фазными и линейными ЭДС имеют вид

При соединении фаз источника по схеме «треугольник» нагрузку подключают к его вершинам (рис. 14, б). При этом линейные и фазные ЭДС и напряжения оказываются равными:

Такое соединение возможно лишь при симметричном источнике. В этом случае фазы образуют замкнутый контур, ток в котором отсутствует. Практически невозможно выполнить все обмотки одинаковыми, т. е. система ЭДС всегда несимметрична. В ней появляется уравнительный ток, что нежелательно, поэтому обмотки генератора (за редким исключением) соединяют «звездой».

Приемники электрической энергии могут быть соединены в «треугольник»и«звезду». Обычно задается значение линейного напряжения источника. Стандартом предусмотрена шкала линейных напряжений: 127, 220, 380, 500, 660В и т.д. Каждое из них в раза больше предыдущего.

Соединение фаз нагрузки в «звезду» и «треугольник». Если объединить концы фаз генератора и концы фаз нагрузки в общую точку (рис. 15), то получим трехфазную четырехпроводную систему (так включают осветительные и бытовые приборы, однофазные двигатели и т.д.) или трехпроводную (трехфазные двигатели, индукционные печи и др.).

Провода, соединяющие генератор с нагрузкой, называются линейными. Провод, соединяющий нейтральные точки источника и нагрузки, называются нейтральным.

Рис..15. Трехфазная четырехпроводная система

Для четырехпроводной системы (см. рис. 15), где приемники включены между нейтральным проводом и каждым из линейных проводов, можно записать:

=

Нагрузка в трехфазной цепи может быть следующей.

1. Неоднородной и неравномерной, если сопротивления фаз нагрузки различны по характеру (аргументу) и значению (модулю):

2. Равномерной,если сопротивления фаз равны по модулю,

но отличаются по характеру

;

3. Однородной, если сопротивления фаз нагрузки одинаковы

по характеру (аргументу), но отличаются по значению (модулю)

4. Симметричной,если сопротивления фаз одинаковы по значению и модулю

При соединении фаз нагрузки в «треугольник» (рис. .16) объединяют зажимы а, b и с. Здесь — линейные — фазные токи нагрузки; — напряжения фаз нагрузки.

При симметричной нагрузке векторы линейных напряжений и токов образуют равносторонний треугольник и связь между линейными и фазными токами определяется соотношением

=

На практике в трехфазную цепь наиболее часто включают несколько приемников, которые могут быть соединены как в «звезду», так и в «треугольник».

Рис. .16. Соединение фаз нагрузки в «треугольник»

Запомните

1.Приемники и обмотки источников электрической энергии в трехфазных системах могут быть включены «звездой» и «треугольником».

2.Каждую отдельную цепь трехфазной системы называют фазой.

3.Расчет симметричной трехфазной системы при равномерной нагрузке сводится к расчету одной фазы независимо от наличия нейтрального провода.

4. Соединение фаз «треугольником» выгодно отличается от соединения фаз «звездой» тем, что изменение нагрузки одной фазы не отражается на работе двух других фаз при условии, что сопротивление линейных проводов практически мало

1. Как соединяются приемники и обмотки источников электрической

энергии в трехфазных системах?

2. Как классифицируется нагрузка в трехфазной цепи?

3. Что называется фазой цепи трехфазного тока?

4. Каково соотношение между фазным и линейным напряжениями при соединении «звездой»?

5. Каково соотношение между токами в линейном проводе и нагрузке при соединении фаз «треугольником»?

Понятие о трехфазных электрических цепях и их преимуществах над однофазными

Трехфазные электрические цепи очень распространены, так как обладают целым рядом преимуществ по сравнению с однофазными, а также цепями постоянного тока. В данной статью мы рассмотрим понятие трехфазной электрической цепи, а также ее преимущества над остальными.

Понятие трехфазной цепи

Итак, трехфазная электрическая цепь, это цепь, в ветвях которой существуют три ЭДС изменяющиеся во времени по гармоническому закону (синусоидальному закону) с одинаковой частотой, но имеющих фазовый сдвиг друг относительно друга на угол равный 2π/3 (120 0 ).

Для получения трехфазного гармонического сигнала используют трехфазные синхронные генераторы, в трех статорных (якорных) обмотках которых и индуктируются эти ЭДС.

При указанных ниже на рисунке положительных направлениях ЭДС (от концов фаз x, y, z к их началам a, b, c):

ЭДС будут изменяться согласно приведенным ниже выражениям:

Ниже показаны графики изменения этих величин во времени:

При совмещении вектора ЭДС Е_а с осью действительных величин комплексной плоскости:

Получим выражения для ЭДС представленные в комплексной форме:

Также следует отметить, что ЭДС Е_а принято направлять вверх вертикально при построении векторных диаграмм, что, в свою очередь, соответствует повороту на 90 0 комплексной плоскости против часовой стрелки. При этом могут не указывать оси мнимых и действительных величин:

Используя положительное направления и обладая информацией о законах изменения ЭДС или имея соответствующие графики, можно определить действительные направления и мгновенные значения ЭДС в любой момент времени. Так, например, при t = 0, e_a = 0, a:

В случае, когда е_b 0, то при t = 0 ЭДС е_с и е_b будут направлены в разные стороны.

Если посмотреть на график б), где представлен трехфазный гармонический сигнал, можно увидеть, что максимального значения первой достигнет фаза А, после нее фаза В, и только потом фаза С. Данная последовательность достижения фазами своих максимальных (амплитудных) значений носит название прямой последовательности чередования фаз. Если бы ротор синхронного генератора вращался в обратную сторону, то чередования фаз было бы обратным С-В-А, и это была бы обратная последовательность чередования фаз. Именно от этой последовательности напрямую зависит направления вращения как трехфазных асинхронных электромашин, так и трехфазных синхронных машин. Расчеты и анализ трехфазных цепей, как правило, проводят в предположении, что система имеет прямое чередование фаз.

Симметричные и несимметричные трехфазные системы

Система из трех ЭДС будет называться симметричной в том случае, если все три значения напряжений и токов фаз будут иметь одинаковые действующие значения, иметь сдвиг друг относительно друга на угол 2π/3 или 120 0 .

Несимметричной система будет называться в случае если действующие значения токов и напряжений не будут равны или угол сдвига фаз будет не равен 2π/3 или 120 0 .

Синхронный трехфазные генераторы имеют как раз симметричную систему ЭДС.

Питание потребителей от трехфазной системы электроснабжения

В очень редких случаях питание потребителей электрической энергии осуществляется напрямую от генераторов. Такие системы используются только в случаях аварийного отключения электроснабжения (дизель-генераторы или бензиновые генераторы) или же в местах, куда протягивание ЛЭП является экономически нецелесообразным.

Поэтому в большинстве своем питание потребители электрической энергии получают от вторичных обмоток трансформаторов, которые, как и генераторы, тоже имеют практически симметричную систему ЭДС. Поэтому, как правило, редко учитывают, чем создаются ЭДС на нагрузке – трансформаторами или генераторами.

От трехфазных источников электроэнергии получают питание не только трехфазные потребители, но также и однофазные, а также, в большинстве своем, и потребители постоянного тока (через управляемые или неуправляемые выпрямители).

Также трехфазный приемник электрической энергии можно рассматривать как устройство, которое состоит их трех двухполюсников, имеющих одинаковые параметры, которые подключают к каждому проводу цепи, между которыми существуют напряжения, сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол равный 2π/3 или 120 0 . Каждый двухполюсник называют фазой сети переменного тока. Наиболее распространенные трехфазные потребители – асинхронные электродвигатели, электромагниты, электрические печи.

Однофазный же приемник электроэнергии можно рассматривать как обычный двухполюсник, который рассчитан на подключение к двум проводам сети и имеет одно напряжение в отличии от трехфазного. К однофазным электроприемникам можно отнести осветительные лампы, асинхронные электродвигатели малой мощности, бытовые электроприборы и прочие устройства.

Преимущества трехфазных систем

В отличии от однофазных, трехфазные системы обладают целым рядом преимуществ, а именно:

• Именно трехфазная система позволяет получить вращающееся магнитное поле, что позволяет использовать трехфазные асинхронные электродвигатели;
• Улучшает технико-экономические показатели трансформаторов и генераторов;
• Упрощает систему генерации и передачи электрической энергии от генератора к потребителю;
• Позволяет подключать к сети электроприемники, рассчитанные на разные номиналы напряжений (линейные и фазные);

Трехфазные системы получили наибольшее распространение. Электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, доставляется и распределяется между потребителями в виде энергии трехфазного переменного тока.

Фаза тока.

У новичков в мире электрики и домовладельцев иногда возникает вопрос: что такое фаза тока в бытовой электропроводке. Связано это с необходимостью починить какой-либо электроприбор.

В возникшей ситуации наиболее приоритетной задачей мастера должно стать соблюдение правил техники безопасности, а не проявление прикладных навыков и умений. Знание элементарных законов функционирования тока и процессов, проходящих внутри бытовых электроприборов не только поможет справиться с большинством неисправностей, возникающих в них, но и сделает этот процесс наиболее безопасным.

Конструкторы и инженеры делают все возможное, чтобы предотвратить несчастный случай при работе с электричеством в быту. Задача потребителя сводится к соблюдению предписанных норм.

Далее мы рассмотрим:

• однофазный ток;
• двухфазный ток;
• трехфазный ток.

Однофазный ток.

Переменный ток, который получают при помощи вращения в магнитном потоке проводника или системы проводников, соединенных в одну катушку, называется однофазным переменным током.

Как правило, для передачи однофазного тока используют 2 провода. Называются они фазным и нулевым соответственно. Напряжение между этими проводами составляет 220 В.

Однофазное электропитание. Однофазный ток можно подвести к потребителю двумя различными способами: 2-проводным и 3-проводным. При первом (двухпроводном), для подведения однофазного тока используют два провода. По одному протекает фазный ток, другой предназначен для нулевого провода. Таким образом электропитание подведено почти во все, построенные в бывшем СССР, дома. При втором способе для подведения однофазного тока — добавляют ещё один провод. Называется такой провод заземлением (РЕ). Он предназначен для предотвращения поражения человека электрическим током, а так же для отвода токов утечки и предотвращения приборов от поломки.

Двухфазный ток.

Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол Pi2 или на 90 °.

Наглядный пример образования двухфазного тока. Возьмем две катушки индуктивности и расположим их в пространстве таким образом, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны, после чего запитаем систему катушек двухфазным током, как результат получим в системе два магнитных потока. Вектор результирующего магнитного поля будет вращаться с постоянной угловой скоростью, как следствие, возникает вращающееся магнитное поле. Ротор с обмотками, изготовленными в виде короткозамкнутого «беличьего колеса» или представляющий собой металлический цилиндр на валу, будет вращаться, приводя в движение механизмы.

Передают двухфазные токи при помощи двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.

Трехфазный ток.

Трехфазной системой электрических цепей называется система, которая состоит из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода(φ=2π/3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током. Трехфазный ток легко передаётся на дальние расстояния. Любая пара фазных проводов имеет напряжение 380 В. Пара — фазный провод и нуль — имеет напряжение 220 В.

Распределение трёхфазного тока по жилым домам выполняется двумя способами: 4-проводным и 5-проводным. Четырёхпроводное подключение выполняется тремя фазными и одним нулевым проводом. После распределительного щита для питания розеток и выключателей используют два провода — одну из фаз и нуль. Напряжение между этими проводами будет составлять 220В.

Пятипроводное подключение трехфазного тока — в схему добавляется защитный, заземляющий провод (РЕ). В трёхфазной сети фазы должны нагружаться максимально равномерно, в противном случае может произойти перекос фаз. От того, какая электропроводка используется в доме, зависит какое электрооборудование можно в неё включать. К примеру, заземление обязательно, если в сеть включаются приборы с большой мощностью — холодильники, печи, обогреватели, электронные бытовые приборы — компьютеры, телевизоры, устройства, связанные с водой — джакузи, душевые кабины (вода проводник тока). Трехфазный ток необходим для электропитания двигателей (актуальных для частного дома).

Устройство бытовой электропроводки.

Вначале электроэнергия вырабатывается на электростанции. Затем через промышленную электросеть она попадает на трансформаторную подстанцию, где напряжение преобразуется в 380 вольт. Соединение вторичных обмоток понижающего трансформатора выполнено по схеме «звезда»: три контакта подключены к общей точке «0», а три оставшихся присоединены к клеммам «A», «B» и «C» соответственно. Для наглядности приводится картинка.

Объединенные контакты «0» подсоединяются к заземлительному контуру подстанции. Также здесь ноль расщепляется на:

• Рабочий ноль (на картинке изображен синим)
• PE-проводник, выполняющий защитную функцию (линия желто-зеленого цвета)

Нули и фазы тока с выхода понижающего трансформатора подводятся к распределительному щитку жилого дома. Полученная трехфазная система разводится по щиткам в подъездах. В конечном итоге, в квартиру попадает фазовое напряжение 220 В и проводник PE, выполняющий защитную функцию.

Итак, что же такое фаза тока и ноль? Нулем называют проводник тока, присоединенный к заземлительному контуру понижающего трансформатора и служащий для создания нагрузки от фазы тока, подсоединенной к противоположному концу обмотки трансформатора. Кроме того, существует так называемый «защитный ноль» — это PE-контакт, описанный ранее. Он служит для отвода токов при возникновении технической неисправности в цепи.

Этот метод подключения жилых домов к городской электросети отработан десятилетиями, но все же он не идеален. Иногда в вышеописанной системе появляются неисправности. Чаще всего, они связаны с низким качеством соединения на определенном участке цепи или полным обрывом электрического провода.

Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.

Обрыв электрического провода часто обусловлен элементарной рассеянностью мастера – забыть присоединить к определенному прибору в доме фазу тока или ноль – проще простого. Кроме того, нередки случаи отгорания нуля на подъездном щитке в связи с высокой нагрузкой на систему.

В случае обрыва соединения любого электроприбора в доме со щитком, этот прибор перестает работать – ведь цепь не замкнута. При этом не имеет значения, какой именно провод разорван – ноль или фаза тока.

Аналогичная ситуация происходит, когда разрыв наблюдается между распределительным щитком многоквартирного дома и щитом конкретного подъезда – все квартиры, подключенные к щиту подъезда, окажутся обесточены.

Вышеописанные ситуации не вызывают серьезных сложностей и не представляют опасности. Они связаны с обрывом лишь одного проводника и не несут в себе угрозы безопасности электроприборов или людей, находящихся в квартире.

Самая опасная ситуация – исчезновение соединения между заземлительным контуром подстанции и средней точкой, к которой подключена нагрузка внутридомового электрощита.

В этом случае электрический ток пойдет по контурам AB, BC, CA, а общее напряжение на этих контурах – 380 В. В связи с этим возникнет очень неприятная и опасная ситуация – на одном электрощитке может вовсе не быть напряжения, так как хозяин квартиры посчитал нужным отключить электроприборы, а на другом возникнет высокое напряжение близкое к 380 вольтам. Это вызовет выход из строя большинства электроприборов, ведь номинальное напряжение работы для них – 240 вольт.

Конечно, такие ситуации можно предотвратить – существуют достаточно дорогостоящие решения для защиты от скачков напряжения. Некоторые производитель встраивают их в свои приборы.

Как определить ноль и фазу собственными силами.

Для определения нуля и фазы тока существуют специальные отвертки-тестеры.

Она работает по принципу прохождения тока низкого напряжения через тело человека, использующего ее. Отвертка состоит из следующих частей:

• Наконечник для подключения к фазовому потенциалу розетки;
• Резистор, снижающий амплитуду электротока до безопасных пределов;
• Светодиод, загорающийся при наличии потенциала фазы тока в цепи;
• Плоский контакт для создания цепи сквозь тело оператора.

Принцип работы с отверткой-тестером показан на картинке ниже.

Кроме тестовых отверток, существуют и другие способы определить, к какому контакту розетки подключена фаза тока, а к какому – ноль. Некоторые электрики предпочитают пользоваться более точным тестером, используя его в режиме вольтметра.

Показания стрелки вольтметра означают:

1. Наличие напряжения 220 В между фазой и нулем

2. Отсутствие напряжения между землей и нулем

3. Отсутствие напряжения между фазой и нулем

Вообще-то, в последнем случае стрелка должна показывать 220 В, но в данном конкретном случае центральный контакт розетки не подключен к потенциалу земли.

Что называется фазой трехфазной цепи?

Основные понятия. Элементы трехфазных цепей.

Трехфазные цепи представляют собой частный случай многофазных систем переменного тока. Многофазными системами называется совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, отличающиеся по фазе одна от другой и индуктированные в одном источнике энергии. Каждую из однофазных цепей, входящую в многофазную систему, принято называть фазой (в электротехнике термин «фаза» имеет два значения: понятие, характеризующую стадию периодического процесса, и наименование однофазных цепей, образующих многофазную систему). Цепи в зависимости от числа фаз называются двухфазными, трехфазными, шестифазными и т. п.

Наибольшее распространение в современной электроэнергетике получили трехфазные цепи. Это объясняется рядом их преимуществ, как перед другими многофазными цепями, так и перед однофазными цепями переменного тока. Среди этих преимуществ можно отметить:

экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;

возможность сравнительно простого получения вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя – одного из самых распространенных двигателей переменного тока; возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений фазного и линейного.

Трехфазная цепь состоит из трех основных частей или элементов: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с трехфазной системой ЭДС, линии передачи со всем необходимым оборудованием, приемников (потребителей), которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину двух типов: турбогенератор или гидрогенератор (схематическое изображение модели трехфазного генератора дано на рис. 2.11). На статоре генератора размещается обмотка, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол радиан. Начала обмоток обозначаются буквами A, B, C, а концы – X, Y, Z.

ЭДС в неподвижных витках обмотки статора индуктируются в результате пересечения этих витков магнитным полем, возбуждаемым током обмотки вращающегося ротора (на рис. 2.11 ротор с обмоткой условно изображен в виде постоянного магнита с полюсами N и S). Расположенная на роторе обмотка возбуждения питается от источника постоянного напряжения (возбудителя). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуктируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, но отличающиеся друг от друга по фазе вследствие их пространственного смещения.

На схемах обмотку (или фазу) источника питания изображают, как показано на рис. 2.12. За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу. Обычно индуктированные в катушках ЭДС имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол . Такая система ЭДС называется симметричной.

2.4.2. Способы изображения симметричной трехфазной системы ЭДС

Симметричная трехфазная система ЭДС может изображаться графиками, тригонометрическими функциями, векторами и функциями комплексного переменного.

Графики изменения ЭДС симметричной системы показаны на рис. 2.13. Важно обратить внимание на то, что для симметричной трехфазной системы ЭДС справедливо равенство: eA + eB + eC = 0. Если ЭДС какой-либо отдельной фазы трехфазной обмотки, например фазы A, принять за исходную и считать ее начальную фазу равной нулю, то выражения для мгновенных значений ЭДС можно записать в следующем виде:

Соответственно для комплексных значений ЭДС получим уравнения:

Векторная диаграмма симметричной трехфазной системы ЭДС показана на рис. 2.14. (Следует обратить внимание на то, что при рассмотрении трехфазных цепей комплексную плоскость обычно поворачивают на угол против часовой стрелки.) Из векторных диаграмм рис. 2.14 следует, что для симметричной трехфазной системы геометрическая сумма векторов ЭДС всех фаз равна нулю: . Систему ЭДС, в которой ЭДС фазы В отстает по фазе от ЭДС фазы А, а ЭДС фазы С по фазе – от ЭДС, фазы В, называют системой прямой последовательности. Если изменить направление вращения ротора генератора, то последовательность фаз изменится и будет она называться обратной.

Последовательность фаз определяет направление вращения трехфазных двигателей, ее нужно учитывать также при включении трехфазных генераторов на параллельную работу. Для определения последовательности фаз имеются специальные приборы – фазоуказатели.

Поскольку на практике применяется прямая последовательность фаз, в данной главе будут рассматриваться трехфазные цепи только с прямой последовательностью фаз.

2.4.3 Способы соединения трехфазного источника питания

Если фазы обмотки электрически не соединены между собой, то они образуют несвязанную трехфазную систему цепей. В этом случае каждая из фаз должна соединяться со своим приемником двумя проводами (рис. 2.15). Несвязанные цепи не получили применения вследствие их неэкономичности, вызванной большим числом проводов, соединяющих источник питания и приемники.

Так, например, в трехфазной несвязанной системе таких проводов будет шесть. Более совершенными и экономичными являются связанные цепи, в которых фазы обмотки электрически соединены между собой. В дальнейшем будут рассматриваться связанные трехфазные цепи с соединением фаз обмоток звездой или треугольником, разработанные и внедренные в практику М. О. Доливо-Добровольским в начале 90-х годов прошлого века.

При соединении фаз обмотки генератора (или трансформатора) звездой их концы X, Y и Z соединяют в одну общую точку N, называемую нейтральной точкой (или нейтралью) (рис. 2.16). Начала фаз выводят к зажимам, обозначаемым соответственно A, B и C. К ним подключают провода, с помощью которых источник питания соединяется с приемником. Эти провода называются линейными, а трехфазная цепь – трехпроводной. В случае, когда нейтральная точка N источника питания соединена с нейтральной точкой n приемника (см. рис. 2.19), трехфазная цепь будет четырехпроводной. Провод, соединяющий нейтральные точки N и n, называется нейтральным.

При соединении фаз источника питания треугольником объединяются (соединяются) в одну точку соответствующие начала и концы фаз: X-B, Y-C, Z-A (см. рис. 2.16). При этом фазы источника оказываются соединенными последовательно. Соединение фаз источника в замкнутый треугольник не равносильно их короткому замыканию (как это имело бы место при подобном соединении фаз источников синусоидального тока), так как при симметричной системе ЭДС сумма их мгновенных значений eA + eB + eC = 0. Поэтому при холостом ходе ток в фазах источника не возникает. Однако, как будет показано далее, на практике фазы трехфазных генераторов предпочитают соединять звездой.

Напряжения между началом и концом (или между выводами) каждой фазы источника uA, uB, uC называют фазными, а между одноименными выводами разных фаз – линейными (uAB, uBC, uCA) (см. рис. 2.16).

На практике обычно имеют дело не с отдельными источниками, а с несколькими, соединенными параллельно. В этом случае можно пренебречь внутренними сопротивлениями фаз источника, считать фазные напряжения uA, uB, uC численно равными фазным ЭДС и изображать их симметричной системой векторов (рис. 2.17). Следует отметить, что система фазных и линейных напряжений источника симметрична вследствие конструктивных особенностей трехфазного генератора.

За условные положительные направления фазных напряжений принимают направление от начала к концу фаз обмоток, а линейных напряжений – от начала одной фазы к началу другой (см. рис. 2.16). В соответствии с выбранными условными положительными направлениями фазных и линейных напряжений (см. рис. 2.16) можно записать уравнения по второму закону Кирхгофа и построить по ним векторную диаграмму:

uAB = uA – uB, uBC = uB – uC, uCA = uC – uA.

Комплексные значения линейных напряжений связаны с комплексными значениями фазных напряжений, следующими уравнениями:

Отметим, что уравнения позволяют определить линейные напряжения по известным фазным напряжениям. В соответствии с этими уравнениями на рис. 2.17 построена топографическая (потенциальная) диаграмма фазных и линейных напряжений источника при соединении его фаз звездой.

Из диаграммы видно, что для симметричной системы напряжений линейные напряжения представляют тремя векторами, сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол ; кроме того, векторы линейных напряжений , , опережают по фазе соответственно векторы фазных напряжений , и на угол .

Следует различать направление стрелок на схеме, указывающих условное положительное направлёние линейных напряжений и направление векторов на векторной диаграмме. Так, очевидно, вектор должен быть направлен к точке А.

Величина каждого из векторов линейных напряжений в раз больше величины вектора фазного напряжения:

Следует обратить внимание на важное свойство системы линейных напряжений: независимо от характера нагрузки сумма их мгновенных значений или векторов всегда равна нулю.

Предусмотренные ГОСТом номинальные напряжения для приемников низкого напряжения: Uл = 380 В и Uф = 220 В, Uл = 220 В и Uф = 127 В связаны между собой указанным соотношением.

Четырехпроводная цепь позволяет использовать два напряжения источника питания фазное и линейное. При соединении фаз источника треугольником линейные напряжения равны фазным: Uл = Uф. Как указывалось, на практике фазы обмоток трехфазных генераторов предпочитают соединять звездой прежде всего потому, что в случае отклонения ЭДС источника от синусоидальной формы вследствие наличия высших гармоник сумма мгновенных значений ЭДС не будет равна нулю, и в обмотке источника, соединенной треугольником, при отсутствии нагрузки возникнут токи, которые вызовут ее нагревание и снижение КПД генератора.

Электротехника. Трехфазные электрические цепи

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Электротехника: Трехфазные электрические цепи

В.С. Проскуряков, С.В. Соболев, Н.В. Хрулькова Кафедра «Электротехника и электротехнологические системы»

1. Основные понятия и определения

2. Получение трехфазной системы ЭДС.

3. Способы соединения фаз в трехфазной цепи.

4. Напряжения трехфазного источника.

5. Классификация приемников в трехфазной цепи.

6. Расчет трехфазной цепи при соединении фаз приемника «Звездой»

7. Значение нейтрального провода

8. Расчет трехфазной цепи при соединении фаз приемника «треугольником»

9. Мощность трехфазной цепи

Трехфазные электрические цепи.

1. Основные понятия и определения

Трехфазная цепь – это совокупность трех электрических цепей, в которых

действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые

по амплитуде и частоте,

сдвинутые по фазе одна от другой на угол

= 120 ° и создаваемые общим

Каждую отдельную цепь, входящую в трехфазную цепь принято называть фазой .

Таким образом, термин «фаза» имеет в электротехнике два значения: первое – аргумент синусоидально изменяющейся величины, второе – часть многофазной системы электрических цепей.

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных систем переменного тока.

Широкое распространение трехфазных цепей объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями:

• экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;

• возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя;

• возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного.

Каждая фаза трехфазной цепи имеет стандартное наименование:

первая фаза – фаза «А»; вторая фаза – фаза «В»; третья фаза – фаза «С».

Начала и концы каждой фазы также имеют стандартные обозначения. Начала первой, второй и третьей фаз обозначаются соответственно А, В, С, а концы фаз – X, Y, Z.

Основными элементами трехфазной цепи являются: трехфазный генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую; линии электропередач; приемники (потребители), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

2. Получение трехфазной системы ЭДС.

Трехфазный генератор создает одновременно три ЭДС, одинаковые по величине и отличающиеся по фазе на 120 0 .

Получение трехфазной системы ЭДС основано на принципе электромагнитной индукции, используемом в трехфазном генераторе. Трехфазный генератор представляет собой синхронную электрическую машину. Простейшая конструкция такого генератора изображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 . Схема устройства трехфазного генератора

На статоре 1 генератора размещается трехфазная обмотка 2. Каждая фаза трехфазной обмотки статора представляет собой совокупность нескольких катушек с определенным количеством витков, расположенных в пазах статора. На рис. 3.1 каждая фаза условно изображена одним витком. Три фазы обмотки статора генератора повернуты в пространстве друг относительно друга на 1/3 часть окружности, т.е. магнитные оси фаз повернуты в пространстве на угол

2 3 π = 120 ° . Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z.

Ротор 3 генератора представляет собой постоянный электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4. Ротор создает постоянное магнитное поле, силовые линии которого показаны на рис.3.1 пунктиром. При работе генератора это магнитное поле вращается вместе с ротором.

При вращении ротора турбиной с постоянной скоростью происходит пересечение проводников обмотки статора с силовыми линиями магнитного поля. При этом в каждой фазе индуктируется синусоидальная ЭДС.

Величина этой ЭДС определяется интенсивностью магнитного поля ротора и количеством витков в обмотке.

Частота этой ЭДС определяется частотой вращения ротора.

Поскольку все фазы обмотки статора одинаковы (имеют одинаковое количество витков) и взаимодействуют с одним и тем же магнитным полем вращающегося ротора, то ЭДС всех фаз имеют одинаковую амплитуду E m и частоту ω .

как магнитные оси фаз в

пространстве повернуты на

= 120 ° , начальные фазы их ЭДС отличаются на угол

Примем начальную фазу ЭДС фазы А, равной нулю, то есть ψ еА = 0

e A = E m sin ω t .

ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на

= E m sin ( ω t − 120 ) .

e B = E m sin ω t −

ЭДС фазы С отстает от ЭДС фазы В еще на

= E m sin ( ω t − 240 ) .

e С = E m sin ω t −

Действующее значение ЭДС всех фаз одинаковы:

Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться тригонометрическими функциями, функциями комплексного переменного, графиками на временных диаграммах, векторами на векторных диаграммах.

Аналитическое изображение тригонометрическими функциями приведено в (3.1) – (3.3).

В комплексном виде ЭДС фаз изображаются их комплексными действующими значениями:

Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС на временной диаграмме показаны на рис. 3.2. Они представляют из себя три синусоиды, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 часть периода.

Рис. 3.2. Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС.

На векторной диаграмме ЭДС фаз изображаются векторами одинаковой длины, повернутыми друг относительно друга на угол 120° (рис.3.3а).

Рис. 3.3. Векторные диаграммы ЭДС трехфазных симметричных систем. (а – прямая последовательность фаз; б – обратная последовательность фаз).

Так как ЭДС индуктированные в обмотках статора имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол 120°, полученная трехфазная система ЭДС является симметричной.

Следует отметить, что чередование во времени фазных ЭДС зависит от направления вращения ротора генератора относительно трехфазной обмотки статора. При вращении ротора по часовой стрелке, как показано на рис.3.1, полученная симметричная трехфазная система ЭДС имеет прямое чередование (А – В – С) (рис.3.3а). При вращении ротора против часовой стрелки образуется также симметричная трехфазная система ЭДС. Однако чередование фазных ЭДС во времени изменится. Такое чередование называется обратным (А – С – В) (рис.3.3б).

Чередование фазных ЭДС важно учитывать при анализе трехфазных цепей и устройств. Например, последовательность фаз определяет направление вращения трехфазных двигателей, и т.п. Для практического определения последовательности фаз используются специальные приборы – фазоуказатели .

По умолчанию при построении трехфазных цепей и их анализе принимается прямое чередование фазных ЭДС трехфазного источника.

На схемах обмотку статора генератора изображают как показано на рис. 3.4а с использованием принятых обозначений начал и концов фаз.

На схеме замещения трехфазный источник представлен тремя идеальными источниками ЭДС (рис.3.4б)

Рис. 3.4. Условное изображение обмотки статора генератора.

За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца фазы к началу.

3. Способы соединения фаз в трехфазной цепи.

Для построения трехфазной цепи к каждой фазе трехфазного источника присоединяется отдельный приемник электроэнергии, либо одна фаза трехфазного приемника.

Рис.3.5 Схема несвязанной трехфазной цепи.

Здесь трехфазный источник представлен тремя идеальными источниками ЭДС E & A , E & B , E & C . Три фазы приемника представлены условно идеальными

элементами с полными комплексными сопротивлениями Z a , Z b , Z c . Каждая фаза приемника подсоединяется к соответствующей фазе источника, как показано на рис. 3.5. При этом образуются три электрические цепи, объединенные конструктивно одним трехфазным источником, т.е. трехфазная цепь. В этой цепи три фазы объединены лишь конструктивно и не имеют между собой электрической связи (электрически не связаны между собой). Такая цепь называется несвязанной трехфазной цепью и практически не используется.

На практике три фазы трехфазной цепи соединены между собой (электрически связаны).

Существуют различные способы соединения фаз трехфазных источников и трехфазных потребителей электроэнергии. Наиболее распространенными являются соединения «звезда» и «треугольник». При этом способ соединения фаз источников и фаз потребителей в трехфазных системах могут быть различными. Фазы источника обычно соединены «звездой», фазы потребителей соединяются либо «звездой», либо «треугольником».

При соединении фаз обмотки генератора (или трансформатора) «звездой» их концы X , Y и Z соединяют в одну общую точку N , называемую нейтральной точкой (или нейтралью) (рис. 3.6). Концы фаз приемников x, y, z также соединяют в одну точку n (нейтральная точка приемника). Такое соединение называется соединение «звезда».

Рис. 3.6. Схема соединения фаз источника и приемника в звезду.

Провода A-a , B-b и C-c , соединяющие начала фаз генератора и приемника, называются линейными проводами (линейный провод А, линейный провод В, линейный провод С). Провод N-n , соединяющий точку N генератора с точкой n приемника, называют нейтральным проводом.

Здесь по–прежнему каждая фаза представляет собой электрическую цепь, в которой приемник подключен к соответствующей фазе источника посредством нейтрального провода и одного из линейных проводов (пунктир на рис.3.6). Однако, в отличие от несвязанной трехфазной цепи, в линии передачи используется меньшее количество проводов. Это определяет одно из преимуществ трехфазных цепей – экономичность передачи энергии.

При соединении фаз трехфазного источника питания треугольником (рис. 3.12) конец X одной фазы соединяется с началом В второй фазы, конец Y второй фазы – с началом С третьей фазы, конец третьей фазы Z – c началом первой фазы А . Начала А , В и С фаз подключаются с помощью трех проводов к трем фазам приемника, также соединенным способом «треугольник».

Рис. 3.7. Схема соединения фаз источника и приемника в треугольник

Здесь также каждая фаза представляет собой электрическую цепь, в которой приемник подключен к соответствующей фазе источника посредством двух линейных проводов (пунктир на рис.3.7). Однако в линии передачи используется еще меньшее количество проводов. Это делает передачу электроэнергии еще более экономичной

При способе соединения «треугольник» фазы приемника именуют двумя символами в соответствии с линейными проводами, к которым данная фаза подключена: фаза «ab», фаза «bc», фаза «ca». Параметры фаз обозначают

соответствующими индексами: Z ab , Z bc , Z ca

4. Напряжения трехфазного источника.

Трехфазный источник, соединенный способом «звезда», создает две трехфазные системы напряжения разной величины. При этом различают фазные напряжения и линейные напряжения.

На рис.3.8 показана схема замещения трехфазного источника, соединенного «звездой» и присоединенного к линии электропередачи.

Рис.3.8. Схема замещения трехфазного источника

Фазное напряжение U Ф – напряжение между началом и концом фазы или между линейным проводом и нейтралью ( U & A , U & B , U & C ). За условно

положительные направления фазных напряжений принимают направления от начала к концу фаз.

Линейное напряжение ( U Л ) – напряжение между линейными проводами или между началами фаз ( U & AB , U & BC , U & CA ). Условно положительные

направления линейных напряжений приняты от точек соответствующих первому индексу, к точкам соответствующим второму индексу (то есть, от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким) (рис. 3.8).