Трехфазные цепи переменного тока

Что такое трёхфазное напряжение

Почему в дома, сёла и города приходит именно 3 фазы, а не 6, 9 или, например, 12? Всё потому что количество фаз, по которым протекает ток при нагрузке, зависит от конструкции генератора, его вырабатывающего. Трёхфазная сеть означает, что у машин, производящих электричество, ровно 3 полюса.

Одна фаза и три фазы

В домовых распределительных электрических сетях в основном используются одна фаза и нулевой проводник. Этого достаточно для работы бытовых электроприборов, освещения и отопления. Для организации производственного технологического процесса применяют трехфазный ток. Потребители, шинные сборки, распределительные щитки, узлы учёта и вся электрическая схема настроены на работу от сетей трёхфазного ток

Плюсы трёхфазного напряжения

• Позволяет запускать мощные электрические двигатели, которые часто применяют в серьёзной промышленности.
• Трёхфазные линии просты в конструировании и обслуживании. Несколько электриков в состоянии контролировать электрические линии на больших промышленных предприятиях.
• Из 380 В можно быстро получить 220 В, добавив только нулевой проводник, каким служит отдельный контур заземления.

Трехфазные цепи — наиболее распространенные в современной электроэнергетике. Это объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями (экономичность передачи энергии, возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, а также двух различных эксплуатационных напряжений в одной установке: фазного и линейного).

Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов (частей): трехфазного генератора (1), в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС, линии передачи (3, 5, 6, 8) и приемников (потребителей) (9,10), которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы освещения).

Каждый из трех источников (потребителей) вместе с соединительными проводами принято называть фазой. Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два значения: 1) аргумент синусоидально изменяющейся величины; 2) часть многофазной системы электрических цепей. Цепи в зависимости от числа фаз называют двухфазными, трехфазными, шестифазными.

​

​

Трехфазный

источник

Функциональная схема трехфазной цепи

Вся история развития трехфазных цепей — наглядная иллюстрация постоянно возникающих технико-экономических противоречий и изыскания путей их разрешения.

​

В начале 70-х годов XIX в., когда был создан экономичный генератор постоянного тока и началось массовое применение электрической энергии для целей освещения (свеча Яблочкова и др.) возникла проблема централизованного производства и распределения энергии.

​

Первые электростанции вырабатывали постоянный ток. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что экономичность передачи электроэнергии возрастает при повышении напряжения.

Но постоянный ток, нельзя было трансформировать (повысить с помощью трансформатора), поэтому применение высокого постоянного напряжения было ограниченным. Естественной была попытка использовать переменный однофазный ток, который легко трансформировался (уже были созданы простейшие трансформаторы).

​

Но возникло другое противоречие: однофазные двигатели переменного тока имели малый начальный пусковой момент, следовательно, они не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода. Поэтому применение однофазного тока в 70—80-х годах 19 века было ограничено лишь областью электрического освещения.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г. Феррарис и Н. Тесла, 1888). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели плохие рабочие характеристики. Наиболее рациональной оказалась трехфазная система.

​

В разработку трехфазных систем большой вклад внесли ученые и инженеры разных стран: Н. Тесла, М. О. Доливо-Добровольский, Ф. Хазельвандер, М. Депре, Ч. Бредли. Наибольшая заслуга среди них принадлежит выдающемуся русскому электротехнику М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные двигатели, трансформаторы, разработавшему четырехпроводную и трехпроводную цепи

Убедительной демонстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891 г., длина 170 км, напряжение U = 15 кВ), сооруженная при активном участии М. О. Доливо-Добровольского. С этого времени начинается бурное развитие электрификации.

​

Подавляющее большинство дальних и сверхдальних линий электропередач в нашей стране осуществляется при переменном трехфазном напряжении 110—750 кВ.

Трехфазная система и ее получение

Большинство людей, за исключением специалистов - электриков, имеют весьма смутное представление, что такое так называемый «трёхфазный» переменный ток, да и в понятиях, что такое сила тока, напряжение и электрический потенциал, а также мощность, - часто путаются. Попытаемся простым языком дать начальные понятия об этом. Для этого обратимся к аналогиям.

Начнём с простейшей – протекания постоянного тока в проводниках.

Простейшая аналогия

Ток можно сравнить с водным потоком в природе. Вода, как известно, всегда течёт от более высокой точки поверхности к более низкой. Всегда выбирает самый экономичный (наикратчайший) путь. Аналогия с протеканием тока – полнейшая. Причём количество воды протекающей в единицу времени через какое-то сечение потока будет аналогично силе тока в электрической цепи. Высота любой точки русла реки относительно нулевой точки – уровня моря – будет соответствовать электрическому потенциалу любой точки цепи. А разница в высоте любых двух точек реки будет соответствовать напряжению между двумя точками цепи

Теперь представим закрытую бутылку, в которой налито немного воды. Если мы начнём эту бутылку вращать вокруг поперечной оси, то вода в ней будет перетекать попеременно от горлышка к донышку и наоборот. Это представление – аналогия переменному току. Казалось бы, одна и та же вода перетекает туда-сюда и что? Тем не менее, этот переменный поток воды способен совершать работу.

Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую 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.

Трехфазная система

Сети трёхфазной системы рассчитаны на питание от подстанций, подающих напряжение по четырём проводам: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где функционируют ЭДС, имеющие синусоидальные формы и равную частоту. Они произведены одним и тем же источником, но имеют угол сдвига между фаз в 120 градусов (2π/3).

Каждая из действующих ЭДС находится в своей фазе периодического процесса, поэтому часто называется просто «фазой». Также «фазами» называют проводники — носители этих ЭДС. В трёхфазных системах угол сдвига равен 120 градусам. Фазные проводники обозначаются в РФ латинскими буквами L с цифровым индексом 1…3, либо A, B и C.

Распространённые обозначения фазных проводов:

Распространённые обозначения фазных проводов:

Анимированное изображение течения токов по симметричной трёхфазной цепи с соединением типа «звезда»

Векторная диаграмма фазных токов. Симметричный режим

Цвета фаз

Каждая фаза в трёхфазной системе имеет свой цвет. Он меняется в зависимости от страны. Используются цвета международного стандарта IEC 60446 (IEC 60445).

�

Такая система очень экономична, когда речь идет о передаче электрической энергии по проводам на большие расстояния. Трехфазные трансформаторы менее материалоемки. Силовые кабели требуют меньше проводящего металла (как правило используется медь), поскольку токи в фазных проводниках, по сравнению с однофазными, имеют меньшие действующие величины, если сравнивать с однофазными цепями аналогичной передаваемой мощности. Трехфазная система очень уравновешена, и оказывает равномерную механическую нагрузку на энергогенерирующую установку (генератор электростанции), чем продлевает срок ее службы.

Многофазный источник ЭДС и �многофазная система электрических цепей

• Многофазный источник ЭДС – один источник, который создает несколько синусоидальных ЭДС, имеющих одну или ту же частоту, но сдвинутых между собой по фазе на некоторые постоянные углы.
• Многофазная система электрических цепей – совокупность ЭЦ, в которых действует многофазный источник ЭДС

Получение трехфазной ЭДС

Генератор

Нейтраль

Векторная диаграмма трехфазного тока

ЕА

ЕС

ЕВ

Соединений генератора по схеме «ЗВЕЗДА»

Соединение потребителя по схеме «ЗВЕЗДА»

Соединение потребителя по схеме «ТРЕУГОЛЬНИК»

Генератор трехфазного тока

Михаи́л О́сипович Доли́во-Доброво́льский - русский электротехник польского происхождения, один из создателей техники трёхфазного переменного тока, немецкий предприниматель.

Работа в этом направлении, на основе полученного Николой Теслой трёхфазного тока, в необычайно короткий срок привела к разработке трёхфазной электрической системы и совершенной, в принципе, не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя

Таким образом, были получены токи с разностью фаз 120 градусов, была найдена связанная трёхфазная система, отличительной особенностью которой являлось использование для передачи и распределения электроэнергии только трёх проводов.

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции - возникновении электрического напряжения в обмотке статора, находящейся в переменном магнитном поле. Оно создается с помощью вращающегося электромагнита - ротора при прохождении по его обмотке постоянного тока.

Основные элементы

Индуктором в генераторе трехфазного тока служит электромагнит, обмотка которого питается постоянным током. Индуктором является ротор, якорь генератора – статором

Сдвиг фаз колебаний в генераторе трехфазного тока

Соединения в трехфазных цепях

Фазное напряжение – напряжение между началом и концом каждой фазной обмотки генератора

Линейное напряжение – напряжение между началами любых двух фазных обмоток.

Задача 1.

• Симметричная нагрузка соединена звездой. Линейное напряжение 380 В. Каково фазное напряжение?

1. 380 В

2. 250 В

3. 220 В

4. 127 В

Uф = UЛ/√3

Задача 2.

• Линейное напряжение 380 В. Каково фазное напряжение, если нагрузка соединена треугольником?

1. 380 В

2. 220 В

3. 127 В

Uф = UЛ

Задача 3.

• Лампы накаливания с номинальным напряжением 127 В включают в трехфазную сеть с линейным напряжением 220 В. Какова при этом схема соединения ламп?

1. Звезда

2. Звезда с нейтральным проводом

3. Треугольник

3. Лампы нельзя включать в сеть с линейным напряжением 220 В

Задача 4.

• Трехфазный двигатель с напряжением 127 В включают в трехфазную сеть с линейным напряжением 380 В. Как следует соединить обмотки двигателя?

1. Звездой

2. Треугольником

3. Двигатель нельзя включать в эту сеть

Задача 5.

• Каково назначение нейтрального провода?

1. Выравнивать сопротивления фаз

2. Выравнивать мощности фаз

3. Выравнивать фазные напряжения