Линейный ток в трехфазных цепях, фазное и линейное напряжение, цепи переменного тока

Линейное и фазное напряжение – отличие и соотношение

В этой краткой статье, не вдаваясь в историю сетей переменного тока, разберемся в соотношениях между фазными и линейными напряжениями. Ответим на вопросы о том, что такое фазное напряжение и что такое линейное напряжение, как они соотносятся между собой и почему эти соотношения именно таковы.

Ни для кого не секрет, что сегодня электроэнергия от генерирующих электростанций подается к потребителям по высоковольтным линиям электропередач с частотой 50 Гц. На трансформаторных подстанциях высокое синусоидальное напряжение понижается, и распределяется по потребителям на уровне 220 или 380 вольт. Где-то сеть однофазная, где-то трехфазная, однако давайте разбираться.

Действующее значение и амплитудное значение напряжения

Прежде всего отметим, что когда говорят 220 или 380 вольт, то имеют ввиду действующие значения напряжений, выражаясь математическим языком – среднеквадратичные значения напряжений . Что это значит?

Это значит, что на самом деле амплитуда Um (максимум) синусоидального напряжения, фазного Umф или линейного Umл, всегда больше этого действующего значения. Для синусоидального напряжения его амплитуда больше действующего значения в корень из 2 раз, то есть в 1,414 раза.

Так что для фазного напряжения в 220 вольт амплитуда равна 310 вольт, а для линейного напряжения в 380 вольт амплитуда окажется равной 537 вольт. А если учесть, что напряжение в сети никогда не бывает стабильным, то эти значения могут быть как ниже, так и выше. Данное обстоятельство всегда следует учитывать, например выбирая конденсаторы для трехфазного асинхронного электродвигателя.

Фазное сетевой напряжение

Обмотки генератора соединены по схеме «звезда», и объединены концами X, Y и Z в одной точке (в центре звезды), которая называется нейтралью или нулевой точкой генератора. Это четырехпроводная трехфазная схема. К выводам обмоток A, B и C присоединяются линейные провода L1, L2 и L3, а к нулевой точке — нейтральный провод N.

Напряжения между выводом A и нулевой точкой, B и нулевой точкой, С и нулевой точкой, – называются фазными напряжениями, их обозначают Ua, Ub и Uc, ну а поскольку сеть симметрична, то можно просто написать Uф — фазное напряжение.

В трехфазных сетях переменного тока большинства стран стандартное фазное напряжение равно приблизительно 220 вольт — напряжение между фазным проводом и нейтральной точкой, которая обычно заземляется, и ее потенциал принимается равным нулю, потому она и называется еще нулевой точкой .

Линейное напряжение трехфазной сети

Напряжения между выводом A и выводом B, между выводом B и выводом C, между выводом C и выводом A, – называются линейными напряжениями, то есть это напряжения между линейными проводниками трехфазной сети. Их обозначают Uab, Ubc, Uca, или можно просто написать Uл.

Стандартное линейное напряжение в большинстве стран равно приблизительно 380 вольт. Легко заметить в данном случае, что 380 больше 220 в 1,727 раза, и, пренебрегая потерями, ясно, что это квадратный корень из 3, то есть 1,732. Безусловно, напряжение в сети все время в ту или другую сторону колеблется в зависимости от текущей загруженности сети, но соотношение между линейными и фазными напряжениями именно таково.

Откуда взялся корень из 3

В электротехнике часто применяют векторный метод изображения синусоидально изменяющихся во времени величин напряжений и токов.

График зависимости величины проекции от времени есть синусоида. И если амплитуда напряжения — это длина вектора U, то проекция, которая меняется со временем — это текущее значение напряжения, а синусоида отражает динамику напряжения.

Так вот, если теперь изобразить векторную диаграмму трехфазных напряжений, то получится, что между векторами трех фаз одинаковые углы по 120°, и тогда если длины векторов — это действующие значения фазных напряжений Uф, то чтобы найти линейные напряжения Uл, необходимо вычислить РАЗНОСТЬ любой пары векторов двух фазных напряжений. Например Ua – Ub.

Выполнив построение методом параллелограмма, увидим, что вектор Uл = Uа + (-Ub), и в результате Uл = 1,732Uф. Отсюда и получается, что если стандартные фазные напряжения равны 220 вольт, то соответствующие линейные будут равны 380 вольт.

Особенности линейного напряжения

Электрические цепи характеризуются наличием различных типов напряжения. Линейное напряжение (ЛН) возникает между фазовыми проводами трёхфазной цепи. У всех частей (фаз) многофазной цепи характеристика тока идентична. Название цепей (шести-, трёх- или 2-фазные) обуславливаются числом фаз. Наибольшее распространение получили трёхфазные электроцепи, так как являются наиболее экономичными в сравнении с многофазными или 2-фазными. А также позволяют на одном агрегате получить ЛН и фазное напряжение (ФН).

Какое напряжение называется линейным, а какое фазным

Линейным называется напряженье между 2-мя фазами линии или когда определяется величина между 2-мя проводами различных фаз.

Напряжение между любой фазой и нулём — фазное. Оно меряется между начальной и конечной стадией фазы. Практически ФН от ЛН отличается на 58-60 процентов. То есть, величины ЛН в 1,73 раза больше величин ФН.

Трёхфазные цепи имеют 380В ЛН, что позволяет получить 220В фазного.

Отличия

Специфика ЛН — это показатель, по которому производится расчёт токов и остальных величин трёхфазной цепи. Подобная схема позволяет подключать одно- и трёхфазные контакты. Номинальное равно 380В и меняется при изменениях в ограниченной сети, к примеру, вследствие скачков.

Популярнейшей является цепь с нейтралью и заземлением. Подключение в такой системе производится по схеме:

  • к фазным проводам подсоединяются однофазные провода;
  • к 3-фазным — 3-фазные.

Широта применения ЛН обуславливается его безопасностью и комфортностью разветвления цепи. Оборудование в таком случае подключается к фазному выводу, и лишь он не безопасен.

Расчёт системы несложен, при этом действуют стандартные физические формулы. Параметры ЛН сети замеряются мультиметром, а ФН — спецустройствами, например, вольтметром, датчиком тока, тестером.

  1. Разводка подобной проводки не нуждается в применении профессионального оборудования. Достаточно отвёрток, которые имеют индикаторы.
  2. Вероятность удара током очень мала. Подобное объясняется присутствующей в цепи свободной нейтралью. Соединение проводников не требует подключения 0-вого вывода.
  3. Схема подходит для всех видов тока.

Важно! К 3-фазной цепи можно подключить 1-фазную. Наоборот сделать нельзя.

  1. Подобная схема подключения пригодна для многих устройств, которым необходима высокая мощность, чтобы работать. ЛН позволяет увеличить КПД двигателя на33%.

При переключении обмоток генератора к треугольнику со звезды обуславливает увеличение в 1,73 раза величины ЛН.

Важно! Сложность обнаружения повреждений в линейном соединении является немаловажным недостатком цепи, так как вследствие этого может случиться пожар.

Отличие между ЛН и ФН состоит в различии соединяемых проводов обмоток. Чтобы проконтролировать параметры ЛН и ФН потребуется импульсный стабилизатор, по-другому — линейный стабилизатор. Этот прибор даёт возможность, сохраняя показатель на одном уровне, приводить в норму напряжение, если оно резко выросло. Прибор можно подключить к контактам электорооборудования, обычной розетке.

Соотношения фазного и линейного напряжения

Соотношение между напряжением линейным и фазным составляет 1,73. То есть при ста процентах мощности ЛН, напряжение фазы будет 58%. То есть, ЛН превышает ФН в 1,73 раза и при этом стабильно.

Напряжение в трёхфазной цепи оценивается по параметрам линейной составляющей. Обычно оно 380 вольт и тождественно 220 вольтам фазной компоненты сети трёхфазного электротока. В электрических сетях, где имеется четыре провода, напряжение 3-фазного тока обозначается 380/220В. Это позволяет подключить к подобной сети оборудование с 1-фазным потреблением электричества 220В и мощных приборов, которые могут работать от 380В.

Универсальной и приемлемой в большинстве случаев является трёхфазная цепь 380/220В 0-вым проводом. Электроприборы, которые функционируют от однофазного напряженья 220В, могут при подсоединении к паре проводов ФН питаться от ЛН.

Электрооборудование, которое запитывается от трёхфазной сети может работать, только если имеется подсоединение одновременно к 3-м выводам различных фаз. Тогда заземление не обязательно, но если изоляционный материал провода будет повреждён, то отсутствие 0-ого значительно увеличивает опасность удара электрическим током.

Важно! При понижении ЛН меняются величины ФН. При уже выясненном значении междуфазного напряжения определить величину ФН труда не составит.

Чему равно линейное напряжение

В большей части стран мира стандартное ЛН составляет примерно 380В.

В чем главные отличия линейного и фазного напряжения?

Одним из видов систем с множеством фаз, представлены цепи, состоящие из трех фаз. В них действуют электродвижущие силы синусоидального типа, возникающие с синхронной частотой, от единого генератора энергии, и имеют разницу в фазе.

Электрическое напряжение трехфазных сетей

Под фазой, понимаются самостоятельные блоки системы с множеством фаз, имеющие идентичные друг другу параметры тока. Поэтому, в электротехнической области, определение фазы имеет двойное толкование.

Во-первых, как значение, имеющее синусоидальное колебание, а во-вторых, как самостоятельный элемент в электросети с множеством фаз. В соответствии с их количеством и маркируется конкретная цепь: двухфазная, трехфазная, шестифазная и т.д.

Сегодня в электроэнергетике, наиболее популярными являются цепи с трехфазным током. Они обладают целым перечнем достоинств, выделяющих их среди своих однофазных и многофазных аналогов, так как, во-первых, более дешевы по технологии монтажа и транспортировки электроэнергии с наименьшими потерями и затратами.

Во-вторых, они имеют свойство легко образовывать движущееся по кругу магнитное поле, которое является движущей силой для асинхронных двигателей, которые используются не только на предприятиях, но и в быту, например, в подъемном механизме высотных лифтов и т.д.

Электрические цепи, имеющие три фазы, позволяют одновременно пользоваться двумя видами напряжения от одного источника электроэнергии – линейным и фазным.

Виды напряжения

Знание их особенностей и характеристик эксплуатации, крайне необходимо для манипуляций в электрощитах и при работе с устройствами, питаемыми от 380 вольт:

  1. Линейное. Его обозначают как межфазный ток, то есть проходящий между парой контактов или идентичными клеймами разных фаз. Оно определяется разностью потенциалов пары фазных контактов.
  2. Фазное. Оно появляется при замыкании начального и конечного выводов фазы. Также, его обозначают как ток, возникающий при замыкании одного из контактов фазы с нулевым выводом. Его величина определяется абсолютным значением разности выводов от фазы и Земли.

Отличия

В обычной квартире, или частном доме, как правило, существует только однофазный тип сети 220 вольт, поэтому, к их щиту электропитания, подведены в основном два провода – фаза и ноль, реже к ним добавляется третий – заземление.

К высотным многоквартирным зданиям с офисами, гостиницами или торговыми центрами, подводится сразу 4 или 5 кабелей электропитания, обеспечивающих три фазы сети 380 вольт.

Почему такое жесткое разделение? Дело в том, что трехфазное напряжение, во-первых, само отличается повышенной мощностью, а во-вторых, оно специфически подходит для питания особых сверхмощных электродвигателей трехфазного типа, которые используются на заводах, в электролебедках лифтов, эскалаторных подъемниках и т.д.

Читайте также:  Основные свойства электрического поля и его характеристики: напряженность, потенциал, индукция

Такие двигатели при включении в трехфазную сеть вырабатывают в разы большее усилие, чем их однофазные аналоги тех же габаритов и веса.

Соединяя проводники не нужно монтировать нулевой контакт, ведь вероятность пробоя очень мала, благодаря не занятой нейтрали.

Но такая схема сети имеет и свое слабое место, так как в линейной схеме монтажа крайне сложно найти место повреждения проводника в случае аварии или поломки, что может повысить риск возникновения пожара.

Таким образом, главным отличием между фазным и линейным типами являются разные схемы подключения проводов обмоток источника и потребителя электроэнергии.

Соотношение

Значение напряжения фазы равняется около 58% от мощности линейного аналога. То есть, при обычных эксплуатационных параметрах, линейное значение стабильно и превосходит фазное в 1,73 раза.

Оценка напряжения в сети трехфазного электрического тока, в основном производится по показателям его линейной составляющей. Для линий тока этого типа, подающегося с подстанций, оно, как правило, равняется 380 вольтам, и идентично фазному аналогу в 220 В.

В электросетях с четырьмя проводами, напряжение трехфазного тока маркируется обоими значениями – 380/220 В. Это обеспечивает возможность питания от такой сети устройств, как с однофазным потреблением электроэнергии 220 вольт, так и более мощных агрегатов, рассчитанных на ток 380 В.

Самой доступной и универсальной стала система трехфазного типа 380/220 В, имеющая нулевой провод, так называемое заземление. Электрические агрегаты, работающие на одной фазе 220 В., могут быть запитаны от линейного напряжения при подключении к любой паре фазных выводов.

В этом случае, применение нулевого вывода в качестве заземления, не является обязательным, хотя в случае повреждения изоляции проводов, его отсутствие серьезно повышает вероятность удара током.

Схема

Агрегаты трехфазного тока имеют две схемы подключения в сеть: первая – «звезда», вторая – «треугольником». В первом варианте, начальные контакты всех трех обмоток генератора замыкаются вместе по параллельной схеме, что, как и в случае с обычными щелочными батарейками не даст прироста мощности.

Вторая, последовательная схема подключения обмоток источника тока, где каждый начальный вывод подключается к конечному контакту предыдущей обмотки, дает трехкратный прирост напряжения за счет эффекта суммирования напряжений при последовательном подключении.

Кроме того, такие же схемы подключения имеют и нагрузку в виде электродвигателя, только устройство, подключенное в трехфазную сеть по схеме «звезда», при токе в 2,2 А будет выдавать мощность 2190Вт, а тот же агрегат, подключенный «треугольником», способен выдать в три раза большую мощность – 5570, за счет того, что благодаря последовательному подключению катушек и внутри двигателя, сила тока суммируется и доходит до 10 А.

Расчет линейного и фазного напряжения

Сети с линейным током нашли широкое применение за счет своих характеристик меньшей травмоопасности и легкости разведения такой электропроводки. Все электрические устройства в этом случае соединены только с одним фазным проводом, по которому и идет ток, и только он один и представляет опасность, а второй – это земля.

Рассчитать такую систему несложно, можно руководствоваться обычными формулами из школьного курса физики. Кроме того, для измерения этого параметра сети, достаточно использовать обычный мультиметр, в то время как для снятия показаний подключения фазного типа, придется задействовать целую систему оборудования.

Для подсчета напряжения линейного тока, применяют формулу Кирхгофа:

Уравнение которой гласит, что каждой из частей электрической цепи, сила тока равна нулю – k=1.

И закон Ома:

Используя их, можно без труда произвести расчеты каждой характеристики конкретного клейма или электросети.

В случае разделения системы на несколько линий, может появиться необходимость рассчитать напряжение между фазой и нулем:

Эти значения являются переменными, и меняются при разных вариантах подключения. Поэтому, линейные характеристики идентичны фазовым.

Однако, в некоторых случаях, требуется вычислить чему равно соотношение фазы и линейного проводника.

Для этого, применяют формулу:

Uл – линейное, Uф – фазовое. Формула справедлива, только если – IL = IF.

При добавлении в электросистему дополнительных отводящих элементов, необходимо и персонально для них рассчитывать фазовое напряжение. В этом случае, значение Uф заменяется на цифровые данные самостоятельного клейма.

При подключении промышленных систем к электросети, может появиться необходимость в расчете значения реактивной трехфазной мощности, которое вычисляется по следующей формуле:

Идентичная структура формулы активной мощности:

Примеры расчета:

Например, катушки трехфазного источника тока подключены по схеме «звезда», их электродвижущая сила 220В. Необходимо вычислить линейное напряжение в схеме.

Линейные напряжения в этом подключении будут одинаковы и определяются как:

Линейный ток в трехфазных цепях, фазное и линейное напряжение, цепи переменного тока

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.

Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:

  • фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
  • фаза как составная часть многофазной электрической системы.

Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.

Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).

Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

– экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;

– самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

– возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

– уравновешенность симметричных трехфазных систем.

Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.

Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3.

Рис.3Рис.4

Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).

Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).

Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.

Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.

Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Читайте также:  Коэффициент мощности двигателя: определение, способы увеличения «косинуса фи»

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии – линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе . Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; – фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

;(1)
;(2)
.(3)

Отметим, что всегда – как сумма напряжений по замкнутому контуру.

На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при основании, равными 300), в этом случае

(4)

Обычно при расчетах принимается . Тогда для случая прямого чередования фаз , (при обратном чередовании фаз фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: ; .

Соединение в треугольник

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

Для симметричной системы ЭДС имеем

.

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов

.(5)

В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда – звезда» и «треугольник – треугольник» на практике также применяются схемы «звезда – треугольник» и «треугольник – звезда».

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Какой принцип действия у трехфазного генератора?
  2. В чем заключаются основные преимущества трехфазных систем?
  3. Какие системы обладают свойством уравновешенности, в чем оно выражается?
  4. Какие существуют схемы соединения в трехфазных цепях?
  5. Какие соотношения между фазными и линейными величинами имеют место при соединении в звезду и в треугольник?
  6. Что будет, если поменять местами начало и конец одной из фаз генератора при соединении в треугольник, и почему?
  7. Определите комплексы линейных напряжений, если при соединении фаз генератора в звезду начало и конец обмотки фазы С поменяли местами.
  8. На диаграмме на рис. 10 (трехфазная система токов симметрична) . Определить комплексы остальных фазных и линейных токов.
  9. Какие схемы соединения обеспечивают автономность работы фаз нагрузки?

Трехфазный ток

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 тока.

Трехфазная система переменного тока

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).

Ещё электротехник М.О. Доливо-Добровольский, проводя изучение работы асинхронных двигателей, представил четырёхпроводную систему в качестве рабочей для питания такого типа машин и агрегатов. Каждый провод, образующий отдельную цепь внутри этой системы, называют «фазой». Структуру трёх смещённых по фазе переменных токов именуют трёхфазным током.

Важно! В подобной структуре фазное напряжение равно 220 В – это то, что покажет прибор при измерении между фазным и нулевым проводниками. Величина линейного напряжения составит 380 В при проведении измерения между двумя фазными тоководами.

Что такое трехфазный ток

Это система, объединяющая три электроцепи с токами, которые разнятся по фазе на 1/3 периода. Причём их собственные ЭДС совпадают по частоте и амплитуде и имеют такой же фазовый сдвиг. У такой структуры фазное и линейное напряжения соответственно равны 220 В и 380 В. Частота периодических колебаний – 50 герц (Гц).

Если подключить к осциллографу токовые синусоидальные сигналы от трёхфазной сети, то можно будет увидеть, что они совершают прохождение своих точек максимума в регулярной фазовой последовательности.

Общая формула мощности переменного тока:

где:

  • P – мощность, (Вт);
  • I – ток, (А);
  • U – напряжение, (В);
  • cosϕ – коэффициент мощности.

Значение cosϕ должно стремиться к единице. Средний коэффициент мощности лежит в интервале 0,7-0,8. Чем он выше, тем больше КПД установки.

В случае 3-х фазных сетей мощность будет зависеть от схемы соединения источника и нагрузки.

Почему используют трехфазный ток

Зная, что такое трехфазный ток, можно однозначно ответить на вопрос, почему он применяется.

Трехфазные системы переменного тока обладают целым рядом преимуществ, которые позволяют им выделяться среди многофазного построения электрических структур. К плюсам можно отнести следующие особенности:

  • экономичное транспортирование энергии на дальние расстояния без снижения параметров;
  • 3-фазные трансформаторы и кабели обладают меньшей материалоёмкостью, в отличие от однофазных моделей;
  • возможность обеспечить сбалансированность энергосистемы;
  • одновременное присутствие в установках двух напряжений для работы: фазное напряжение (220 В) и линейное (380 В).

К сведению. Подключение люминесцентных ламп к разным фазам и установка их в один светильник значительно уменьшат стробоскопический эффект и заметное глазу мерцание.

Неотъемлемой частью оборудования любого производственного предприятия являются асинхронные двигатели. Для их нормальной работы и развития паспортной мощности необходимо 3-х фазное питание. Оно обеспечивает возможность образования вращающегося МП (магнитного поля), которое приводит в движение ротор асинхронной машины. Такие двигатели экономичнее, проще в изготовлении и просты в эксплуатации, по сравнению с однофазными или любыми другими.

На электростанциях любого типа (ГЭС, АЭС, ТЭС), а также альтернативных обеспечено производство электроэнергии переменного типа при помощи генераторов.

Как осуществляется работа генератора

Устройство действует, превращая энергию вращения в энергию электричества. Электромашина, используя вращение МП, генерирует электрический ток. В тот момент, когда проволочная обмотка (катушка) крутится в МП, силовые линии магнитного поля пронизывают витки обмотки.

Внимание! В результате этого процесса электроны совершают перемещение в сторону плюсового полюса магнита. При этом ток движется, наоборот, в сторону отрицательного магнитного полюса.

Не важно, что вращается при механическом воздействии, обмотка или магнитное поле, – ток будет течь, пока вращение выполняется.

Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:

  • неподвижные магниты и подвижный (вращающийся) якорь;
  • неподвижный статор и магнитные полюса, которые вращаются.

В устройствах первой конструкции возникает потребность отбора большого тока при высоком напряжении. Для этого приходится использовать щётки (скользящие по контактным кольцам контакты).

Второе строение генератора проще и более востребовано. Здесь ротор – подвижный элемент, состоит из магнитных полюсов. Статор – неподвижная часть, собрана из пакета изолированных между собой листов железа и вложенной в пазы обмотки статора.

Информация. У ротора тело собрано из сплошного железа и имеет магнитные полюса в виде наконечников. Наконечники набираются из отдельных листов. Их форма подобрана с учётом того, чтобы генерируемый ток по форме был близок к синусоиде.

Полюсные сердечники имеют катушки возбуждения. На катушки подаётся постоянный ток. Подача осуществляется через графитовые щётки на кольца контакта, находящиеся на валу.

На схемах 3-х фазный генератор рисуют в виде трёх обмоток, угол между которыми равен 1200.

Существует несколько способов возбуждения генераторов, а именно:

  • независимый – с помощью аккумулятора;
  • от возбудителя – при помощи дополнительного генератора, закреплённого на одном валу;
  • благодаря самовозбуждению – собственным выпрямленным током.

Сюда же относится магнитное возбуждение, подаваемое от магнитов постоянной природы.

Схемы трехфазных цепей

Обмотки генератора или трансформатора в трёхфазных цепях можно соединить между собой по двум схемам:

Соединения выполняются на клеммнике (борно) агрегата или трансформатора, куда выводятся концы обмоток.

Присоединение нагрузки к генератору (трансформатору) можно произвести по следующим схемам:

  • присоединение «звезда – звезда» с использованием нулевого проводника;
  • подключение «звезда – звезда» без использования нулевого провода;
  • подсоединение «звезда – треугольник»;
  • схема «треугольник – треугольник»;
  • соединение «треугольник – звезда».

Внимание! Такое разнообразие схем вызвано тем, что собственные обмотки генератора и собственные обмотки нагрузки могут быть соединены по-разному. При различных типах сопряжения получаются разные соответствия между фазными и линейными значениями.

Соединение может быть выполнено на заводе при сборке генератора, к месту подсоединения питающего кабеля уже выведены вторые концы обмоток. Информация о схеме соединения обмоток наносится на прикреплённую к статору машины табличку.

На электрических двигателях, трансформаторах или иных потребителях также производят необходимые манипуляции по переключению выводов обмоток. На картинке, приведённой ниже, красным маркером отмечены концы обмоток, соединённые перемычкой. Синим маркером – фазы питания.

Читайте также:  Как правильно пользоваться мультиметром: видео для чайников, измерить напряжения, цифровой вольтметр

Соединение звездой

Буквенное обозначение начала обмоток – «А», «В», «С», концов – «X», «Y», «Z». Нулевая точка маркируется как «О». У каждой обмотки есть два конца. При соединении «звезда» все три одноименных вывода обмоток (начала) соединяются между собой в одну точку «О». К свободным концам подключается нагрузка.

Соединение треугольником

При выполнении этого присоединения на борно ставятся перемычки, включающие обмотки в следующей последовательности:

  • конец «А» – с началом «В»;
  • конец «В» – с началом «С»;
  • конец «С» – с началом «А».

Графическое изображение катушек становится похожим на треугольник, отсюда пошло название.

Когда хотят использовать подключаемый асинхронный двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, то его обмотки соединяют в треугольник. В этом случае фазные напряжения совпадают (Uл = Uф), линейный ток будет вычисляться по формуле:

Подключая в качестве нагрузки двигатель, необходимо учесть ряд нюансов:

  • достигается увеличение мощности в 1,5 раза;
  • повышается значение пускового тока, по сравнению с рабочим в 7 раз из-за тяжёлого запуска;
  • резкое увеличение нагрузки на валу электромашины будет вызывать резкое увеличение тока.

Из-за всего этого есть риск возникновения перегрева машины, что не происходит при соединении обмоток нагрузки по схеме «звезда». Там двигатель не расположен к перегреванию, и его пуск осуществляется плавно.

При двух видах включения обмоток различают и дают определение двум видам токов: линейному и фазному. Запомнить различия просто:

  • ток, протекающий через проводник, который соединяет источник с приёмником, называется линейным;
  • ток, движущийся по обмоткам источника или нагрузки, называется фазным.

Стоит обратить внимание на формулы мощности при различных схемах соединения источника с нагрузкой.

Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:

P = 3*Uф*Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ,

где:

  • Uф – фазное напряжение;
  • Uл – линейное напряжение;
  • Iф – фазный ток;
  • Iл – линейный ток;
  • cosϕ – сдвиг фаз.

Мощность тока при схеме «треугольник» вычисляется по формуле:

P = 3* Uф* Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ.

К сведению. Обращать внимание на линейный и фазный токи необходимо тогда, когда генератор (источник) нагружается несимметрично при подключении нагрузки.

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях

Следующий параметр, который требует внимательного рассмотрения, – это напряжение. Так же, как и токи, напряжение в этом случае бывает фазное и линейное. Чтобы было понятнее их отличие, лучше всего рассмотреть графическое изображение векторов напряжений (фаз). Уже известно, что они расположены друг к другу под углом 1200. Таков угол между обмотками трёхфазного генератора.

Сохраняя угол наклона вектора Ub, откладывают его (изменив знак) от точки, где заканчивается вектор Ua. Тогда из полученной векторной диаграммы видно, что вектор линейного напряжения Uл равен расстоянию между точкой начала вектора напряжения Ua и точкой конца вектора напряжения Ub. Заметно, что вектор линейного напряжения превышает фазное. Насколько большая эта разница, можно определить, пользуясь формулой:

Так как sin600= √3/2, то формула принимает вид:

Значит, Uл = 1,73*Uф

При практических измерениях параметров напряжения фазное напряжение измеряют, касаясь щупами тестера фазного и нулевого проводников. Линейное значение должно измеряться прикосновением щупами к двум фазным проводникам.

Подключение нагрузки к источнику в трёхфазной цепи может осуществляться, как по трём проводам, без нулевого проводника, так и с его использованием. Всё зависит от того, какого типа нейтраль у сети. В сетях с глухозаземлённой нейтралью нулевой проводник служит для избегания перекоса по фазам. К тому же его используют в цепях защиты от пробоя изоляции на корпус оборудования. Он даёт возможность для срабатывания защитного отключения или перегорания вставки предохранителя.

Сети с изолированной нейтралью прекрасно работают по трём фазным проводам. Соединения такого типа исключают одновременное использование и фазного, и линейного напряжения. При такой схеме существует риск получить удар током при пробое изоляции.

Отличия от однофазного тока

Как правило, в многоквартирные дома подводится трехфазный переменный ток. Это обусловлено подключением большого числа однофазных нагрузок. В этом случае есть возможность равномерно нагрузить каждую фазу цепи трансформаторной подстанции. Это позволит не допустить перекоса межфазного и фазного напряжений.

Основные различия, по сравнению с однофазным током, лежат в следующей плоскости:

  • линейное напряжение не рассчитано на питание однофазных потребителей;
  • величина мощности нагрузки зависит от сечения питающего кабеля;
  • возможность включения в сеть трёхфазных потребителей;
  • допустимость переключения однофазного потребителя на другую фазу.

В связи с этим использование трёхфазного тока более эффективно на производстве.

Важно! Стоимость оборудования, кабельной продукции, электроэнергии, приборов учёта при подведении к объекту напряжения, равного 380 В, значительно выше, чем однофазной сети.

Какой вариант тока выбрать, трёхфазный или однофазный, решать владельцу жилья. Особенно это касается больших частных домов, где современное электрооборудование требует наличия всех трёх фаз. Затраты на подведение 3-х фазного тока и установку узла учёта с лихвой окупятся возможностями использования трёхфазных потребителей в приусадебном хозяйстве.

Видео

Фазное и линейное напряжение

Одним из вариантов систем многофазных электрических цепей является трехфазная цепь. В многофазных электрических цепях происходит действие синусоидальных электродвижущих сил с одинаковой частотой. Они отличаются друг от друга по фазе и создаются от общего источника энергии. В трехфазных цепях важными параметрами являются фазное и линейное напряжение, отличающиеся своими электрическими характеристиками.

Что такое фаза

Каждая часть многофазной системы, имеющая одинаковую характеристику тока, называется фазой. Поэтому определение фазы имеет двоякое значение в электротехнике. Во-первых, как величина, изменяющаяся синусоидально, а во-вторых, как отдельная часть в системе многофазных электрических цепей. Количество фаз определяет наименование цепей: двухфазные, трехфазные, шестифазные и т.д.

Самыми распространенными цепями в современной энергетике являются трехфазные. Они имеют ряд преимуществ перед другими видами цепей, как однофазными, так и многофазными. Они более экономичны при производстве и передаче электроэнергии. Трехфазное напряжение возникает в результате вращения магнита внутри катушки. С его помощью достаточно просто образуется вращающееся круговое магнитное поле, обеспечивающее работу асинхронных двигателей. Данное явление известно, как ЭДС или по-другому, электродвижущая сила индукции.

Вращающийся магнит называется ротором, а катушки, расположенные вокруг него, образуют статор. Переменное напряжение получается путем преобразования постоянного напряжения, когда прямая линия принимает синусоидальную конфигурацию с изменяющимися положительными и отрицательными значениями.

Изменение магнитного потока происходит за счет вращения ротора, что и приводит к образованию переменного напряжения. В статоре имеется три катушки, в каждой из которых присутствует собственная отдельная электрическая цепь. Каждая катушка сдвинута относительно друг друга на 120 градусов по окружности. Под действием вращающегося магнита во всех катушках возникает одинаковое переменное напряжение между фазами в трехфазной сети.

Трехфазные цепи дают возможность получать два эксплуатационных напряжения на одной установке – фазное и линейное.

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях

Фазное напряжение – возникает между началом и концом какой-либо фазы. По другому его еще определяют, как напряжение между одним из фазных проводов и нулевым проводом.

Линейное – определяется как межфазное или между фазное – возникающее между двумя проводами или одинаковыми выводами разных фаз.

Рассматривая фазные и линейные напряжения и токи, следует отметить, что показатель фазного напряжения составляет примерно 58% от параметров линейного. Таким образом, при нормальных условиях эксплуатации показатели линейных одинаковы и превышают фазные в 1,73 раза. То есть, если линейное напряжение 380, чему равно фазное можно определить с помощью этого коэффициента.

В трехфазной сети напряжение, как правило, оценивают по данным линейного напряжения. Для трехфазных линий, которые отходят от подстанции, устанавливается линейное напряжение номиналом 380 вольт. Это соответствует фазному в 220 вольт. В трехфазных четырех проводных сетях номинальное напряжение указывается с обозначением обеих величин – 380/220 В. Это означает, что в такую сеть подключаются как приборы с 380 вольт, так и однофазные – на 220 вольт.

Наибольшее распространение получила трехфазная система 380/220 вольт с заземленным нулевым проводом. Однофазные электроприборы на 220 вольт подключаются к линейному напряжению между любой парой фазных проводов. Трехфазные электроприборы подключаются к трем различным проводам фаз. В последнем случае не требуется использование нулевого провода, при этом отсутствие заземления повышает риск поражения током, когда нарушена изоляция.

Отличие линейного напряжения от фазного

Прежде чем рассматривать практическое значение этих параметров, необходимо точно знать, чем различаются между собой линейное и фазное напряжения. Определенное межфазное напряжение в трехфазной цепи может возникнуть либо между двумя фазами, либо между одной из фаз и нулевым проводом. Подобное взаимодействие становится возможным из-за использования в схеме четырехпроводной трехфазной цепи. Ее основными характеристиками являются напряжение и частота.

Напряжение, возникающее между двумя фазными проводниками, считается линейным, а между фазным и нулевым возникает фазное. Линейное напряжение используется для расчета токов и других параметров трехфазной цепи. К таким схемам возможно подключение не только трехфазных контактов, но и однофазных, например, различных бытовых приборов. Номинальное значение линейного напряжения составляет 380 В. Иногда оно изменяется под действием различных факторов, появляющихся в локальной сети. Таким образом, все основные различия между обоими видами напряжений заключаются в способах соединения обмоток.

Наибольшее распространение получило линейное напряжение, из-за безопасного использования и удобного распределения сетей. Для его замеров достаточно мультиметра, тогда как определение характеристик фазного напряжения требует использования вольтметров, датчиков тока и других специальных приборов.

Контроль и выравнивание данного параметра осуществляется с помощью линейного стабилизатора напряжения. Этот прибор обеспечивает поддержание этого показателя на нормативном уровне, в том числе он нормализует и повышенное напряжение.

Использование линейного и фазного напряжения

Классическим примером использования линейного и фазного напряжения считаются соединения, используемые при запуске трехфазного генератора. В его конструкцию входят первичные и вторичные обмотки, которые могут соединяться звездой или треугольником.

Схема «треугольник» предполагает соединение конца первой фазы с началом второй. Кроме того, каждый фазный проводник соединяется с линейными проводами источника тока. В результате, происходит выравнивание токов, а фазное напряжение становится равным линейному. По такой же схеме подключаются электродвигатели и трансформаторы.

Другим вариантом является схема «звезда». В этом случае начала всех обмоток подключаются к одной сети при помощи перемычек. Таким образом, в обмотки будет поступать ток с характеристиками этой сети, а межфазное напряжение вступит во взаимодействие со всеми активными контактами.

Добавить комментарий