Лекция по электротехнике Фазные и линейные напряжения (токи), соотношения между ними. Векторные диаграммы напряжений и токов. Мощность трехфазной цепи переменного тока. Нулевой провод, его значение»

Учебная дисциплина ОП.03 Электротехника и электроника

Лекция по теме: «Фазные и линейные напряжения (токи), соотношения между ними. Векторные диаграммы напряжений и токов. Мощность трехфазной цепи переменного тока. Нулевой провод, его значение»

План лекции:

1.Трехфазный переменный ток.

2. Что такое фаза?

3. Фазные и линейные напряжения (токи).

4. Соотношения между фазными и линейными напряжениями (токами).

5. Векторные диаграммы напряжений и токов.

6. Мощность трехфазной цепи переменного тока.

7. Нулевой провод, его значение.

Каждая часть многофазной системы, имеющая одинаковую характеристику тока, называется фазой.

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 напряжение — которое определяют еще как межфазное или между фазное – возникающее между двумя проводами или одинаковыми выводами разных фаз. 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. 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 В.

Так, токи, протекающие в каждой фазе, именуют фазными и условно обозначают I_А, I_B, I_C либо условно I_ф. Токи в ветвях нагрузки именуют линейными. Их величина обуславливается величиной фазных напряжений, типом нагрузки. При сугубо активной нагрузке токи идентичны с напряжениями по фазе, а при индуктивной либо емкостной нагрузке, токи могут опережать или отставать от напряжения.

В традиционных электросетях имеет место 2 метода соединения:

— треугольник;

— звезда.

В чём различие между фазным и линейным напряжением — см.видео по ссылке https://youtu.be/39-dggvCRmg

Видео «Построение векторных диаграмм» по ссылке: https://www.youtube.com/ ›watch?v=wcyQvK84lsU

youtube.com›watch?v=XBoF0gFU_FI)

Мощность трехфазной цепи переменного тока

Количество потребленной энергии в сети однофазного тока определяется простейшими расчетами, это не вызывает затруднений. Расчет мощности трехфазной сети сопряжен с некоторыми трудностями: Наличие трех фаз вместо одной; Различные схемы соединения потребителей – «звезда» или «треугольник»; Симметрия или ее отсутствие при распределении нагрузки по фазам.

Для правильного определения и расчета мощности требуется знание нескольких факторов:

— количества фаз питания;

— способа соединения потребителей.

При однофазном подключении используется два провода:

— фазный провод;

— нулевой провод.

Для трехфазной сети характерно наличие трех или четырех проводников (подключение с заземленной нейтралью). При этом используется две различных схемы включения: «Треугольник». Каждая нагрузка подсоединяется с двумя соседними. Напряжение каждой фазы подводится к точкам соединения потребителей. «Звезда». Все три потребителя соединяются в одной точке. Ко вторым концам подключаются фазы питания. Это схема с изолированной нейтралью. В схеме с заземленной нейтралью точка соединения потребителей подключается к нулевому проводнику.

Для измерения мощности применяют специальные измерительные приборы, называемые ваттметрами. При симметричной нагрузке мощность, потребляемая от трехфазной системы, может быть определена одним однофазным ваттметром. В четырехпроводной системе (с нулевым проводом) токовая обмотка ваттметра включается последовательно в один из линейных проводов, а обмотка напряжения — между тем же линейным и нулевым проводами. При  таком включении показание ваттметра определит мощность в одной фазе Рф, а так как при равномерной нагрузке мощности всех фаз  одинаковы, то суммарная мощность трехфазной системы Р = 3 Рф.

В трехпроводной системе обмотка напряжения ваттметра включена на линейное напряжение сети, а по токовой его обмотке протекает линейный

ток. Поэтому мощность трехфазной системы в  раз больше показания ваттметра P_ω, т. е. Р=Рω.

При несимметричной нагрузке одного ваттметра для определений  мощности трехфазной системы недостаточно.

В четырехпроводной системе при несимметричной нагрузке необходимо включение трех ваттметров, обмотки напряжений которых включаются между нулевым и соответствующим линейным проводом. Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы и суммарная мощность трехфазной системы равна сумме показаний трех ваттметров, т. е. Р = Р₁ + Р₂ + Р₃.

В трехпроводной системе при несимметричной нагрузке наиболее  часто используют схему двух ваттметров, которая не может быть использована в четырехпроводной системе. В схеме двух ваттметров обмотки напряжений каждого ваттметра соединены с входным зажимом обмотки тока и линейным проводом, оставшимся свободным. Полная мощность трехфазной системы равна сумме показаний ваттметров, т. е. Р=Р₁+Р₂

В лабораторной практике для этой схемы измерения мощности применяют один ваттметр и специальный переключатель, который без разрыва цепи тока дает возможность включать этот ваттметр как в один, так и в другой линейный провод.

При больших углах сдвига фаз между напряжением и током показания одного из ваттметров могут оказаться отрицательными и для измерения мощности необходимо изменить направление тока в обмотке тока, переключив ее. В этом случае суммарная мощность равна разности показаний ваттметров, т. е. Р = Р₁ — Р₂.

Энергия в трехфазной системе измеряется как однофазными, так и трехфазными счетчиками электрической энергии. Включение однофазных счетчиков в трехфазную сеть подобно включению ваттметров, описанному выше.

Трехфазные счетчики составляются из двух или трех однофазных, размещенных в одном корпусе и имеющих общий счетный механизм, и называются соответственно двухэлементными и трехэлементными. В трехпроводной системе (без нулевого провода) применяют двухэлементные, а в четыре  проводной системе (с нулевым проводом) —трехэлементные счетчики. Схема включения счетчика электрической энергии указывается на съемной крышке, которой закрывается панель зажимов.

Нулевой провод — это провод, использующийся для выравнивания напряжения в фазах. В случае его отсутствия или повреждения могут сгореть подключенные к фазе приборы и даже может начаться пожар. Поэтому необходимо знать принципы работы с ним.

Что такое нулевой провод? Его значение.

При работе с электричеством особого внимания требует нулевой провод. Что это такое, не всегда известно людям, не связанным профессионально с электросетями, и зачастую у них появляется ошибочное заблуждение, что нейтральный кабель – это только заземление. На самом деле, нейтральный проводник соединяет нейтрали установок в трехфазных цепях. Когда на каждую фазу из трех подается разная нагрузка, появляется смещение нейтрали, вызывающее нарушение симметрии напряжений, то есть, нарушение симметрий нагрузки приводит к тому, что у одних потребители будут получать пониженное напряжение, а другие же повышенное.

В общей цепи (фаза ноль), той, что приходит на люстру или розетку, есть два провода. Один из них и есть фаза. Именно этот провод находится под напряжением. Фаза в электротехнике сравнима с плюсом в автомобиле — это основное питание для сети.

Фаза, ноль, земля в розетке

Нуль — это провод, который не находится под напряжением (это именно то, чем отличается ноль от фазы). Он не перегружен в процессе отбора мощности, но, тем не менее, по нему так же течет электрический ток, только в направлении, обратном фазному. В отсутствии напряжения он является безопасным в плане поражения человека электротоком.

Нуль замыкает электрическую цепь. Без этого провода в цепи не может быть электрического тока, который и дает мощность для питания бытовых приборов. По сути, нулевой провод — это земля.

Начало свое нуль берет от комплектной трансформаторной подстанции 6(10)/0,4 кВ, где трансформатор своей нулевой шиной соединен с контуром заземления. Изначально именно земля является проводником с нулевым потенциалом, и именно поэтому многие путают нуль с землей. ВЛ (воздушная линия электропередачи), выходя из КТП, имеет 4 провода — 3 фазы и нуль, который в начале линии соединен с нулем трансформатора. На протяжении воздушной линии через одну опору производится повторное заземление, которое дополнительно связывает нуль линии с землей, что дает более полноценную связь цепи «фаза — нуль» для того, чтобы у конечного потребителя в розетке было не менее 220В.

Основное назначение нулевого провода — замыкание цепи для создания электрического тока для работы любого электроприбора. Ведь для того, чтобы ток появился, необходима разность потенциалов между двумя проводами. Нуль потому так и называется, что потенциал на нем равен нулю. Отсюда и уровень напряжения 220В — 230В.

В домашних условиях, даже не имея специальных приборов и приспособлений, возможно определить в обычной розетке, какой из двух проводов является фазой, а какой нулем. В этом случае используются электролампа или индикаторная отвертка.

Для поиска нуля и фазы достаточно взять обыкновенный патрон с лампочкой и прикрутить два провода на его штатные места. Затем один из этих проводов подключить к заземляющим ножам в розетке, а второй — к любому из двух силовых разъемов.

Фазным будет являться тот разъем, при подключении к которому лампочка будет загораться. Это происходит потому, что по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), в вводном электрощите нулевые провода всех розеток должны быть соединены с земляными проводами этих же розеток. А отдельно земляная шина должна быть соединена с защитным контуром заземления. Именно это и обеспечивает наличие надежного нуля во всей цепи энергоснабжения дома.

Видео см. по ссылке: https://youtu.be/3Gvp6Q8q3Ks

Вопросы для самоконтроля:

1. Что представляет собой трехфазная цепь? Каковы ее элементы?

2. Что такое фаза трехфазной цепи?

3. В чем преимущества трехфазной цепи перед однофазной?

4. Какая система величин (ЭДС, напряжений, токов) называется трехфазной симметричной?

5. Какое соединение фаз называется соединением в звезду?

6. Какое напряжение называется линейным, фазным? Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями при любой нагрузке и при симметричной нагрузке?

7. Какой ток называется линейным, фазным? Каково соотношение между линейным и фазным токами при соединении фаз приемника в звезду?

8. В чем отличие и преимущества трехпроводных и четырехпроводных цепей?

9. Когда и зачем применяют нейтральный провод?

10. В каком случае отсутствует ток в нейтральном проводе?

11. Как определить мощности трехфазной цепи?

12. Что такое нулевой провод? Каковое его значение?

Домашнее задание:

1.Проработать конспект лекции.

2. Ответить на вопросы для самоконтроля.

3.Выполнить задания в тестовой форме:

Вариант 1

1. Начало первой обмотки при соединении обмоток генератора треугольником соединяется:

1. с началом второй;

2. концом третьей;

3. концом второй;

4. началом третьей;

5. концом третьей.

2. Фазой называют:

1. аргумент синуса;

2. часть многофазной цепи;

3. фазу в начальный момент времени;

4. оба определения ответов 1 и 2 правильны;

5. разность начальных фаз переменных величин.

3. Какой из токов в схеме (рис. 4.3.1) линейный, а какой — фазный:

1. оба тока — линейные;

2. оба тока — фазные;

3. ток I₂ — линейный, I₁ — фазный;

4. ток I₂ — фазный, I₁ — линейный;

5. таких токов в данной схеме нет.

4. Симметричная нагрузка соединена звездой. Линейное напряжение 380 В. Фазное напряжение равно:

1. 220 В;

2. 380 В;

3. 250 В;

4. 127В;

5. 660 В.

5. Укажите правильные уравнения, связывающие векторы линейных и фазных токов, если соединение потребителей треугольником (рис. 4.3.2):

Вариант 2

1. Лампы накаливания с U_H = 127 В включают в трехфазную сеть с линейным напряжением 220 В. Схема включения ламп:

1. звездой;

2. треугольником;

3. звезда с нулевым проводом;

4. лампы нельзя включать в сеть;

5. для ответа недостаточно данных.

2. Действующее значение трехфазной ЭДС при изменении направления вращения катушек:

1. изменится;

2. увеличится в три раза;

3. уменьшится в три раза;

4. изменится на ;

5. не изменится.

3. Ток в нулевом проводе четырехпроводной цепи:

1. не может равняться нулю;

2. может равняться нулю;

3. всегда равен нулю;

4. всегда больше нуля;

5. всегда меньше нуля.

4. Если U_AC = Uс – U_A’, то вектор U_AC при соединении треугольником равен:

5. В симметричной трехфазной цепи U_ф = 220 В, I_ф = 5 А, cosφ = 0,8. Активная мощность цепи равна:

1. 1,1 кВт;

2. 0,88 кВт;

3. 2,2 кВт;

4. 2,64 кВт;

5. 5,28 кВт.

Вариант 3

1. Если при прочих условиях изменить скорость вращения обмоток, то изменятся:

1. амплитуды и начальные фазы;

2. частота и начальные фазы;

3. ЭДС и начальные фазы;

4. частота и амплитуды;

5. ЭДС и амплитуды.

2. Сумма токов фаз равна нулю при отсутствии нулевого провода:

1. не всегда;

2. всегда;

3. зависит от условий;

4. зависит от числа проводов — 3 или 4;

5. зависит от Z-фазы.

3. Обмотки, показанные на рис. 4.3.3, соединены.

1. звездой;

2. треугольником;

3. последовательно;

4. параллельно;

5. другим способом.

4. При симметричной нагрузке, соединенной треугольником, U_А = 380 В. Фазное напряжение равно:

1. 220 В;

2. 127 В;

3. 660 В;

4. 250 В;

5. 380 В.

5. Дано: U_^ = 220 В; I_^ = 5 A; cosφ = 0,8. Трехфазная цепь симметричная. Активная мощность цепи составляет:

1. 1,1 кВт;

2. 1,14 кВт;

3. 1,52 кВт;

4. 2,2 кВт;

5. 2,06 кВт.

Вариант 4

1. К генератору, обмотки которого соединены в звезду, подходит:

1. 6 соединительных проводов;

2. 3 соединительных провода;

3. 3 или 4 провода;

4. 4 провода;

5. 6 или 3 провода.

2. Какое напряжение в схеме, показанной на рис. 4.3.4, линейное, а какое — фазное:

1. U_CA — линейное, U_co — фазное;

2. U_AO — линейное, U_BO — фазное;

3. U_AB — линейное, U_BC — фазное;

4. U_BC — линейное, — фазное;

5. U_CO — линейное, — фазное.

3. Будут ли меняться линейные токи при обрыве нулевого провода в случае: а) симметричной нагрузки; б) несимметричной нагрузки:

1. а) будут; б) не будут;

2. а) будут; б) будут;

3. а) не будут; б) не будут;

4. а) не будут; б) будут;

3. Ток I_^ = 2,2 А. Если симметричная нагрузка соединена треугольником, то фазный ток:

1. 3,8 А;

2. 2,2 А;

3. 6,6 А;

4. 1,27 А;

5. 2,54 А.

3. В симметричной трехфазной цепи U_ф = 220 В; I_ф = 5 A; cosφ = 0,8. Реактивная мощность цепи равна:

1. 0,66 квар;

2. 1,98 квар;

3. 2,64 квар;

4. 1,1 квар;

5. 2,2 квар.

Вариант 5

1. В симметричной трехфазной цепи U_A = 220 В, 1_А = 5 A, coscp = 0,8. Реактивная мощность цепи равна:

1. 0,38 квар;

2. 1,1 квар;

3. 1,14 квар;

4. 1,52 квар;

5. 3,04 квар.

2. В трехфазную сеть U_A — 220 В включают двигатель, обмотки которого рассчитаны на 127 В. В этом случае:

1. двигатель нельзя включить в сеть;

2. обмотки двигателя надо соединить треугольником;

3. звездой с нулевым проводом;

4. для ответа недостаточно данных;

5. звездой.

3. Линейные токи при постоянной ЭДС генератора и неизменных сопротивлениях нагрузки могут измениться за счет:

1. изменения фазных напряжений;

2. изменения линейных напряжений;

3. изменения фазных и линейных напряжений.

4. Ток в нулевом проводе при симметричной трехфазной системе токов равен:

1. нулю;

2. значению, меньшему суммы действующих значений фазных токов;

3. значению, большему сумме фазных токов;

4. сумме действующих значений фазных токов;

5. сумме линейных токов.

5. Условия симметричной нагрузки в трехфазной цепи:

Вариант 6

1. В трехфазной цепи U_^ = 220 В; I_^ = 2 А; Р = 380 Вт. В этом случае соsφ равен:

1. 0,8;

2. 0,5;

3. 0,6;

4. 0,4;

5. 0,7.

2. Трехфазный двигатель, обмотки которого рассчитаны на 127 В, включают в сеть UA = 380 В. Обмотки двигателя надо соеди¬нить:

1. звездой;

2. треугольником;

3. для ответа недостаточно данных;

4. звездой с нулем;

5. двигатель нельзя включать в сеть.

3. Обмотки трехфазного генератора соединены звездой. Конец первой обмотки соединен:

1. с началом второй обмотки;

2. началом третьей обмотки;

3. концом третьей обмотки;

4. концом второй и началом третьей обмоток;

5. концом второй обмотки.

4. Трехфазная симметричная нагрузка потребляет 800 Вт активной мощности. Если при cosφ = 1 потребляется 1000 Вт, то соsφ равен:

1. 0,8;

5. Обмотки, показанные на рис. 4.3.5, соединены:

1. звездой с нулевым проводом;

2. треугольником;

3. звездой;

4. другим способом;

5. для ответа недостаточно данных.

4. Вариант 7

1. При соединении обмоток генератора треугольником» начало третьей обмотки соединяется:

1. с концом первой обмотки;

2. началом второй обмотки;

3. концом второй обмотки;

4. началом второй и первой обмоток;

5. концом третьей обмотки.

2. Симметричная нагрузка трехфазной сети соединена звездой, U_^ = 660 В. Фазное напряжение равно:

1. 380 В;

2. 660 В;

3. 220 В;

4. 127 В;

5. 440 B.

3. Вольтметр для измерения фазного напряжения (рис. 4.3.6) надо включить между точками:

1. А и В;

2. В и С;

3. C и А;

4. А и С;

5. А и О.

4. Нагрузка в трехфазной цепи (рис. 4.3.7) соединена:

1. звездой;

2. треугольником;

3. параллельно;

4. последовательно;

5. звездой с нулевым проводом.

5. Лампы накаливания с U_H = 220 В включают в трехфазную сеть с U_^ = 220 В. Схема соединения ламп:

1. звездой;

2. треугольником;

3. звездой с нулевым проводом;

4. лампы нельзя включать в сеть;

5. для ответа недостаточно данных.

6. Вариант 8

1. Линейный ток 17,3 А. Фазный ток, если симметричная нагрузка 1 соединена треугольником, равен:

3. 34,6 А

2. Начало второй обмотки при соединении обмоток трехфазного генератора треугольником соединяется:

1. с концом первой обмотки;

2. концом третьей обмотки;

3. началом первой обмотки;

4. началом третьей обмотки;

5. концом второй обмотки.

3. Нагрузка в цепи, показанной на рис. 4.3.8, соединена:

1. звездой;

2. треугольником;

3. звездой с нулевым проводом;

4. последовательно;

5. параллельно.

4. К трехфазному генератору, обмотки которого соединены треугольником, подходит соединительных проводов:

1. 4;

2. 3 или 4;

5. В трехфазную сеть с U_^ = 220 В включают двигатель, обмотки которого рассчитаны на 220 В. Соединить обмотки двигателя надо:

1. звездой с нулевым проводом;

2. звездой;

3. треугольником;

4. двигатель нельзя включать в сеть;

5. для ответа недостаточно данных.

Фазное и линейное напряжение

В том случае, если обмотки генератора трехфазного тока соединить между собой специальным образом («звездой» или треугольником), то у такого тока возникают свойства, которые удобны в применении.

Векторная диаграмма напряжений для соединения «звезда»

Схема соединения звездой (рис.1(а)) и соответствующая векторная диаграмма напряжений на обмотках (рис.1(в)) изображены на рис.1. Здесь имеется точка $О$, которая называется точкой одинакового потенциала. Напряжение на каждой обмотке называется фазным (его амплитуда $U_{mf}$). Проводник, который соединен с точкой одинакового потенциала называют нулевым проводом. Проводники, которые соединены со свободными концами обмоток, называются фазными проводами. Получается, что фазные напряжения — это напряжения между нулевым и фазными проводами. Напряжения между фазными проводами называют линейным (его амплитуда $U_{ml}$). Линейное напряжение между проводами 1-2 могут обозначать как $U_{12}$, между проводами 1-3 — $U_{13}$ и так далее.

Рисунок 1.

Векторная диаграмма показывает, что амплитуды $U_{ml}\ $и $U_{mf}$находятся в соотношениях:

Готовые работы на аналогичную тему

Ток, который течет через обмотки генератора называют фазным током ($I_f$), ток который течет в линиях называется током линии ($I_l$). В соединении звездой фазные токи равны токам в линии. Если сопротивления нагрузок не равны нулю, а $R_1=R_2=R_2=R$, то суммарная сила тока через нулевой провод равна нулю:

так как из векторной диаграммы видно, что $\sum\limits_i{U_i=0.}$

Векторная диаграмма напряжений для соединения «треугольник»

Схема соединения обмоток генератора треугольник изображена на рис.2. В этом случае амплитуды напряжений фазного и линейного равны ($U_{mf}=U_{ml}$).

Рисунок 2.

Из векторной диаграммы токов (рис.2(в)) запишем амплитудных значений тока:

В соединении обмоток генератора треугольником ток замыкания в обмотках равен нулю. Однако это справедливо только для основной гармоники. Токи высших гармоник, появляющиеся из-за нелинейности колебаний, в обмотках есть.

Соединение нагрузок тоже может быть в виде звезды и в виде треугольника. На рис. 1 и рис.2 изображены соединения одного типа, как для генератора, так и для нагрузок. Но совсем не обязательно, что соединения обмоток генератора и нагрузок совпадают. Так, можно реализовать четыре возможные комбинации соединения генератора и нагрузок: «звезда» — «звезда», треугольник — треугольник, «звезда» — треугольник, треугольник — «звезда». Каждое из перечисленных соединений имеет свои особенности.

Пример 1

Задание: В чем состоят особенности соединений «звезда» — «звезда» и «звезда» — треугольник?

Решение:

1. При соединении «звезда» — «звезда» (рис.1) на всех нагрузках имеется разное напряжение. При одинаковых сопротивлениях ($R_1=R_2=R_3$) (или примерно равных) сила тока по нулевому проводу равна нулю (или очень мала). Теоретически нулевой провод можно убрать, но без него на каждую из пар нагрузок действует линейное напряжение, амплитудное значение которого равно:

\[U_{ml}=\sqrt{3}U_{mf}\left(1.1\right).\]

Это напряжение распределяется между нагрузками в соответствии с величиной их сопротивлений. Такая зависимость напряжений от нагрузок крайне не удобна, поэтому нулевой провод сохраняют.

1. При соединении «звезда» — треугольник (рис.3). На каждое сопротивление действует линейное напряжение равное:

\[U_{ml}=\sqrt{3}U_{mf}\left(1.2\right).\]

Это линейное напряжение не зависит от величины сопротивления.

Рисунок 3.

Пример 2

Задание: Определите, чему равно фазное напряжение, если линейное $U_{ml}=220\ В$. Чему будет равно линейное напряжение, если 220 В считать фазным напряжением? Считать, что соединение обмоток генератора — «звезда».

Решение:

В том случае, если обмотки генератора соединены звездой, и это соединение имеет нулевой провод, в линии существует две системы напряжений (линейное и фазное), что является достоинством такого соединения.

Для соединения «звезда» мы имеем соотношение:

\[U_{ml}=\sqrt{3}U_{mf}\left(2.1\right).\]

Следовательно, для фазного напряжение имеем:

\[U_{mf}=\frac{U_{ml}}{\sqrt{3}}=\frac{220}{\sqrt{3}}\approx 127\ \left(В\right).\]

Если дано фазное напряжение, то:

\[U_{ml}=\sqrt{3}U_{mf}=\sqrt{3}\cdot 220\approx 380\ (В)\left(2.2\right).\]

Ответ: 1. $U_{mf}=127\ В.$ $U_{ml}=380\ В.$

Трехфазные электрические цепи (Лекция №16)

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.3	Рис.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.

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».

Литература

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?