Трехфазная сеть переменного тока. Трехфазная система переменного тока: принцип работы, преимущества и применение

Что такое трехфазная система переменного тока. Как устроен трехфазный генератор. Какие существуют схемы соединения обмоток. В чем заключаются основные преимущества трехфазных систем. Где применяются трехфазные системы электроснабжения.

Принцип работы трехфазной системы переменного тока

Трехфазная система переменного тока представляет собой совокупность трех электрических цепей, в которых генерируются синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 120 градусов относительно друг друга. Такая система позволяет создавать вращающееся магнитное поле, что лежит в основе работы многих электрических машин.

Как устроен трехфазный генератор? В статоре размещаются три обмотки, расположенные под углом 120 градусов друг к другу. При вращении ротора с постоянным магнитом в этих обмотках индуцируются три синусоидальные ЭДС, сдвинутые по фазе на 1/3 периода. Каждая обмотка является самостоятельным источником электроэнергии.

Схемы соединения обмоток в трехфазных системах

Существуют две основные схемы соединения обмоток генератора и нагрузок в трехфазных системах:

• Соединение звездой
• Соединение треугольником

При соединении звездой концы трех обмоток соединяются в общую нейтральную точку, а к началам обмоток подключаются линейные провода. Между линейным проводом и нейтралью возникает фазное напряжение, а между двумя линейными проводами — линейное напряжение.

При соединении треугольником конец каждой обмотки соединяется с началом следующей. Используется три провода для подключения нагрузки. В этом случае линейное напряжение равно фазному.

Соотношения между токами и напряжениями

Для схемы звезда:

• I_л = I_ф
• U_л = √3 * U_ф ≈ 1,73 * U_ф

Для схемы треугольник:

• U_л = U_ф
• I_л = √3 * I_ф

Где I

л и U_л — линейные ток и напряжение, I_ф и U_ф — фазные ток и напряжение.

Преимущества трехфазных систем электроснабжения

Трехфазные системы получили широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с однофазными:

• Экономия проводникового материала при передаче электроэнергии на большие расстояния
• Меньшие габариты и материалоемкость трансформаторов
• Создание вращающегося магнитного поля для работы асинхронных двигателей
• Возможность использования двух рабочих напряжений (фазного и линейного)
• Уравновешенность симметричных трехфазных систем
• Более высокий КПД и меньшие потери

Благодаря этим преимуществам трехфазные системы стали основой современной энергетики и электротехники.

Области применения трехфазных систем

Где используются трехфазные системы электроснабжения? Основные области применения:

• Генерация электроэнергии на крупных электростанциях
• Передача электроэнергии на большие расстояния
• Распределение электроэнергии потребителям
• Питание промышленных электроустановок и оборудования
• Электроснабжение жилых и общественных зданий
• Электрический транспорт

Трехфазные системы позволяют эффективно решать задачи электроснабжения как крупных промышленных потребителей, так и бытовых нужд населения.

Особенности подключения нагрузок в трехфазных сетях

При подключении нагрузок к трехфазной сети важно учитывать ряд особенностей:

• Возможность подключения как трехфазных, так и однофазных потребителей
• Необходимость равномерного распределения нагрузки по фазам
• Использование нулевого провода для выравнивания напряжений при несимметричной нагрузке
• Учет соотношений между линейными и фазными напряжениями при выборе схемы подключения

Правильный выбор схемы подключения и соблюдение этих особенностей обеспечивает надежную и эффективную работу трехфазных систем электроснабжения.

Историческое развитие трехфазных систем

Как развивались трехфазные системы электроснабжения? Основные этапы:

1. 1888 г. — Никола Тесла получил патент на двухфазную систему переменного тока
2. 1889 г. — М.О. Доливо-Добровольский разработал трехфазную систему
3. 1891 г. — построена первая линия электропередачи трехфазного тока длиной 170 км
4. Начало XX века — широкое внедрение трехфазных систем в промышленности
5. Середина XX века — создание единых энергосистем на базе трехфазного тока

Сегодня трехфазные системы являются основой современной электроэнергетики во всем мире.

Безопасность при работе с трехфазными системами

Какие меры безопасности нужно соблюдать при работе с трехфазными системами?

• Использование средств индивидуальной защиты
• Применение изолирующего инструмента
• Проверка отсутствия напряжения перед началом работ
• Соблюдение правил переключений в электроустановках
• Контроль симметрии нагрузки по фазам
• Регулярные проверки состояния изоляции

Строгое соблюдение правил техники безопасности позволяет избежать поражения электрическим током и других несчастных случаев при эксплуатации трехфазных систем.

Перспективы развития трехфазных систем

Какие тенденции наблюдаются в развитии трехфазных систем электроснабжения? Основные направления:

• Повышение энергоэффективности оборудования
• Внедрение интеллектуальных систем управления
• Интеграция возобновляемых источников энергии
• Развитие технологий накопления энергии
• Создание микросетей на базе трехфазных систем
• Совершенствование методов защиты от перенапряжений

Эти тенденции направлены на повышение надежности, экономичности и экологичности систем электроснабжения на базе трехфазного тока.

Переменный ток, трехфазные ток и напряжение

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Переменный электрический ток, равно как переменное напряжение, изменяют свое направление и значение на протяжении определенного отрезка времени.

Поскольку данный ресурс носит более прикладной, нежели теоретический характер, то здесь тема переменного электрического тока и напряжения будет рассмотрена в объеме, достаточном для понимания сути этих процессов и не более того.

Изменение тока (напряжения) во времени могут иметь достаточно сложный характер, но всегда существует возможность представить их в виде совокупности ряда колебаний, изменяющихся по синусоидальному закону (рис.1). Те напряжения и ток, которыми мы пользуемся в повседневной жизни подчиняются этому же закону.

Возьмем произвольную точку и начнем вращать ее по окружности с угловой скоростью ω (рисунок 1.а). При этом она последовательно пройдет все точки окружности, в том числе 1,2,3,4, после чего цикл повторится.

Если все это спроецировать на оси Х (значение тока или напряжения) и t (время), то получим график, изображенный на рисунке 1 (там эти точки тоже обозначены), который поясняет суть переменного тока или напряжения.

Время T=t4-t1 за которое происходит один цикл колебания называется периодом. Зависимость периода от частоты колебаний находится в обратно пропорциональной зависимости T=1/f, где f — частота колебаний (величина, характеризующаяся количеством колебаний в единицу времени). Единица измерения частоты — Герц (Гц). 1 Герц- это одно колебание в секунду.

Частота колебаний в Российской сети переменного тока 50 Гц. (В некоторых странах частота тока составляет 60 Гц.).

Теперь, собственно о том, зачем я приводил пример с вращением точки по окружности. Предположим, нужно определить относительное положение точки 1 от точки 2. Вроде напрашивается привязать их к оси t, тогда получим расстояние между ними Δt=t2-t1, но для разных частот эта величина будет различна.

Если же учесть, что полный оборот всегда равен 360⁰ или 2π радиан, то всегда можно сказать, что точка 2 сдвинута относительно точки 1 на 90⁰ (π/2). Кстати, это называется фазовым сдвигом и пригодится нам при рассмотрении трехфазного тока (или напряжения — как угодно).

Пора перейти к рисунку 2. Все знают, что напряжение бытовой электрической сети переменное и должно быть 220 В. Так вот, если Вы думаете, что это значение можно присвоить точке А, то ошибаетесь. Судите сами, переменное напряжение то возрастает, то уменьшается, в какие то моменты оно вовсе равно нулю, но свою работу оно делает.

Эта работа определяется площадью (желтый цвет), ограниченной синусоидой и осью t (нулевое значение). Если построить прямоугольник такой же площади (заштрихован), то его верхняя граница, находящаяся на отметке а (малое) будет соответствовать значению 220В. Это называется действующее значение напряжения.

Амплитудное значение напряжения выше, взаимосвязь между ними определяется формулой A=a*√2, то есть максимальное значение напряжения в сети может достигать 311 В. Это справедливо для любых переменных напряжений, что следует учитывать, например, выбирая максимально допустимое обратное напряжение диода при включении его в цепь переменного тока.

В заключение — немного про трехфазный ток

. В промышленных масштабах у нас вырабатывается именно он. Генератор трехфазного тока имеет три катушки, расположенные под углом 120⁰ (рисунок 3).

Соответственно, в каждой из них при вращении в магнитном поле наводится электрический ток. Токи катушек сдвинуты по фазе друг относительно друга на те же 120⁰.

При подключении трехфазных потребителей энергии необходимо учитывать порядок подключения фаз. Последовательность подключения может иметь следующие варианты:

• АВС,
• ВСА,
• САВ.

Это обусловлено тем, что переменный трехфазный ток способен создавать вращающееся магнитное поле, при неправильном подключении направление его вращения будет меняться на противоположенное, что может повлечь нарушение работоспособности некоторых устройств.

Стоит сказать, что бытовая однофазная электрическая сеть ни что иное как часть трехфазной цепи, использующая для работы нулевой (N) провод и одну из фаз A(L1), B(L2), C(L3). При подключении однофазных потребителей следует равномерно распределять нагрузку между всеми тремя фазами.

Может возникнуть вопрос: почему трехфазная цепь имеет напряжение 380В, а однофазная 220В ? Дело в том, что напряжения между фазами U_АВ, U_АС, U_ВС составляют 380 Вольт, а между любой фазой и «нулем» U_AN, U_BN, U_CN — 220 Вольт.

Именно поэтому ошибочное подключение одной из фаз на нулевой провод может вывести из строя бытовую технику, рассчитанную на напряжение 220В.

© 2012-2023 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

трёхфазный переменный ток, линейные и фазные токи и напряжения

Система трёх синусоидальных токов, изменяющихся во времени и имеющих сдвиг по фазе, называется трёхфазным переменным током. При помощи этой системы создаются удобные и экономичные электродвигатели, производится передача электроэнергии на дальние расстояния, снижается материалоёмкость трансформаторов и силовых кабелей. На трёхфазном токе основана работа всех крупных электростанций и потребителей электроэнергии.

• Историческая справка
• Устройство генератора
• Соединение обмоток электрической машины
• Преимущества трёхфазных систем

Историческая справка

Трёхфазный ток — это частный случай многофазного тока. Впервые двухфазный ток был получен известным изобретателем Николой Теслой. Большой вклад в формирование трёхфазных систем внёс русский учёный М. О. Доливо-Добровольский. Он использовал трёх- и четырёхпроводную системы передачи переменного тока и на её основе построил асинхронный двигатель.

Главной особенностью его изобретения стал короткозамкнутый ротор типа «беличье колесо», который применяется в асинхронных электродвигателях и сейчас. Ещё одним достижением изобретателя была линия электропередачи, построенная им с использованием генератора и трансформаторов трёхфазного переменного тока. Длина линии составляла 170 км, что было огромным шагом вперёд для конца XIX века.

Устройство генератора

Трёхфазной системой считают состоящую из трёх электрических цепей конструкцию, в которой вырабатываются электродвижущие силы (ЭДС) одной и той же частоты, смещённые друг относительно друга на 120°. Синхронная электрическая машина большой мощности используется в качестве генератора. Она превращает механическую энергию вращения в электрическую. В пазах статора размещаются три обмотки, в которых индуцируются ЭДС, равные по амплитуде и отличающиеся по фазе на 1/3 периода.

Каждая обмотка (фаза) является самостоятельным источником электрической энергии. Ротор, выполненный в виде постоянного магнита, приводится во вращение электродвигателем. Магнитное поле вращающегося ротора индуцирует ЭДС в обмотках статора. Если присоединить к концам каждой обмотки провода, то получатся три независимые сети. В системе будет шесть проводов и никакого выигрыша по сравнению с тремя отдельными генераторами не происходит.

В современных трёхфазных сетях обычно используется три или четыре провода в зависимости от схемы подключения.

Соединение обмоток электрической машины

Обмотки генератора и нагрузок соединяются по схемам звезда или треугольник. При соединении в звезду образуется общая нулевая точка из связанных между собой концов обмоток, а к началам обмоток присоединяются линейные провода. Нейтрали или нулевые точки генератора и нагрузки связываются нулевым проводом. Напряжение, создающееся между линейным проводом и нулевым, называется фазным, а между двумя линейными проводами — линейным.

Нулевой провод предназначен для выравнивания напряжения на всех фазах при несимметричной нагрузке. Сила тока, протекающего в этом проводе меньше, чем в линейных проводах, что даёт возможность выбрать проводник меньшего сечения. Зависимости для линейных и фазных токов и напряжений при соединении звездой имеют вид: Iл = Iф, Uл = √3 Uф ≈ 1,73 Uф.

При выполнении схемы треугольник конец каждой обмотки соединяется с началом следующей. Для этой схемы используется три провода, ведущих от генератора к нагрузке. Соотношение между токами и напряжениями, линейным и фазным, равно: Uл = Uф, Iл = √3 Iф.

Обмотки генератора чаще соединяют по схеме звезда. При соединении треугольником каждая фаза должна рассчитываться на напряжение в 1,73 раза больше, чем при соединении звездой. Это влечёт за собой усиление изоляции обмоток, увеличение количества витков и удорожание машин.

В распределительных сетях, где присутствует много однофазных потребителей, обеспечение симметричной нагрузки на фазы становится невозможным. Такие сети исполняются четырехпроводными с нулевым проводником.

Проводники, принадлежащие различным фазам и нейтральные, имеют разные цвета. Это делается в целях обеспечения безопасности при электромонтажных работах и для удобства при ремонте и монтаже электрических сетей. В России нейтральный проводник обычно делается голубым, первая фаза — жёлтой, вторая — зелёной, третья — красной.

Выбор способа подключения для потребителя зависит от следующих характеристик:

• номинального напряжения потребителей электрической энергии;
• характера нагрузки;
• подаваемого трёхфазного напряжения.

При практическом применении 3-фазных сетей важно помнить, что при подключении звездой на нагрузки действует фазное напряжение, а при подключении треугольником — линейное напряжение, которое в 1,73 раза больше, чем фазное.

Преимущества трёхфазных систем

Эти системы используются в промышленности, на транспорте, для электроснабжения жилых помещений. Такое широкое применение объясняется большими преимуществами, которые даёт эта система по сравнению с однофазной системой электроснабжения:

• Требуется меньшее количество проводов, что даёт большую экономию при передаче электроэнергии на дальние расстояния.
• Трёхфазные трансформаторы имеют меньшие размеры магнитопровода по сравнению с однофазными такой же мощности.
• При работе создаётся вращающееся магнитное поле, необходимое для работы асинхронных двигателей.
• Возможность использования двух рабочих напряжений.
• Уравновешенность симметричных трёхфазных систем.

Распространение трёхфазных систем помогло решению многих задач электроснабжения, развитию передающих мощностей и совершенствованию технологических процессов. Использование трёхфазных трансформаторов, генераторов и электродвигателей значительно упростило и удешевило процесс генерации энергии и повысило доступность её для потребителей.

Что такое трехфазная система? Определение и типы

Определение: Система, имеющая три фазы, т. е. ток проходит по трем проводам, и имеется один нейтральный провод для передачи тока короткого замыкания на землю, известна как трехфазная система. Другими словами, система, которая использует три провода для генерации, передачи и распределения, известна как трехфазная система. Трехфазная система также используется как однофазная, если из нее выведены одна фаза и нулевой провод. Сумма линейных токов в 3-х фазной системе равна нулю, а их фазы дифференцированы под углом 120°

Трехфазная система имеет четыре провода, т. е. три токонесущих проводника и один нейтральный. Площадь поперечного сечения нейтрального проводника составляет половину жилы под напряжением. Ток в нейтральном проводе равен сумме линейных токов трех проводов и, следовательно, в √3 раз превышает составляющие тока нулевой последовательности.

Трехфазная система имеет несколько преимуществ, например, требует меньшего количества проводников по сравнению с однофазной системой. Он также обеспечивает непрерывное питание нагрузки. Трехфазная система имеет более высокий КПД и минимальные потери.

Трехфазная система индуцирует генератор, который выдает трехфазное напряжение равной величины и частоты. Он обеспечивает бесперебойное питание, т. е. если одна фаза системы нарушена, то оставшиеся две фазы системы продолжают подавать питание. Величина тока в одной фазе равна сумме токов в двух других фазы системы.

 

Разность фаз трех фаз в 120° необходима для правильной работы системы. В противном случае система выйдет из строя

Типы соединений в трехфазной системе

Трехфазные системы подключаются двумя способами, т. е. по схеме «звезда» и по схеме «треугольник». Их подробное объяснение показано ниже.

Соединение звездой

Соединение звездой требует четырех проводов, в которых есть три фазных провода и один нулевой провод. Такой тип соединения в основном используется для передачи на большие расстояния, поскольку он имеет нейтральную точку. Нейтральная точка пропускает неуравновешенный ток на землю и, следовательно, уравновешивает систему.

Трехфазные системы, соединенные звездой, дают два разных напряжения, т. е. 230 В и 440 В. Напряжение между одной фазой и нейтралью составляет 230 В, а напряжение между двумя фазами равно 440 В.

Соединение треугольником

Соединение треугольником имеет три провода и не имеет нейтральной точки. Соединение треугольником показано на рисунке ниже. Линейное напряжение соединения треугольником равно фазному напряжению.

Подключение нагрузок в трехфазной системе

Нагрузки в трехфазной системе также могут подключаться по схеме «звезда» или «треугольник». На рисунке ниже показаны трехфазные нагрузки, соединенные по схеме «треугольник» и «звезда».

Трехфазная нагрузка может быть сбалансированной или несбалансированной. Если три нагрузки (сопротивления) Z ₁ , Z ₂ и Z ₃ имеют одинаковую величину и фазовый угол, то говорят, что трехфазная нагрузка является сбалансированной нагрузкой. В условиях баланса все фазы и линейные напряжения равны по величине.

Однофазные и трехфазные цепи переменного тока

Однофазные цепи переменного тока

• Значения трехфазного тока в трехфазной системе
• Как рассчитать/найти номинал трансформатора в кВА (однофазный и трехфазный)?
• Соединение звездой (Y): трехфазная мощность, значения напряжения и тока
• Соединение треугольником (Δ): 3-фазная мощность, значения напряжения и тока
• Разница между соединениями «звезда» и «треугольник» — сравнение Y/Δ
• Осветительные нагрузки, соединенные по схеме «звезда» и «треугольник»
• Схемы однофазной и трехфазной проводки (1-фазная и 3-фазная проводка)
• Установка однофазной электропроводки в доме в соответствии с NEC и IEC
• Установка трехфазной электропроводки в доме – IEC и NEC
• Установка однофазной электропроводки в многоэтажном здании 
• Монтаж трехфазной электропроводки в многоэтажном доме
• Метод запуска трехфазного двигателя по схеме «звезда-треугольник» (Y-Δ) с помощью автоматического пускателя по схеме «звезда-треугольник» с таймером.
• Как подключить однофазный счетчик электроэнергии?
• Как подключить однофазное питание к дому с помощью УЗО?
• Как подключить трехфазный счетчик электроэнергии?
• В чем разница между нейтралью, землей и землей?
• В чем разница между сопротивлением постоянному и переменному току и как ее рассчитать?
• Что такое допуск и как он рассчитывается?
• Что такое коэффициент мощности (Cosθ)? Cos fi или P.f Определения и формулы
• Что такое электрическая цепь? Типы цепей, сети и части цепи
• Основное различие между линейной и нелинейной схемой
• Токи короткого замыкания и симметричные компоненты
• Номинальные характеристики электрических контакторов
• Коэффициент добротности в электротехнике и электронике
• Докажите, что объем проводника обратно пропорционален квадрату напряжения (Vol = 1/V2). И каково влияние этого отношения на систему передачи и распределения.
• Методы улучшения коэффициента мощности с их преимуществами и недостатками
• Введение в гармоники — влияние гармоник на энергосистему
• В индуктивной цепи, почему ток увеличивается, когда частота уменьшается?
• Как найти количество узлов, ветвей, петель и сеток в цепи?
• Как преобразовать фарады конденсатора в кВАр и наоборот (для улучшения коэффициента мощности)
• Как подключить портативный генератор к домашней электросети — 4 метода
• Как рассчитать подходящий размер конденсатора в фарадах и кВАр для улучшения коэффициента мощности
• Электроэнергетическая система – производство, передача и распределение электроэнергии
• Недостатки низкого коэффициента мощности
• Эффект короны и разряд в линиях электропередачи и энергосистеме
• Компоненты допуска.