Преимущества и недостатки трехфазного ввода
Когда возникает вопрос о технологическом присоединении к электрическим сетям при гражданском строительстве, например, частного жилого дома, то будущий владелец задумывается о том, какого класса напряжение запросить ему в своей заявке — трехфазную сеть (380 В) или однофазную (220 В).
Задача упрощается в том случае, когда потенциальный потребитель электроэнергии имеет представление о том, какие электроустановки или электроприемники будут подключены.
Для начала стоит разобраться, откуда берется трехфазное напряжение.
Сама по себе трехфазная система принята во всем мире как наиболее экономически целесообразная при производстве электроэнергии на электростанциях, дальнейшем ее преобразовании, передаче и потреблении в распределительных сетях.
Трехфазный ток потребляется в первую очередь разного рода промышленными предприятиями, которые в большом количестве эксплуатируют крупные трехфазные электроприемники. Самой массовой группой из них являются электродвигатели. Три фазы — это минимальное число полюсов, которое способно надёжно запускать с помощью вращающегося магнитного поля ротор электродвигателя.
Трехфазный ввод. Преимущества
Преимущества трехфазной системы справедливы и для бытового применения:
• возможность подключения мощных и производительных энергопотребляющих устройств – станков, двигателей, нагревателей, сварочных аппаратов, электроинструмента и т.д.;
• универсальность, т.е. возможность одновременного подключения электроустановок и приборов, работающих на фазном напряжении (220 В) и на линейном (380 В);
• падение напряжения меньше, так как величина тока, питающего трехфазную нагрузку меньше, чем при однофазном питании при аналогичной потребляемой мощности (соответственно, в некоторых случаях можно использовать проводники с меньшим сечением – снижение материалоемкости);
• возможность равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам, а также резервирование однофазной нагрузки при потере одной из фаз.
Недостатки трехфазного вода
Основным и скорее единственным неизбежным недостатком трехфазного ввода является его дороговизна в сравнении с однофазным. Высокая стоимость возникает вследствие применения кабелей и проводов с большим количеством жил, трехфазных счетчиков, большего количества электроматериалов, шкафов распределительных устройств большего размера, необходимости в более квалифицированном электромонтаже.
При сравнительно дорогом монтаже плюсы от подключения 3-х фаз значительны в долгосрочной перспективе с учетом растущего энергопотребления. Переустройство же однофазной сети, подключенной «на время», приведет к еще большим излишним тратам.
Трёхфазные системы. Достоинства и недостатки трёхфазной системы по отношению к однофазной
2. Достоинства и недостатки трёхфазной системы по отношению к однофазной
1. Ещё большая экономия электроэнергии при
передаче;
2. Ещё большее упрощение конструкции
электрических машин;
3. Экономия электроматериалов;
4. Возможность получения вращающегося
магнитного поля;
5. Возможность получения от одного источника двух
эксплуатационных напряжений .
1. Усложнение системы;
2. Усложнение расчётов электрических цепей.
3. Получение трёхфазной системы
EA
EС
ZA
EB
ZC
E A E B EC
ZB
4.
Соединение звезда-звезда
A
N
EС
C
U CA
UA
EA
a
U AB
U nN
EB
I nN
Za
n
Zс
c
UC
UB
B
I I
Zb
b
U BC
eA EmSin ω t
Sin ω t — 240
e B E mSin ω t -120
eC E m
5.
A, B, C – выводы (зажимы) фаз генератора;
a, b, c – выводы (зажимы) фаз нагрузки;
N – нейтральная (нулевая) точка генератора;
n – нейтральная (нулевая) точка нагрузки;
Aa, Bb, Cc – линейные провода;
Nn – нейтральный (нулевой) провод;
Чередование фаз генератора, где амплитудное
значение ЭДС достигает сначала в фазе А, потом в В,
затем в С называется прямым (А-В-С-А-В-С-А…).
Чередование фаз А-С-В-А-С-В-А… называется
обратным и может быть получено изменением
направления вращения ротора генератора или
сменой любых двух выводов (зажимов) генератора.
6.
На рисунке указаны принятые положительные
направления ЭДС (E A , E B , E C ) и фазных напряжений
(U A , U B , UC ) .
Фазное напряжение – это напряжение между началом
и концом каждой фазы. В данном случае – между
выводом фазы и нулевой точкой N.
Если пренебречь внутренним сопротивлением обмоток
генератора, то можно считать, что
UA E A ;
UB E B ;
UC E C .
Линейное напряжение – это напряжение между
началами двух фаз. Положительное направление их
принято от А к В, от В к С, от С к А (U AB , U BC , U CA ).
7. Векторная диаграмма фазных и линейных напряжений
U A U B UC
А
U СA
U AB
UA UB UC 0
UA
N
UС
С
U BС
3
UB
2
2
120
60
UB
30
U BС
U Λ 3U
I Λ IΦ
В
8. Соединение треугольником
A
EAB UAB ; EBC UBC ; ECA UCA .
UAB UBC UCA
EСA
EAB
U AB U BC U CA 0
U СA U AB
U Λ U
U BС
C
E BС
Соотношение I Λ 3 I
симметричной нагрузки.
B
I Λ 3 IΦ
справедливо только для
9. Виды соединений генератора и нагрузки в трёхфазных системах
Генератор
Нагрузка
1.
Четырёхпроводная звезда
(звезда-звезда с нулевым проводом)
2.
Трёхпроводная звезда
(звезда-звезда без нулевого провода)
3.
Звезда – треугольник
4.
Треугольник – звезда
5.
Треугольник – треугольник
10. Характеристики нагрузок трёхфазного генератора
1. Нагрузка бывает однофазной и трёхфазной;
2. Нагрузка называется однородной, если сдвиг фаз
всех трёх потребителей одинаков по величине и
по знаку
a b c
3. Нагрузка называется симметричной, если полное
сопротивление всех трёх потребителей и сдвиги
фаз одинаковы
Za Zb Zc ;
a b c
4. Нагрузка называется несимметричной, если одно
из этих условий не выполняется.
11. Назначение нейтрального провода
N
IA
EA
ZA
I nN
IB
IC
EC
EB
ZC
ZB
Z nN
y E y E y
E
B b
C c
A a
U
nN
y a y b y c y nN
Здесь y a ; y b ; y c полные проводимости
всех четырёх ветвей схемы
n
Если нейтральный провод есть, то y nN и U nN 0
12.
Если нейтрального провода нет, то y nN 0
Тогда U nN 0, если ya yb yc , т.е. когда нагрузка
симметричная, и U nN 0, если y a y b y c , т.е. когда
нагрузка несимметричная.
Во всех случаях, когда U nN 0
Ua U A ; U b U B ; Uc UC
Но так как в исправном генераторе
UA UB UC , то Ua Ub Uc
Отсюда можно сделать вывод о назначении
нейтрального провода – он выравнивает фазные
напряжения в нагрузке.
13. Режимы работы потребителя, соединённого звездой
1.
2.
3.
4.
Симметричный
Несимметричный
Обрыв фазы
Короткое замыкание фазы
Все режимы рассматриваются с
нейтральным проводом (четырёхпроводная
звезда) или без него (трёхпроводная звезда)
14. Правила построения векторных диаграмм нагрузки
1. Строится равносторонний треугольник линейных
напряжений нагрузки,
2. Отмечается положение нулевой точки источника
(находится в центре треугольника),
3. Определяется местоположение нулевой точки
приёмника (если имеется нулевой провод, или
нагрузка симметричная, то точка n совпадает с
точкой N),
4. Рисуются фазные напряжения приёмника (между
выводом фазы и точкой n),
5. Определяются величины токов и отмечаются на
диаграмме,
15.
6. Определяются U nN (если отсутствует нулевой провод)
или I nN (если нулевой провод имеется) и отображаются
на диаграмме.
a
U ca
N
На рисунке отображены
первые две позиции
построения векторной
диаграммы. Эти две позиции
неизменны и присутствуют
на любой диаграмме ( при
любых видах нагрузки)
U ab
c
U bc
b
16. Симметричная нагрузка
Za Z b Zc ; a b c
a
Нулевой провод имеется,
n совпадает с N
U ca
Iс
c
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
Ia
Ua
Ub
Uc
Ia
; Ib
; Ic .
Za
Zb
Zc
N n
Ib
U bc
U ab
b
Ia I b Ic I nN 0
=0
Так как I nN 0 , то нулевой провод не нужен.
I nN 0
17. Несимметричная нагрузка
Za Z b Zc ; a b c
a
Нулевой провод имеется,
n совпадает с N
U ca
I
a
Iс
c
U bc
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
Ua
Ub
Uc
Ia
; Ib
; Ic .
Za
Zb
Zc
N n
I nN
Ib
U ab
b
Ia I b Ic I nN 0
≠0
I nN ( Ia I b Ic )
18.
Za Z b Zc ; a b c
a
U ca
Нулевого провода нет,
n не совпадает с N
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
Ia
N
Iс
c
U bc
n
U nN
Ib
Ua
Ub
Uc
Ia
; Ib
; Ic .
Za
Zb
Zc
U ab
b
Ia I b Ic 0
y E y E y
E
B b
C c
U A a
nN
y a y b y c
19. Обрыв фазы
Za ; Z b Zc ; b c
a
U ca
Iс
c
Нулевой провод имеется,
n совпадает с N
I nN
Ub
Uc
I a 0; I b
; Ic .
Zb
Zc
N n
Ib
U bc
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
U ab
I b Ic I nN 0
b
I nN ( I b Ic )
20.
Za ; Z b Zc ; b c
a
U ca
Нулевого провода нет,
n не совпадает с N
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
I a 0; Ib Ic .
U bc
Ib Ic
Z b Zc
N
U nN I
b
c
U bc
Ic
n
U ab
b
U b I b Z b ; U c I c Zc
y U y
U
c c
U nN b b
y b y c
21. Короткое замыкание фазы
Ia
n a
Iс
U ca
Za 0 ; Z b Zc ; b c
Нулевого провода нет,
n не совпадает с N
Ua U A ; U b U B ; Uc UC .
Ib
U ab
U ca
Ib
; Ic
.
Zb
Zc
N U nN
Ia I b Ic 0
U ab
c
U bc
b
I a ( I b I c )
22. Режимы работы потребителя, соединённого треугольником
1.
2.
3.
4.
Симметричный
Несимметричный
Обрыв фазы
Обрыв линии
23. Линейные токи
Ia
A
a
U ca
B Ib
I ab
Zca
Ia Ica Iab 0;
Zab
I b Iab I bc 0;
Ic I bc Ica 0.
I ca
C
c
Ic
U ab
Zbc
U bc
b
I bc
24. Симметричная нагрузка
Zab Zbc Zca ; ab bc ca
a
U ca
— I bc
Ia
Ic
I ca
Uab U AB; U bc U BC ; Uca UCA .
I ab
— Ica
Ib
c
U bc
U ab
U bc
U ca
I ab
; I bc
; I ca
.
Zab
Zbc
Zca
U ab
— Iab
b
I bc
Ia Iab — Ica ;
Ib Ibc — Iab ;
Ic Ica — Ibc .
25. Несимметричная нагрузка
Zab Zbc Zca ; ab bc ca
a
U ca
— I bc
Uab UAB; Ubc UBC ; Uca UCA .
I ab
Ic
I ca
Ia
Ib
c
U ab
U bc
U ca
I ab
; I bc
; I ca
.
Zab
Zbc
Zca
U bc
— Ica
U ab
b
— Iab
I bc
Ia Iab — Ica ;
Ib Ibc — Iab ;
Ic Ica — Ibc .
26. Обрыв фазы
a
U ca
— I bc
Zab ; Zbc Zca ; ab bc ca
Uab U AB; U bc U BC ; Uca UCA .
U bc
U ca
I ab 0; I bc
; I ca
.
Z bc
Zca
Ia Ica
Ia -Ica ;
Ic
I ca
U ab
c
b
U bc
Ib Ibc
I b I bc ;
Ic Ica — I bc .
27. Обрыв линии
Zab Zbc Zca ; ab bc ca
Uab U AB; U bc U BC ; Uca UCA .
U bc
U bc
I ab I ca
; I bc
.
Zab Zca
Zbc
Ic I b
c
b
a
Ib Ibc Iba
Обрыв линии «а»
U ab Iab Zab ;
U ca Ica Zca ;
Ia 0;
Ib Ibc Iba ;
Ic I b .
28. Применение комплексных чисел
N
IA
IB
IC
Известны:
E Φ 220B ;
EA
EB
EC
Za R 50 OM ;
ZA
ZB
ZC
Zb Zc R 100 OM
n
Определить
E nN
y E y E y
E
B b
C c
U nN A a
y a y b y c
29.
E A 220e j0 ; E B 220e -j120 ; E C 220e j120 ;
c
+J
y a 0,02e j0 0,02 J0 ;
y b 0,01e 0,01 J0 ;
j0
y c 0,01e j0 0,01 J0 ;
0 N
+1
a
y a y b y c 0,04 J0 0,04e
b
j0
;
30.
c
E y 4,4e j0 4,4 J0 ;
A a
E y 2,2e- j120 1,1 — J 3 1,1 ;
B b
E C y c 2,2e j120 -1,1 J 3 1,1 ;
+J
0 N
n
+1
a
E y E y E y 2,2 J0 2,2e j0 ;
A a
B b
C c
b
j0
2,2e
j0
U nN
55e 55 J0 ;
j0
0,04e
Трехфазные электрические цепи: основные понятия и схемы соединения.
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.
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 1200. 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
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 осно. вании, равными 300), в этом случае
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
В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда — звезда» и «треугольник — треугольник» на практике также применяются схемы «звезда — треугольник» и «треугольник — звезда».
- 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.
- 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
- Какой принцип действия у трехфазного генератора?
- В чем заключаются основные преимущества трехфазных систем?
- Какие системы обладают свойством уравновешенности, в чем оно выражается?
- Какие существуют схемы соединения в трехфазных цепях?
- Какие соотношения между фазными и линейными величинами имеют место при соединении в звезду и в треугольник?
- Что будет, если поменять местами начало и конец одной из фаз генератора при соединении в треугольник, и почему?
- Определите комплексы линейных напряжений, если при соединении фаз генератора в звезду начало и конец обмотки фазы С поменяли местами.
- На диаграмме на рис. 10 (трехфазная система токов симметрична) . Определить комплексы остальных фазных и линейных токов.
- Какие схемы соединения обеспечивают автономность работы фаз нагрузки?
- Что такое ИБП
- Отличие источников
- Как рассчитать мощность
- Перед включением ИБП
- Библиотека ИБП
- Запрос стоимости ИБП
№36 Трехфазная система.
Многофазной системой называется совокупность, состоящая из ”n” отдельных одинаковых электрических цепей или электрических схем, режимные параметры в которых (е, u, i) сдвинуты во времени на равные отрезки Δt=T/n или по фазе Δωt=2π/n=360°/n.
Отдельные части системы называются фазами. Термин ”фаза” в электротехнике имеет два смысловых значения: первое — как момент времени для синусоидальной функции тока или напряжения, второе — как часть многофазной системы. В технике нашли применение 2-х, 3-х, 6-и и более фазные системы. В электроэнергетике наибольшее распространение получила трехфазная система, обладающая рядом преимуществ перед системами с другим числом фаз.
Трехфазная система состоит из трех электрических цепей или электрических схем (фаз), параметры режима (u,i) в которых сдвинуты во времени на Δωt=2π/3=360°/3=120°. Отдельные фазы трехфазной системы согласно ГОСТ обозначаются (именуются) заглавными латинскими буквами А, В, С (основное обозначение), или цифрами 1, 2, 3 (допустимое обозначение), или заглавными латинскими буквами R, S, T (международное обозначение).
Не имеет значения, какую из трех фаз именовать какой буквой А, В или С, существенным является их порядок следования друг за другом во времени. Прямым порядком следования фаз называется А→В→С→А, при котором параметры режима (u, i) в фазе В отстают от аналогичных параметров в фазе А на 120°, а в фазе С — опережают на 120°. При обратном порядке следования фаз А→С→В→А параметры режима в фазе С отстают от аналогичных пара¬метров в фазе А на 120°, а в фазе В — опережают на 120°.
Если отдельные фазы системы работают изолировано и независимо друг от друга, то система называется несвязанной. Рассмотрим работу простейшей несвязанной трехфазной системы (рис. 36.1). Мгновенные значения фазных ЭДС генератора сдвинуты во времени на 120° в порядке следования фаз A→B→C→A:
Графические диаграммы этих функций показаны на рис. 36.2, а векторные — на рис. 36.3.
Основное свойство любых переменных функций (е, u, i) в симметричной трехфазной системе состоит в том, что сумма их мгновенных значений в любой момент времени равна нулю, например, еА + еВ + еС = 0. Найдем эту сумму для разных моментов времени:
Если нагрузка отдельных фаз равна между собой, т.е. ZA=ZB=ZC=Zejφ, то фазные токи будут равны по модулю и сдвинуты по фазе относительно своих ЭДС (напряжений ) на один и тот же угол φ, а между собой, как и ЭДС, будут сдвинуты по фазе на 120°. Следовательно, фазные токи iА, iВ, iС образуют симметричную трехфазную систему и для них будут справед-ливы полученные ранее выводы: iА + iВ + iС = 0; IА + IВ + IС = 0.
Преобразуем несвязанную трехфазную систему в связанную путем объединения трех обратных приводов в один общий привод. Согласно 1-ому закону Кирхгофа в общем проводе должен протекать суммарный ток iN = iА + iВ + iC = 0. Это означает, что потребность в обратном проводе вообще отпадает, благодаря чему достигается значительная экономия проводов при передаче энергии от трехфазного генератора к приемнику.
Достоинства (преимущества) трехфазной системы:
1) Передача энергии от генератора к потребителям трехфазным током наиболее выгодна экономически, чем при любом другом числе фаз. Например, по сравнению с двухпроводной системой достигается экономия проводов в два раза (3 провода вместо 6), соответственно уменьшаются потери энергии в проводах линии.
2) Трехфазная система позволяет технически просто получить круговое вращающееся поле, которое лежит в основе работы всех трехфазных машин (генераторов и двигателей).
3) Элементы трехфазной системы (генераторы, трансформаторы, двигатели) просты по конструкции, надежны в работе, имеют хорошие массогабаритные показатели, сравнительно дешевы, долговечны.
4) На выходе трехфазных генераторов имеется два уровня выходного напряжения – линейное и фазное, отличающиеся в √3 раз (Uл /Uф = √3), что позволяет подключать к такому генератору приемники с различными номинальными напряжениями.
Благодаря своим достоинствам трехфазная система применяется в электроэнергетике для производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.
Трехфазная система и ее основные звенья – генератор, трансформатор, линия элек¬тропередачи, двигатель – были разработаны в 1889 году инженером Доливо-Добровольским (фирма Сименс и Шукерт). Создание этой системы явилось важным событием в истории развития теоретической и прикладной электротехники.