Трехфазные цепи синусоидального тока. Трехфазный переменный ток

Трехфазная система переменного тока широко распространена и применяется во всем мире. При помощи трехфазной системы обеспечиваются оптимальные условия для передачи по проводам электроэнергии на большие расстояния, возможность для создания простых по устройству и удобных в эксплуатации электродвигателей.

Трехфазная система переменного тока

Называется система, состоящая из трех цепей с действующими электродвижущими силами (ЭДС) одинаковой частоты. Эти ЭДС сдвинуты относительно друг друга по фазе на одну треть. Каждая отдельная цепь в системе называется фазой. Вся система трех переменных токов, сдвинутых по фазе, и называется трехфазным током.

Практически все генераторы, которые установлены на электростанциях - это генераторы трехфазного тока. В конструкции соединены в одном агрегате три . Электродвижущие силы, индуцированные в них, как сказано ранее, сдвинуты на одну треть периода относительно друг друга.

Как же осуществляется работа генератора

В генераторе трехфазного тока есть три отдельных якоря, располагающихся на статоре устройства. Они имеют смещение на 1200 между собой. В центре устройства вращается индуктор, общий для трех якорей. Переменная ЭДС одинаковой частоты индуцируется в каждой катушке. Однако, моменты прохождения этих электродвижущих сил через нуль в каждой из этих катушек оказываются сдвинуты на 1/3 периода, так как индуктор проходит возле каждой катушки на 1/3 времени позднее, чем предыдущей.

Все обмотки являются самостоятельными генераторами тока и источниками электроэнергии. Если присоединить провода к концам каждой обмотки, то получаются три независимые цепи. В данном случае, чтобы передать всю электроэнергию потребуется шесть проводов. Однако при других соединениях обмоток между собой вполне можно обойтись 3-4 проводами, что дает большую экономию провода.

Соединение - звездой

Концы всех обмоток соединяются в одной точке генератора, так называемой нулевой точке. Затем производится соединение с потребителями, используя четыре провода: три - линейные провода, которые идут от начала обмоток 1, 2, 3, один - нулевой (нейтральный) провод, идущий от нулевой точки генератора. Такую систему называют еще четырехпроводной.

Соединение треугольником

В этом случае конец предыдущей обмотки соединяется с началом последующей, образуя, тем самым треугольник. Линейные провода соединяются с вершинами треугольника - точками 1, 2, 3. При таком подключении совпадают. В сравнении с подключением звездой, подключение треугольником снижает линейное напряжение примерно в 1,73 раза. Оно допускается лишь при условии одинаковой нагрузки фаз, иначе в обмотках может увеличиться, что представляет опасность для генератора.

Отдельные потребители (нагрузки), которые питаются от раздельных пар проводов, точно так же могут соединяться или звездой или треугольником. В итоге получается ситуация, аналогичная генератору: при соединении треугольником - нагрузки находятся под линейным напряжением, при соединении звездой - напряжение в 1,73 раза меньше.

Электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток . Генератор трехфазного тока представляет собой как бы три объединенных вместе генератора переменного тока, работающих так, чтобы сила тока (и напряжение) изменялась у них не одновременно, а с отставанием на 1/3 периода. Это осуществляется за счет смещения катушек генераторов на 120° одна относительно другой (рис. справа).

Каждая часть обмотки генератора называется фазой . Поэтому генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из трех частей, называют трехфазными .

Следует отметить, что термин «фаза » в электротехнике имеет два значения: 1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени; 2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).
Некоторое наглядное представление о возникновении трехфазного тока дает установка, изображенная на рис. слева.
Три катушки от школьного разборного трансформатора с сердечниками размещаются по окружности под углом 120° по отношению друг к другу. Каждая катушка соединена с демонстрационным гальванометром . В центре окружности на оси укрепляется прямой магнит. Если вращать магнит, то в каждой из трех цепей «катушка - гальванометр» возникает переменный ток. При медленном вращении магнита можно заметить, что наибольшее и наименьшее значения токов и их направления будут в каждый момент во всех трех цепях различными.

Таким образом, трехфазный ток представляет совместное действие трех переменных токов одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 1/3 периода относительно друг друга.
Каждая обмотка генератора может соединяться со своим потребителем, образуя несвязанную трехфазную систему. Выигрыша от такого соединения нет никакого по отношению к трем отдельным генераторам переменного тока, так как передача электрической энергии осуществляется с помощью шести проводов (рис. справа).
На практике получили два других способа соединения обмоток трехфазного генератора. Первый способ соединения получил названиезвезды (рис. слева, а), а второй -треугольника (рис. б).
При соединении звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются в один общий узел, а от начал (или концов) идут провода к потребителям. Эти провода называются линейными проводами . Общую точку, в которой соединяются концы фаз генератора (или потребителя), называют нулевой точкой , или нейтралью . Провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, называют нулевым проводом . Нулевой провод применяется в том случае, если в сети создается неравномерная нагрузка на фазы. Он позволяет уравнять напряжения в фазах потребителя.

Нулевой провод , как правило, применяется в осветительных сетях. Даже при наличии одинакового количества ламп равной мощности во всех трех фазах равномерная нагрузка не сохраняется, так как лампы могут включаться, выключаться не одновременно во всех фазах, могут перегорать, и тогда равномерность нагрузки фаз будет нарушена. Поэтому для осветительной сети применяется соединение в звезду, которая имеет четыре провода вместо шести при несвязанной трехфазной системе.

При соединении в звезду различают два вида напряжения:фазное и линейное . Напряжение между каждым линейным и нулевым проводом равно напряжению между зажимами соответствующей фазы генератора и называется фазным (U ф ), а напряжение между двумя линейными проводами - линейным напряжением (U л ).

Поскольку в нулевом проводе при симметричной нагрузке сила тока равна нулю, то ток в линейном проводе равен току в фазе.
При неравномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходит уравнительный ток относительно малой величины. Поэтому сечение этого провода должно быть значительно меньше, чем у линейного провода. В этом можно убедиться, если включить четыре амперметра в линейные и нулевой провода. В качестве нагрузки удобно использовать обычные электрические лампочки (рис. справа).
При одинаковой нагрузке в фазах ток в нулевом проводе равен нулю и надобность в этом проводе отпадает (например, равномерную нагрузку создают электродвигатели). В этом случае производят соединение в «треугольник», которое представляет собой последовательное соединение друг с другом начал и концов катушек генератора. Нулевой провод в этом случае отсутствует.
При соединении обмоток генератора и потребителей «треугольником » фазные и линейные напряжения равны между собой,
т.е. U Л = U Ф , а линейный ток в √3 раз больше фазного тока I Л = √3 . I Ф
Соединение треугольником применяется как при осветительной, так и при силовой нагрузке. Например, в школьной мастерской станки можно включать в звезду или треугольник. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников электрической энергии.
Принципиально можно соединять треугольником и фазы генератора, но обычно этого не делают. Дело в том, что для создания заданного линейного напряжения каждая фаза генератора при соединении треугольником должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения звездой. Более высокое напряжение в фазе генератора требует увеличения числа витков и усиленной изоляции для обмоточного провода, что увеличивает размеры и стоимость машин. Поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой. Двигатели же иногда в момент пуска включают звездой, а затем переключают на треугольник.

Электрические двигатели.

Электрический двигатель - это электрическая машина(электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергияпреобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

Принцип действия

В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части), электрическим током (или также постоянными магнитами) в которых создаются неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Статор - неподвижная часть электродвигателя, чаще всего - внешняя. В зависимости от типа двигателя, может создавать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, либо генерировать вращающееся магнитное поле (и состоять из обмоток, питаемых переменным током).

Ротор - подвижная часть электродвигателя, чаще всего располагаемая внутри статора.

Ротор может состоять из:

§ постоянных магнитов;

§ обмоток на сердечнике (подключаемых через щёточно-коллекторный узел);

§ короткозамкнутой обмотки ("беличье колесо" или "беличья клетка"), в которой токи возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает вращающий момент, приводящий в движение ротор двигателя. Так происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на обмотки двигателя, в механическую (кинетическую) энергию вращения. Полученную механическую энергию можно использовать приводя в движение механизмы.

Классификация электродвигателей

§ Двигатель постоянного тока - электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током;

§ Коллекторные двигатели постоянного тока. Разновидности:

§ С возбуждением постоянными магнитами;

§ С параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ С последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ Со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ Бесколлекторные двигатели постоянного тока (вентильные двигатели) - Электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).

§ Двигатель переменного тока - электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током, имеет две разновидности:

§ Синхронный электродвигатель - электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полемпитающего напряжения;

§ Гистерезисный двигатель

§ Асинхронный электродвигатель - электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением.

§ Однофазные - запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь

§ Двухфазные - в том числе конденсаторные.

§ Трёхфазные

§ Многофазные

§ Шаговые двигатели - Электродвигатели, которые имеют конечное число положений ротора. Заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие.

Вращающееся магнитное поле

§ Универсальный коллекторный двигатель (УКД) - коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном токе и на переменном токе.

Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока.

Виды стиральных машин.

Стирка по-научному.

Токи в фазах генератора и приемника называются фазными токами, а токив линейных проводах - линейными.

При симметричном режиме трехфазной цепи и соединении обмоток генератора звездой положительные направления токов в линейных проводах выбирают от генератора к приемнику, а тока – в нейтральном проводе в обратном направлении. У симметричного трехфазного приемника или у трех одинаковых приемников, соединенных звездой, сопротивления фаз равны по модулю , из чего следует, что линейные и фазные токи численно равны.

, (3.11)

где – полное сопротивление фазы.

Линейные или фазные токи сдвинуты по фазе относительно друг друга на равные углы, равные 120°. Сумма векторов трех токов, образующих симметричную тройку, равна нулю, как и трех векторов фазных напряжений. Поэтому тока в нейтральном проводе нет: , и от нейтрального провода можно отказаться. Такую четырехпроводную систему можно заменить трехпроводной (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема трехфазной трехпроводной цепи

При симметричном режиме трехфазной цепи и соединении обмоток генератора треугольником положительное направление линейных токов, как и при соединении звездой, выбираются от генератора к приемникам. За положительное направление фазных токов в приемниках принимаются направления от а к b , от b к с , от с к а , что указывается порядком букв в индексах. Например, – это ток в фазе bc , направленный от узла b к узлу c .

Ток в каждом линейном проводе равен разности токов двух фаз, которые соединены в один узел с этим проводом.

При симметричной системе напряжений и одинаковых сопротивлениях фаз приемника фазные токи образуют симметричную систему. Действующие значения токов одинаковы, а по фазе токи сдвинуты относительно друг друга на углы 120°. Линейные токи равны разностям соответствующих фазных токов, их действующие значения одинаковые, сдвиги по фазе между ними, как и между фазными токами, равны 120°. Векторы фазных токов смежных фаз вместе с вектором соответствующего линейного тока образуют равнобедренный треугольник с углами при основании 30° и углом при вершине 120°. Основание треугольника определяет линейный ток.

Из треугольника получается, что:

Линейный ток больше фазного в раз при симметричном режиме трехфазной цепи и соединении треугольником. Каждый линейный ток отстает по фазе от соответствующего фазного тока на угол 30°.

Пример 3.2. Фазные напряжения генератора U Ф =240 В, сопротивления фаз приемника za = ra =20 Ом, zb = rb =8 Ом, zc = rc =50 Ом. Сопротивлением линейных и нейтрального проводов можно пренебрнчь. Определить токи во всех участках цепи.

Решение.

Направим вектор вдоль действительной положительной полуоси, т.е. выберем у этого напряжения нулевую начальную фазу: В,

напряжения:

Токи на участках.

Самой популярной электрической цепью считается трехфазная линия, имеющая существенные преимущества перед другими видами подключения. По сравнению с многофазными цепями трехфазная линия более экономична в плане расхода материалов, а относительно однофазных линий – способна передавать большее напряжение.

Кроме этого, такое подключение применяется для включения в цепь электродвигателей: с его помощью легко образуется магнитное поле, что активно применяется для запуска электродвигателей и генераторов. Еще одно преимущество трехфазной системы – возможность получать различное рабочее напряжение. В зависимости от способа подключения нагрузки различают линейное и фазное напряжение, получаемое от питающей линии.

Основные определения

Прежде всего, давайте вспомним некоторые определения.

Трехфазная система

Трехфазной системой является совокупность трех электрических цепей, которые генерируются одним источником, но при этом относительно друг друга сдвинуты по фазе.

Фаза

При этом фазой называется каждая электрическая цепь многофазной системы. Началом фазы считается зажим или конец проводника, через который электроток поступает в данную цепь. При этом концы фаз можно соединить вместе. В этом случае, в электрической цепи начинает действовать суммарная ЭДС, а система называется связанной. Это получило широкое применение для запитывания электродвигателей.

Способы соединения

Трехфазное подключение широко применяется для включения обмоток электродвигателей и генераторов. При этом используется два варианта соединения обмоток с токоведущими жилами.

При соединении звездой с шести до четырех уменьшается число соединительных проводов, что положительно влияет на долговечность соединений. К началу обмотки подключаются питающие жилы, а концы при этом объединяются в узел, называемый точкой N или нейтралью генератора. Такой вариант подключения позволяет перейти на трехпроводное подключение, но только в том случае, если подключаемый приемник трехфазной нагрузки симметричен;
При перекрестном соединении обмоток треугольником, они создают замкнутый контур, который имеет относительно небольшое сопротивление. Такое соединение используется при подключении симметричной системы из трех ЭДС: в этом случае при отсутствии нагрузки в контуре не возникает ток.

Соединение звездой чаще используется для включения усилителей и различных стабилизаторов в сеть 220 вольт и мягкого старта электродвигателей при питании от 380В. Подключение треугольником позволяет двигателям набирать полную мощность, поэтому его чаще применяют в производственных целях, где требуется высокая производительность оборудования.

Фазные и линейные напряжения

В самом начале статьи мы отмечали, что трехфазное подключение позволяет получать два различных напряжения: линейное и фазное. Давайте разберемся более подробно, что это такое.

Фазное напряжение возникает при подключении к нулевой жиле и одной из трех фаз цепи;
Линейное напряжение образуется при подключении к любым двум фазам. Электрики его называют межфазным, что ближе по методу измерения.

Теперь давайте разберемся, в чем заключается отличие этих двух определений.

В нормальных условиях показатели линейного напряжения одинаковы между любыми фазами и при этом в 1,73 раза превышают показатели фазного. Говоря по-простому, в соответствии с отечественными стандартами линейное напряжение равняется 380 вольт, а фазное – 220В. Такие особенности трехфазных линий нашли свое применение в обеспечении бесперебойным электроснабжением как промышленных, так и бытовых потребителей.

Стоит отметить, что данные особенности имеет только трехфазная четырехпроводная цепь, номинальное напряжение которой маркируется как 380/220В. Из этого обозначения становится понятным, что к данной линии существует возможность подключить широкий спектр потребителей, рассчитанных на номинальный ток как 380В, так и 220 вольт.

Обратите внимание! Важно знать, что при проседании (падении) линейного напряжения, изменяется и фазное. Причем показатель фазного напряжения легко высчитывается, если известны линейные значения. Для этого из линейных показателей нужно извлечь квадратный корень из трех. Полученные данные будут равняться фазному напряжению.

Благодаря вышеописанным особенностям и разнообразию возможных подключений, именно четырехпроводниковая трехфазная цепь получила широкое распространение. Сфера применения такой схемы подачи электроэнергии универсальна. Поэтому применяется для питания больших объектов с мощными потребителями, жилых, офисных и административных зданий и других сооружений.

При этом совсем необязательно подключать оба вида потребителей на 380В и 220В. Например, в жилых домах чаще всего используются только бытовые приборы, рассчитанные на 220 вольт. В этом случае, важно обеспечить равномерную нагрузку на все три фазы, правильно распределив мощность подключения каждой отдельной линии. В многоквартирных домах это обеспечивается шахматным порядком подключения квартир к фазным жилам. В частном же доме (при наличии ввода на 380В) распределять нагрузку по выделенным линиям придется самостоятельно.

Теперь вы знаете, какие виды напряжений можно получить из трехфазной цепи, какие способы подключения к четырехжильному кабелю для этого используются. Эти знания будут полезны как электрикам, так и рядовым потребителям.

Трехфазная система переменного тока

Каждая часть обмотки генератора называется фазой . Поэтому генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из трех частей, называют трехфазными .

Следует отметить, что термин «фаза » в электротехнике имеет два значения: 1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени; 2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).

Некоторое наглядное представление о возникновении трехфазного тока дает установка, изображенная на рис. слева.
Три катушки от школьного разборного трансформатора с сердечниками размещаются по окружности под углом 120° по отношению друг к другу. Каждая катушка соединена с демонстрационным гальванометром . В центре окружности на оси укрепляется прямой магнит. Если вращать магнит, то в каждой из трех цепей «катушка - гальванометр» возникает переменный ток. При медленном вращении магнита можно заметить, что наибольшее и наименьшее значения токов и их направления будут в каждый момент во всех трех цепях различными.

На практике получили два других способа соединения обмоток трехфазного генератора. Первый способ соединения получил название звезды (рис. слева, а), а второй - треугольника (рис. б).

При соединении звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются в один общий узел, а от начал (или концов) идут провода к потребителям. Эти провода называются линейными проводами . Общую точку, в которой соединяются концы фаз генератора (или потребителя), называют нулевой точкой , или нейтралью . Провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, называют нулевым проводом . Нулевой провод применяется в том случае, если в сети создается неравномерная нагрузка на фазы. Он позволяет уравнять напряжения в фазах потребителя.

Нулевой провод , как правило, применяется в осветительных сетях. Даже при наличии одинакового количества ламп равной мощности во всех трех фазах равномерная нагрузка не сохраняется, так как лампы могут включаться, выключаться не одновременно во всех фазах, могут перегорать, и тогда равномерность нагрузки фаз будет нарушена. Поэтому для осветительной сети применяется соединение в звезду, которая имеет четыре провода (рис. справа) вместо шести при несвязанной трехфазной системе.

При соединении в звезду различают два вида напряжения: фазное и линейное . Напряжение между каждым линейным и нулевым проводом равно напряжению между зажимами соответствующей фазы генератора и называется фазным (U ф ), а напряжение между двумя линейными проводами - линейным напряжением (U л ).

Между фазными и линейными напряжениями можно установить соотношение:

U л = √3 . U ф ≈ 1,73 . U ф ,

если рассмотреть треугольник напряжения (рис. слева).

Действительно,

Ил= ^ч-Т^-г-Т^-сойШ^ Сф-л/2 + 2-со5б0° = л/3 -Ц,

На практике широкое распространение получили трехфазные цепи с нейтральными проводами при напряжениях U Л = 380 В; U Ф = 220 В.

При одинаковой нагрузке в фазах ток в нулевом проводе равен нулю и надобность в этом проводе отпадает (например, равномерную нагрузку создают электродвигатели). В этом случае производят соединение в «треугольник», которое представляет собой последовательное соединение друг с другом начал и концов катушек генератора. Нулевой провод в этом случае отсутствует.
При соединении обмоток генератора и потребителей «треугольником » фазные и линейные напряжения равны между собой,
т.е. U Л = U Ф , а линейный ток в √3 раз больше фазного тока I Л = √3 . I Ф

Соединение треугольником применяется как при осветительной, так и при силовой нагрузке. Например, в школьной мастерской станки можно включать в звезду или треугольник. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников электрической энергии.
Принципиально можно соединять треугольником и фазы генератора, но обычно этого не делают. Дело в том, что для создания заданного линейного напряжения каждая фаза генератора при соединении треугольником должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения звездой. Более высокое напряжение в фазе генератора требует увеличения числа витков и усиленной изоляции для обмоточного провода, что увеличивает размеры и стоимость машин. Поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой. Двигатели же иногда в момент пуска включают звездой, а затем переключают на треугольник.