Содержание
Несмотря на столь широкое применение, немногие знают, что собой представляет трехфазный ток. И это простительно, поскольку не все получали высшее профильное образование по профессии электрика. Поэтому цель этой статьи — рассказать в общих чертах о переменном трехфазном электрическом токе. Людям, не связанным с техническим науками, а также начинающим специалистам, будет интересно узнать, что это такое, где применяется, в том числе о его положительных и отрицательных сторонах.
Что такое трехфазный ток
Электрической цепью с трехфазной системой называют схему подключения, к которой подводят три жилы кабеля. В каждой действуют переменные электродвижущие силы одинаковых частот, но сдвинутых по фазе на одну треть периода относительно друг друга. На языке физике сдвиг выглядит как alpha = 2*pi/3. Каждую отдельную цепь всей схемы в целом называют фазой. А поскольку их три, то и вся схема получила соответствующее название.
Практически все генераторы электрических станций вырабатывают трехфазный ток. Они совмещают в себе конструкцию одновременной инициации возбуждения сдвинутых относительно друг друга электродвижущих сил. В его устройство входят три независимых якоря, расположенных на статоре установки и удаленных друг от друга на одну треть окружности. В центре размещается элемент индукции, представленный как постоянный магнит.
На рисунке видно отличие трехфазного тока от однофазного. На схеме показаны три катушки, которые сами по себе являются независимыми генераторами напряжения. Если включить каждую из них в отдельную сеть со своей нагрузкой, то они способны питать электричеством любые приборы.
Однако продолжая логику схематического подключения проводки, для общего электроснабжения оборудования-приемника потребуется шесть кабелей. С точки зрения рациональности, такая цепь будет громоздкой и не экономной. Поэтому катушки соединяют таким образом, чтобы обойтись всего тремя или четырьмя кабелями. Такую систему называют трех- и четырехжильной, одна из которых нулевая, то есть не находится под токовым напряжением.
Зачем нужен трехфазный ток
Однофазный и трехфазный переменный ток широко применяются в промышленной и бытовой сфере. Однако в последнее время все больше потребителей предпочитают отказываться от первого и склоняются к последнему.
И дело даже не в увеличении мощности и включении большего количества электрического оборудования. Порой разница между силовой нагрузкой даже не заметна, а при определенных параметрах сети входная мощность для обоих цепей может быть одинаковой.
Основным потребителем является трехфазное оборудование. В эту группу входит:
- асинхронные электроприводы;
- нагревательные установки;
- промышленное оборудование.
Наиболее частым потребителем трехфазного тока является асинхронный двигатель. Именно в составе этой сети они показывают наилучшие рабочие параметры, высокое КПД при относительно низких энергозатратах.
К тому же, приводы, обогреватели, котлы, электрические печи, обогреватели не перекашивают фазы. Для чувствительного оборудования такое проседание — тема очень щекотливая.
Обратите внимание! В реальности обеспечить одинаковую нагрузку на всех трех фазах невозможно. Соответственно, напряжение всегда будет неодинаковым.
Поскольку в помещении присутствует еще несколько потребителей, необходима дополнительная система, которая сможет распределять нагрузку равномерно по всем приемникам. Для этого нужна трехкабельная цепь. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока происходит к той цепи, на которую приходится меньше всего потребителей.
Однако распределительные системы для цепей трехфазного тока получаются очень громоздкими и занимают много места. Оно требует дополнительных систем безопасности, так как напряжение таких сетей составляет 380 В. При коротком замыкании ток будет в разы больше, чем при привычных нам 220 В.
Преимущества и недостатки
Как и все материальное, трехфазный ток имеет свои плюсы и минусы. К положительным моментам применения систем с тремя или четырьмя проводами относится:
- экономичность. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используют жилы из цветных металлов, имеющих небольшие удельные сопротивления. Вольтаж делят пропорционально количеству кабелей. За счет распределения нагрузок инженеры могут уменьшить количество проводов и их сечение, что при стоимости редких материалов дает заметную экономию;
- эффективность. Параметры мощности трехфазных трансформаторов на порядок выше однофазных при меньших размерах магнитопровода;
- простота. При одновременном подключении потребителей к трехфазной системе генерируется дополнительное электромагнитное поле. Эффект сдвига фаз позволил создать простые и надежные бесколлекторные электродвигатели, ротор которых выполнен по принципу обычной болванки и устанавливается на шариковые подшипники. Асинхронные электроприводы с короткозамкнутым ротором широко применяются в качестве силовых агрегатов. Главным преимуществом таких моторов является возможность менять направления вращения оси путем переключения на разные фазные провода;
- вариативность. В цепях с несколькими фазами существует возможность получать разные напряжения. Пользователь сможет менять мощность нагревателя или сервопривода, переключившись с одного кабеля на другой;
- уменьшение стробоскопического эффекта. Он достигается за счет независимого подключения разных ламп к отдельным фазам.
Наравне с достоинствами трехфазный ток имеет свои недостатки. Они включают в себя:
- сложность подключения. Для подведения трехфазной сети к частному или промышленному зданию необходимо получить специальное разрешение и технические условия от локальной компании по энергосбыту. Это мероприятие достаточно затратное и хлопотное. Даже при выполнении всех условий положительный результат не всегда гарантирован;
- применения усиленных систем безопасности. В трехфазной сети подается напряжение 380 В, поэтому необходимы дополнительные устройства защиты от поражения электрическим током и короткого замыкания, которое может привести к пожару. В таких случая на входе ставят еще один трехполюсный автоматический выключатель с большими номинальными характеристиками. Он поможет избежать возгорания в случае замыкания цепи;
- необходимость монтажа вспомогательных модулей для ограничения перенапряжения в распределительном щите. Он необходим на случай обрыва нулевого кабеля, что приведет к увеличению напряжения в одной из фаз.
Переход на трехфазный ток целесообразен для владельцев помещений, площадь которых больше 100 кв. метров. Это относится к частным домам и к производственным зданиям. Такая схема подключения позволит перераспределять равномерно нагрузку по всем потребителям и избежать скачков напряжения.
Чем отличается трехфазный ток от однофазного
Основное отличие однофазной цепи от трехфазной:
- однофазный ток подается потребителям через один проводник, трехфазный — через три;
- для завершения сети необходим нулевой кабель, поэтому в цепях с одной фазой их два, а в трех — четыре;
- мощность повышается с увеличением количества фаз;
- простота сетевой конструкции;
- в однофазной цепи появляются перепады напряжения с увеличением количества потребителей электроэнергии;
- при отключении одной жилы в трехфазном, ток продолжает течь в оставшихся двух проводах. В однофазном напряжение полностью пропадает.
Обратите внимание! Трехфазная система позволяет использовать разные номиналы напряжений при питании оборудования с разными параметрами мощности.
Почему обычно три фазы, а не четыре
Таким вопросом задаются практически все начинающие электрики. По сути, количество фаз не ограничено. Их может быть 1, 2, 3, 4 и даже 10. Однако широкое применение получили трехфазные системы. Это связано с тем, что такой цепи достаточно для решения большинства задач.
Такие системы в большей степени используют для силовых установок на производстве. Вращение ротора составляет 360 градусов, а сдвиг по фазам составляет 120 градусов. Его вполне достаточно, чтобы раскрутить якорь до нужных оборотов и получить с двигателя нужную мощность. Увеличение количества фаз лишь повысит стоимость самой установки, поскольку потребует установки дополнительных катушек и подведения лишних кабелей.
Важно! Добавление фаз к существующим трем не повышает КПД агрегата, не увеличивает его мощность. С точки зрения рациональности, это лишь добавляет стоимость установок при сохранении прежних параметров работы.
График трехфазного тока
Ниже представлен график трехфазного тока.
На рисунке видно, что каждая ветка имеет одинаковую частоту, но в каждой цепи периода прохождения тока через проводник сдвинуты по фазе на одну треть.
Система подключения
Существует два вида подключения катушек в электрогенераторе:
- звездой. Суть системы заключается в соединении всех концов катушек в одну точку, которая является нейтральной. Нулевой провод и остальные три провода подключаются к потребителю;
- треугольником. При таком способе каждый вывод обмотки соединяется со следующим. В результате они образуют замкнутый на отдельных контактах треугольник, а линейные кабели соединяются с оборудованием.
На рисунке показано схематическое подключение катушек в электрогенераторе.
Трехфазная система подачи тока потребителям приобрела широкую популярность благодаря эффективности и экономичности. Также она позволяет повышать коэффициент полезного действия силового оборудования, его мощность, упрощая при этом его конструкцию.
(Ну, вообще-то не по трем проводам, а по четырем – но ноль на всяк случай, нормально по нему – нииичего. )
Изобретатели переменного тока как-то вот поняли, что неудобно это – ток ведь то есть, а то нет: переменный. К ротору генератора мощность вроде подводится все время, постоянно, а снимается – то больше, то меньше, то вообще ничего. И так 100 раз в секунду. А на другом конце – потребитель. Тоже потребляет все время(ну хоть в течение одной секунды) одну и ту же мощность, а подводится – то больше, то меньше. Решили добавить другой провод – по одному меньше, а по другому больше, в сумме вроде . но получилось, что надо не два, а три.
Ну как мог, объяснил. На пальцах. А по науке тут и так уже все расписали.
единственное что могу добавить, ноль – это весчь абстрактная, т.к. его не существует, есть 3 фазы и земля! ноль от земли отличается только тем что нулевой провод землится непосредственно на распределительной (трансформаторной) подстанции, а заземление, непосредственно, на объекте установки эл. оборудования! иногда разность потенциалов ноля относительно земли может достигать 15-20 вольт.
конечному потребителю поставляются так-же 3 фазы (в эл. щитах поездов их 3. ), но т.к. они ему нафиг ненужны, то в розетки подают всего одну, причем в каждую квартиру только одну, если на площадке 3 квартиры, то каждая питается от своей фазы! и нагрузка распределяется равномерно, иначе из-за длинны кабеля может возникнуть перекос фаз, к примеру если на одной нагрузка будет больше, то напруга на ней падает, но, при ентом она начинает возрастать на двух других, где нагрузка меньше, соответственно напряжение относительно земли повышается, что черевато выходом из строя аппаратуры. этим-же опасно и отгорание ноля в элеваторе (проподание токовой земли).
для понятия основ рекомендую почитать учебники для электриков (есть такие в библиотеках), т.к. на пальцах объяснить довольно сложно почему и как достигается сдвиг фаз, почему ток переменный, и почему частота 50 герц. тут надо рисовать картинки, а енто делать некогда. да и на компе не очень-то охото – больно муторно, проще от руки, но сканить негде. да и в 2х словах не объяснишь.
В домовых распределительных электрических сетях в основном используются одна фаза и нулевой проводник. Этого достаточно для работы бытовых электроприборов, освещения и отопления. Для организации производственного технологического процесса применяют трехфазный ток. Потребители, шинные сборки, распределительные щитки, узлы учёта и вся электрическая схема настроены на работу от сетей трёхфазного тока.
Трехфазная система переменного тока
Сети трёхфазной системы рассчитаны на питание от подстанций, подающих напряжение по четырём проводам: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где функционируют ЭДС, имеющие синусоидальные формы и равную частоту. Они произведены одним и тем же источником, но имеют угол сдвига между фаз в 120 градусов (2π/3).
Ещё электротехник М.О. Доливо-Добровольский, проводя изучение работы асинхронных двигателей, представил четырёхпроводную систему в качестве рабочей для питания такого типа машин и агрегатов. Каждый провод, образующий отдельную цепь внутри этой системы, называют «фазой». Структуру трёх смещённых по фазе переменных токов именуют трёхфазным током.
Важно! В подобной структуре фазное напряжение равно 220 В – это то, что покажет прибор при измерении между фазным и нулевым проводниками. Величина линейного напряжения составит 380 В при проведении измерения между двумя фазными тоководами.
Что такое трехфазный ток
Это система, объединяющая три электроцепи с токами, которые разнятся по фазе на 1/3 периода. Причём их собственные ЭДС совпадают по частоте и амплитуде и имеют такой же фазовый сдвиг. У такой структуры фазное и линейное напряжения соответственно равны 220 В и 380 В. Частота периодических колебаний – 50 герц (Гц).
Если подключить к осциллографу токовые синусоидальные сигналы от трёхфазной сети, то можно будет увидеть, что они совершают прохождение своих точек максимума в регулярной фазовой последовательности.
Общая формула мощности переменного тока:
где:
- P – мощность, (Вт);
- I – ток, (А);
- U – напряжение, (В);
- cosϕ – коэффициент мощности.
Значение cosϕ должно стремиться к единице. Средний коэффициент мощности лежит в интервале 0,7-0,8. Чем он выше, тем больше КПД установки.
В случае 3-х фазных сетей мощность будет зависеть от схемы соединения источника и нагрузки.
Почему используют трехфазный ток
Зная, что такое трехфазный ток, можно однозначно ответить на вопрос, почему он применяется.
Трехфазные системы переменного тока обладают целым рядом преимуществ, которые позволяют им выделяться среди многофазного построения электрических структур. К плюсам можно отнести следующие особенности:
- экономичное транспортирование энергии на дальние расстояния без снижения параметров;
- 3-фазные трансформаторы и кабели обладают меньшей материалоёмкостью, в отличие от однофазных моделей;
- возможность обеспечить сбалансированность энергосистемы;
- одновременное присутствие в установках двух напряжений для работы: фазное напряжение (220 В) и линейное (380 В).
К сведению. Подключение люминесцентных ламп к разным фазам и установка их в один светильник значительно уменьшат стробоскопический эффект и заметное глазу мерцание.
Неотъемлемой частью оборудования любого производственного предприятия являются асинхронные двигатели. Для их нормальной работы и развития паспортной мощности необходимо 3-х фазное питание. Оно обеспечивает возможность образования вращающегося МП (магнитного поля), которое приводит в движение ротор асинхронной машины. Такие двигатели экономичнее, проще в изготовлении и просты в эксплуатации, по сравнению с однофазными или любыми другими.
На электростанциях любого типа (ГЭС, АЭС, ТЭС), а также альтернативных обеспечено производство электроэнергии переменного типа при помощи генераторов.
Как осуществляется работа генератора
Устройство действует, превращая энергию вращения в энергию электричества. Электромашина, используя вращение МП, генерирует электрический ток. В тот момент, когда проволочная обмотка (катушка) крутится в МП, силовые линии магнитного поля пронизывают витки обмотки.
Внимание! В результате этого процесса электроны совершают перемещение в сторону плюсового полюса магнита. При этом ток движется, наоборот, в сторону отрицательного магнитного полюса.
Не важно, что вращается при механическом воздействии, обмотка или магнитное поле, – ток будет течь, пока вращение выполняется.
Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:
- неподвижные магниты и подвижный (вращающийся) якорь;
- неподвижный статор и магнитные полюса, которые вращаются.
В устройствах первой конструкции возникает потребность отбора большого тока при высоком напряжении. Для этого приходится использовать щётки (скользящие по контактным кольцам контакты).
Второе строение генератора проще и более востребовано. Здесь ротор – подвижный элемент, состоит из магнитных полюсов. Статор – неподвижная часть, собрана из пакета изолированных между собой листов железа и вложенной в пазы обмотки статора.
Информация. У ротора тело собрано из сплошного железа и имеет магнитные полюса в виде наконечников. Наконечники набираются из отдельных листов. Их форма подобрана с учётом того, чтобы генерируемый ток по форме был близок к синусоиде.
Полюсные сердечники имеют катушки возбуждения. На катушки подаётся постоянный ток. Подача осуществляется через графитовые щётки на кольца контакта, находящиеся на валу.
На схемах 3-х фазный генератор рисуют в виде трёх обмоток, угол между которыми равен 1200.
Существует несколько способов возбуждения генераторов, а именно:
- независимый – с помощью аккумулятора;
- от возбудителя – при помощи дополнительного генератора, закреплённого на одном валу;
- благодаря самовозбуждению – собственным выпрямленным током.
Сюда же относится магнитное возбуждение, подаваемое от магнитов постоянной природы.
Схемы трехфазных цепей
Обмотки генератора или трансформатора в трёхфазных цепях можно соединить между собой по двум схемам:
Соединения выполняются на клеммнике (борно) агрегата или трансформатора, куда выводятся концы обмоток.
Присоединение нагрузки к генератору (трансформатору) можно произвести по следующим схемам:
- присоединение «звезда – звезда» с использованием нулевого проводника;
- подключение «звезда – звезда» без использования нулевого провода;
- подсоединение «звезда – треугольник»;
- схема «треугольник – треугольник»;
- соединение «треугольник – звезда».
Внимание! Такое разнообразие схем вызвано тем, что собственные обмотки генератора и собственные обмотки нагрузки могут быть соединены по-разному. При различных типах сопряжения получаются разные соответствия между фазными и линейными значениями.
Соединение может быть выполнено на заводе при сборке генератора, к месту подсоединения питающего кабеля уже выведены вторые концы обмоток. Информация о схеме соединения обмоток наносится на прикреплённую к статору машины табличку.
На электрических двигателях, трансформаторах или иных потребителях также производят необходимые манипуляции по переключению выводов обмоток. На картинке, приведённой ниже, красным маркером отмечены концы обмоток, соединённые перемычкой. Синим маркером – фазы питания.
Соединение звездой
Буквенное обозначение начала обмоток – «А», «В», «С», концов – «X», «Y», «Z». Нулевая точка маркируется как «О». У каждой обмотки есть два конца. При соединении «звезда» все три одноименных вывода обмоток (начала) соединяются между собой в одну точку «О». К свободным концам подключается нагрузка.
Соединение треугольником
При выполнении этого присоединения на борно ставятся перемычки, включающие обмотки в следующей последовательности:
- конец «А» – с началом «В»;
- конец «В» – с началом «С»;
- конец «С» – с началом «А».
Графическое изображение катушек становится похожим на треугольник, отсюда пошло название.
Когда хотят использовать подключаемый асинхронный двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, то его обмотки соединяют в треугольник. В этом случае фазные напряжения совпадают (Uл = Uф), линейный ток будет вычисляться по формуле:
Подключая в качестве нагрузки двигатель, необходимо учесть ряд нюансов:
- достигается увеличение мощности в 1,5 раза;
- повышается значение пускового тока, по сравнению с рабочим в 7 раз из-за тяжёлого запуска;
- резкое увеличение нагрузки на валу электромашины будет вызывать резкое увеличение тока.
Из-за всего этого есть риск возникновения перегрева машины, что не происходит при соединении обмоток нагрузки по схеме «звезда». Там двигатель не расположен к перегреванию, и его пуск осуществляется плавно.
При двух видах включения обмоток различают и дают определение двум видам токов: линейному и фазному. Запомнить различия просто:
- ток, протекающий через проводник, который соединяет источник с приёмником, называется линейным;
- ток, движущийся по обмоткам источника или нагрузки, называется фазным.
Стоит обратить внимание на формулы мощности при различных схемах соединения источника с нагрузкой.
Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:
P = 3*Uф*Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ,
где:
- Uф – фазное напряжение;
- Uл – линейное напряжение;
- Iф – фазный ток;
- Iл – линейный ток;
- cosϕ – сдвиг фаз.
Мощность тока при схеме «треугольник» вычисляется по формуле:
P = 3* Uф* Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ.
К сведению. Обращать внимание на линейный и фазный токи необходимо тогда, когда генератор (источник) нагружается несимметрично при подключении нагрузки.
Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях
Следующий параметр, который требует внимательного рассмотрения, – это напряжение. Так же, как и токи, напряжение в этом случае бывает фазное и линейное. Чтобы было понятнее их отличие, лучше всего рассмотреть графическое изображение векторов напряжений (фаз). Уже известно, что они расположены друг к другу под углом 1200. Таков угол между обмотками трёхфазного генератора.
Сохраняя угол наклона вектора Ub, откладывают его (изменив знак) от точки, где заканчивается вектор Ua. Тогда из полученной векторной диаграммы видно, что вектор линейного напряжения Uл равен расстоянию между точкой начала вектора напряжения Ua и точкой конца вектора напряжения Ub. Заметно, что вектор линейного напряжения превышает фазное. Насколько большая эта разница, можно определить, пользуясь формулой:
Так как sin600= √3/2, то формула принимает вид:
Значит, Uл = 1,73*Uф
При практических измерениях параметров напряжения фазное напряжение измеряют, касаясь щупами тестера фазного и нулевого проводников. Линейное значение должно измеряться прикосновением щупами к двум фазным проводникам.
Подключение нагрузки к источнику в трёхфазной цепи может осуществляться, как по трём проводам, без нулевого проводника, так и с его использованием. Всё зависит от того, какого типа нейтраль у сети. В сетях с глухозаземлённой нейтралью нулевой проводник служит для избегания перекоса по фазам. К тому же его используют в цепях защиты от пробоя изоляции на корпус оборудования. Он даёт возможность для срабатывания защитного отключения или перегорания вставки предохранителя.
Сети с изолированной нейтралью прекрасно работают по трём фазным проводам. Соединения такого типа исключают одновременное использование и фазного, и линейного напряжения. При такой схеме существует риск получить удар током при пробое изоляции.
Отличия от однофазного тока
Как правило, в многоквартирные дома подводится трехфазный переменный ток. Это обусловлено подключением большого числа однофазных нагрузок. В этом случае есть возможность равномерно нагрузить каждую фазу цепи трансформаторной подстанции. Это позволит не допустить перекоса межфазного и фазного напряжений.
Основные различия, по сравнению с однофазным током, лежат в следующей плоскости:
- линейное напряжение не рассчитано на питание однофазных потребителей;
- величина мощности нагрузки зависит от сечения питающего кабеля;
- возможность включения в сеть трёхфазных потребителей;
- допустимость переключения однофазного потребителя на другую фазу.
В связи с этим использование трёхфазного тока более эффективно на производстве.
Важно! Стоимость оборудования, кабельной продукции, электроэнергии, приборов учёта при подведении к объекту напряжения, равного 380 В, значительно выше, чем однофазной сети.
Какой вариант тока выбрать, трёхфазный или однофазный, решать владельцу жилья. Особенно это касается больших частных домов, где современное электрооборудование требует наличия всех трёх фаз. Затраты на подведение 3-х фазного тока и установку узла учёта с лихвой окупятся возможностями использования трёхфазных потребителей в приусадебном хозяйстве.