24. Трехфазная электрическая цепь, ее преимущества перед однофазной, область использования.
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.
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.
25. Получение трехфазной системы эдс. Соединение звездой в трех проводной линии электропередачи.
Трехфазные электрические цепи – вырабатывается с помощью трехфазных генераторов. Работа генераторов основана законе электромагнитной индукции.
Состоит генератор из двух частей:
Неподвижный статор
Вращающийся ротор
Статор – полый цилиндр (сердечник), в пазы, которые уложены 3 обмотки (фазы) (углубления в сердечнике). Обмотки уложены под углом в 120°. Начала и конца фаз маркируются буквами.
1 фаза: A-X
2
фаза:
B-Y 
3 фаза: C-Z
Ротер – электромагнит
При вращении ротера, его магнитные поле пересекает обмотки статора и по закону электромагнитной индукции, в них находится ЭДС. Так как обмотки сдвинуты на 120°, то наводимые ЭДС тоже сдвинуты на 120°
Если подключить 3 приемника к каждой фазе, получим 3 не связанных между собой электрические цепи, но они будут однофазными.
По сравнению с однофазной цепью, трехфазная имеет два преимущества:
Меньше расходует Металла на линию электропередач (20%)
Трехфазная цепь позволяет получать вращающиеся магнитный поля
Звезда – такое соединение, где концы фаз генератора или приемника сведены в одну точку, а начало фаз генератора и приемника соеденены линейными проводами.
26. Понятие о смещение нейтрали, четырех проводная линия электропередачи.
При неравномерной нагрузке в трехпроводной цепи происходит смещение нейтрали вправо, тогда фазное напряжение не одинаковое, что приведет к аварийным ситуациям.
Таким образом, трехпроводная цепь работоспособна только при равномерной нагрузки.
Для работы с неравномерной нагрузкой используется четырехпроводная схема соединения звездой.
27. Соединение треугольником. Расчет мощности в цепях трехфазного тока.
Треугольник – такое соединение, когда конец первой с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой.
Данная схема всегда трёхпроводная и некритична к неравномерным нагрузкам.
Мощность 1-ой фазы:
Мощность 3-х фазной:
P3ф=
UлIлcosy;
3Pф=3UфIфcosy
Несмотря на то, что формулы одинаковы для звезды и для треугольника, однако, при переключении приемника с треугольника на звезду, или наоборот, потребляемые мощности будут разными.
Со звезды к треугольнику: Мощность, потребляемая приемником, увеличивается в три раза.
Активную мощность измеряется вольтметром, существует 3 схемы включения вольтметра
1._В чем преимущества трехфазной системы перед однофазной? Трехфазный генератор. Принцип действия. Способы изображения трехфазной симметричной системы эдс
Трехфазная система электрических цепей представляет собой совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазу и создаваемые общим источником энергии. Если все 3 ЭДС равны по значению и сдвинуты по фазе на 120 градусов по отношению друг другу, то такую систему ЭДС называют симметричной, если сдвинуты на угол не равный 120-
Трехфазная система ЭДС создается трехфазными генераторами. В неподвижной части генератора (статоре) размещают три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120° (рис. 4.2). Это фазные обмотки, или фазы, которые обозначают А, В и С. Этими же буквами обозначают начала обмоток фаз генератора. Концы обмоток обозначают соответственно X, У и Z. На рис. 4.26 показано, как изображают на схемах обмотки генератора с условными положительными направлениями ЭДС.
Каждая
фазная обмотка генератора изображена
на рис. 4.2а одним витком (у реальных
генераторов каждая обмотка имеет
множество витков, расположенных в
нескольких соседних пазах, занимающих
некоторую дугу внутренней окружности
статора). На вращающейся части
генератора (роторе) располагают обмотку
возбуждения, которую подключают к
источнику постоянного тока. Ток обмотки
возбуждения создает магнитный поток
Ф
Применение систем трехфазного тока обладает некоторыми преимуществами перед однофазной системой:
При одинаковых напряжениях и мощностях потребителей и прочих равных условиях питание трехфазным током позволяет получить значительную экономию материала проводов по сравнению с тремя однофазными линиями.
При прочих равных условиях трехфазный генератор дешевле, легче и экономичнее, чем три однофазных генератора такой же суммарной мощностью. То же самое относится к трехфазным двигателям и трансформаторам.
Трехфазная система токов позволяет получить вращающееся магнитное поле с помощью трех неподвижных катушек.
При равномерной нагрузке трехфазный генератор создает на валу приводного двигателя постоянный момент, в отличии от однофазного генератора, у которого мощность и момент пульсируют с двойной частотой тока.
2._Сравните выражения для механической, электромагнитной и электрической мощностей в генераторном и двигательном режимах. Чем объясняется разница между ними?
Фотки в трубке
3. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с помощью полюсов переключаемых обмоток. Как изменяются при этом механические характеристики?
Регулирование
путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое
изменение частоты вращения. Для этой
цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие
одну фазу (рис. 266), переключаются так,
чтобы изменялось соответствующим
образом направление тока в них (например,
с последовательного согласного соединения
на встречное). При согласном включении
катушек (рис. 266, а) число полюсов равно
четырем, при встречном включении (рис.
266, б) — двум. Катушки двух других фаз,
сдвинутые в пространстве на 120°,
соединяются таким же образом. Такое же
уменьшение числа полюсов можно осуществить
при переключении катушек с последовательного
на параллельное соединение. При изменении
числа полюсов изменяется частота
вращения n
В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.
Преимущества трехфазных электрических цепей — Мегаобучалка
Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, разработанная русским учёным М.О.Доливо-Добровольским. В разработку трёхфазных систем большой вклад также внесли учённые Н.Тесла, Ф. Хазельвандер, М. Депре, Ч. Бредли и другие.
В настоящее время в энергетике трехфазные системы получили наибольшее распространение, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:
— экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния, т.к. вместо шести проводов ( про однофазной системе ) здесь требуется всего три провода;
— самым надежным и экономичным является трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и трёхфазный трансформатор;
— возможность получения вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного, асинхронного и линейного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств.
Простейший трехфазный генератор, изображённый на рис4.1а представляет собой три однофазных генератора, размещённые в одном корпусе. Статор генератора представляет собой полый цилиндр на внутренней поверхности которого имеются пазы в которых размещены три одинаковые обмотки ( фазы ). Эти обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120°. На рис. 4.1а каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными Х,У,Z. Ротор представляет собой постоянный электромагнит при вращении которого, в неподвижных обмотках статора индуцируются синусоидальные ЭДС (рис. 4.2.б).
Рис.4.1. а) упрощенная схема генератора б) временные диаграммы ЭДС в) векторная диаграмма фазных ЭДС
Основные соотношения
При включении обмотки возбуждения ротора в сеть постоянного тока по ней потечет ток, который создает постоянный магнитный поток. При вращении ротора первичным двигателем этот поток, согласно закону электромагнитной индукции, наведет в обмотках статора A, B, C три одинаковых по величине и частоте синусоидальных ЭДС, сдвинутых по фазе на угол 120° (рис. 4.1б).
Если ЭДС фазы А принять за исходную, т.е. совместить с вещественной осью комплексной плоскости (рис4.1в), то ЭДС других обмоток (фаз) генератора можно записать в виде:
;
Такая трехфазная система ЭДС называется симметричной системой.
Комплексы действующих значений фазных ЭДС в показательной форме запишутся в виде:
; ; .
Обозначим множитель через a и будем называть оператором трехфазной цепи.
Тогда:
;
.
Комплексы действующих значений ЭДС фаз можно записать и в виде
; ;
Пусть , тогда ,
Алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС (напряжений,токов) симметричной системы в любой момент времени равна нулю (рис. 4.1.б и 4.1.в):
,
или в комплексной форме (рис. 4.1. в)
или ,
Последовательность прохождения ЭДС через одинаковые значения (например, через нулевое значение) называют порядок следования фаз. Рассмотренная система ЭДС (рис4.1.б,в) образует прямой порядок следования фаз (АВС), в которой напряжение (ЭДС) сдвинуты на 120°. Если две фазы поменять местами (АСВ), то получим обратный порядок следования фаз (сдвиг фаз 240°). Если ЭДС всех трех фаз проходят через ноль одновременно, то имеем нулевой порядок следования фаз (сдвиг фаз 360°). Порядок следования фаз определяет характер (направление движения) магнитного потока и, следовательно, влияет на режим работы ассинхронного двигателя.
Рассмотрим способы соединения элементов трехфазных цепей.
Существуют различные способы соединения обмоток трехфазного генератора и нагрузки. Из них основные – «звезда» и « треугольник ». Соединением «звезда» называется такое соединение, когда начало трех фаз (X,Y,Z) объединяются в одну (нулевую) точку, а концы фаз (A,B,C) подсоединяются к линейным проводам (рис. 4.2. а).
В трехфазных цепях различают фазные и линейные величины напряжений и токов.
Провода, соединяющие генератор с нагрузкой, называются линейными проводами, а протекающие по ним токи – линейными токами ( , , ). (рис.4.2. а)
Напряжения между линейными проводами называются линейными (междуфазными) напряжениями ( , , — на источнике и , , -на нагрузке). (рис.4.2. а)
Протекающие по фазам генератора или приемника токи называются фазными токами ( , , ), а напряжения между началом и концом фаз называются фазными напряжениями ( , , — на генераторе и , , — на нагрузке).
При соединении звездой фазный ток равен соответствующему линейному току, т.к. фаза и линия включены последовательно:
.
Выразим линейные напряжения , , через фазные , , (рис.4.2б).
Для этого запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для трех контуров, образованных одним из линейных напряжений и двумя фазными напряжениями и из них выразим линейные напряжения (рис.4.2. б), получим:
Рис.4.2. а) Схема соединения генератора «звезда» б) векторная диаграмма фазных и линейных напряжений.
Схемы соединения трехфазных систем
Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.
Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:
фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
фаза как составная часть многофазной электрической системы.
Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.
Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.
Источником
трехфазного напряжения является
трехфазный генератор, на статоре которого
(см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка.
Фазы этой обмотки располагаются таким
образом, чтобы их магнитные оси были
сдвинуты в пространстве друг относительно
друга на 
эл.
рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно
показана в виде одного витка. Начала
обмоток принято обозначать заглавными
буквами А,В,С, а концы- соответственно
прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках
статора индуцируются в результате
пересечения их витков магнитным полем,
создаваемым током обмотки возбуждения
вращающегося ротора (на рис. 1 ротор
условно изображен в виде постоянного
магнита, что используется на практике
при относительно небольших мощностях).
При вращении ротора с равномерной
скоростью в обмотках фаз статора
индуцируются периодически изменяющиеся
синусоидальные ЭДС одинаковой частоты
и амплитуды, но отличающиеся вследствие
пространственного сдвига друг от друга
по фазе на 
рад.
(см. рис. 2).
Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:
— экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;
— самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
— возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;
— уравновешенность симметричных трехфазных систем.
Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.
Система
ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если
она состоит из m одинаковых по модулю
векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.),
сдвинутых по фазе друг относительно
друга на одинаковый угол 
.
В частности векторная диаграмма для
симметричной системы ЭДС, соответствующей
трехфазной системе синусоид на рис. 2,
представлена на рис. 3.
| |
Рис.3 | Рис.4 |
Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).
Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).
Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.
Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.
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
| (1) |
; ; | (2) |
| (3) |
. О
тметим,
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
| (4) |
Обычно
при расчетах принимается 
.
Тогда для случая прямого
чередования фаз 
, 
(при обратном
чередовании фаз фазовые
сдвиги у 
и 
меняются
местами). С учетом этого на основании
соотношений (1) …(3) могут быть определены
комплексы линейных напряжений. Однако
при симметрии напряжений эти величины
легко определяются непосредственно из
векторной диаграммы на рис. 7. Направляя
вещественную ось системы координат по
вектору 
(его
начальная фаза равна нулю), отсчитываем
фазовые сдвиги линейных напряжений по
отношению к этой оси, а их модули
определяем в соответствии с (4). Так для
линейных напряжений 
и 
получаем: 
; 
.
Особенности и преимущества трехфазных вводов в сравнении с однофазными
Вполне очевидно, что с каждым годом увеличивается количество электроэнергии, необходимое для эксплуатации бытовых приборов каждого отдельного потребителя.
Если в середине и даже конце прошлого века в частных домах и квартирах было 3-4 электрических прибора, то сегодня это количество достигает нескольких десятков. По этой причине вместо однофазных сетей человечество перешло к эксплуатации трёхфазных кабельных вводов.
Плюсы трехфазных вводов
Многие люди по каким-то причинам считают, что трехфазная сеть значительно увеличивает потенциально потребляемую мощность, а значит – позволяет подключать к питанию куда большее количество электрических приборов. Отчасти утверждение верное, но смысл кроется совсем в другом.
Максимальный уровень мощности сокрыт в условиях монтажа электрики. В большинстве случаев мощность трехфазной сети составляет 15 кВт, а однофазной – 10-15 кВт. Отсюда можно сделать вывод о том, что разница по мощности между ними не столь ощутима.
Тогда в чём разница? Дело в том, что если взять одно- и трёхфазную сети одинаковых мощностей, то во втором случае можно будет использовать провода куда меньшего сечения. Причина этого предельно ясна – мощность и ток распределён по всем трём фазам, благодаря чему оказывается и меньшая нагрузка на кабель с фазой. Также значительно меньше будет номинальной значение на вводном выключателе.
Минусы трёхфазных вводов
С другой стороны, габариты распределительного щита при замене электропроводки под трёхфазную сеть будут больше, чем в случае с однофазной, что во многом связано с размерами счётчиков. Автоматический выключатель также будет увеличен и займёт 3-4 модуля, так же, как и УЗО. Пожалуй, это – самый существенный недостаток при использовании таких сетей.
Но этот минус перекрывается тем, что к трёхфазной сети можно подключать асинхронные электроприводы и котлы. По сравнению с однофазными сетями, трёхфазных асинхронные приводы будут работать на более приемлемых параметрах, включая энергетические затраты, в то время как котлы не будут вызывать так называемого «перекоса фаз».
Однофазные сети часто страдают от перекоса фаз, из-за чего потребители электроэнергии, которые были подключены к неправильной фазе, испытывают проблемы с низким уровнем сетевого напряжения.
Если в однофазных напряжение равняется 220 В, то в трёхфазных сетях этот параметр составляет 380 В. По этой причине вы должны будете сделать акцент на электрической безопасности, поскольку в плане пожарной опасности трёхфазные сети – хуже однофазных.
В итоге мы имеем следующие недостатки:
- Обязательно наличие разрешения и тех. условий от компании, занимающейся поставкой электроэнергии. Его получение – процедура довольно-таки хлопотная!
- Высокий уровень пожарной опасности.
- Сравнительно большие габариты отдельных элементов сети.
- Обязательный монтаж модульных ограничителей.
Не забывайте, что электрическая безопасность очень важна.
Вернуться назад
В чём преимущества четырёхпроводной трёхфазной цепи перед трёхпроводной?
С 4-х проводной можно взять 220 и 380, с 3-х проводной только 380.
всегда есть возможность использовать одну фазу..
Преимущество 3-х проводного -в экономии металла провода, в остальном одни недостатки
При хорошей земле и с 3-х проводной можно взять220.
В трёхпроводной линии при сильном перекосе фаз на нейтрали приёмника может появиться опасное для жизни напряжение. Четвёртый провод эту проблему сглаживает.
Трехфазные трехпроводные сети используются для питания трехфазных силовых потребителей. К ним относятся трехфазные асинхронные двигатели и индукционные печи. Обычно комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников равны между собой. Такие приемники называют симметричными. а четырехпроводные — для питания преимущественно осветительных и бытовых нагрузок. В трехфазных системах различают фазные и линейные токи и напряжения. Фазное напряжение — напряжение между фазным и рабочим нулевым проводниками. Для сети 380/220 В оно равно 220 В. Линейное напряжение — напряжение между двумя фазными проводниками, и для сетей 380/220 В оно равно 380 В. Рабочим нулем называется проводник, который обеспечивает совместно с фазным проводником питание потребителя. При несимметричной нагрузке между нейтральными точками приемника и источника электроэнергии возникает напряжение смещения нейтрали, что и устраняет нулевой рабочий проводник.
Потребитель можно расположить дальше от ТП, нежели при четырехпроводной цепи. Т. к. линейное напряжение в трехпроводной сети 220В.