Что такое трехфазная система токов или напряжений

Обновлено: 18.04.2024

Что такое трехфазная система токов или напряжений

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.

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. 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)

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 основании, 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».

Чем трехфазное напряжение отличается от однофазного

Статья адресована начинающим электрикам. Я тоже когда-то был начинающим, и всегда рад поделиться знаниями и поднять профессиональный уровень моих читателей.

Очень коротко, для тех, кто не будет читать дальше: напряжение 380 В называется линейным и действует в трехфазной сети между любыми из трёх фаз. Напряжение 220 В называется фазным и действует между любой из трёх фаз и нейтралью (нулём).

Чем три фазы отличаются от одной?

Напряжения в трёхфазной системе

Так получается, потому что напряжения (при активной нагрузке , и ток) на трёх фазных проводах отличаются на треть цикла, т.е. на 120°.

Преимущества и недостатки

Обе системы питания имеют свои плюсы и минусы, которые меняются местами или становятся несущественными при переходе мощности через порог 10 кВт. Попробую перечислить.

Однофазная сеть 220 В, плюсы

Простота
Дешевизна
Ниже опасное напряжение

Однофазная сеть 220 В, минусы

Ограниченная мощность потребителя

Трехфазная сеть 380 В, плюсы

Трехфазная сеть 380 В, минусы

Дороже оборудование
Более опасное напряжение
Ограничивается максимальная мощность однофазных нагрузок

Когда 380, а когда 220?

Так почему же в квартирах у нас напряжение 220 В, а не 380? Дело в том, что к потребителям мощностью менее 10 кВт, как правило, подключают одну фазу. А это значит, что в дом вводится одна фаза и нейтральный (нулевой) проводник. В 99% квартир и домов именно так и происходит.

Не смотря на то, что есть способы включения трехфазной нагрузки в однофазную сеть, такие переделки резко снижают КПД двигателей, и иногда при прочих равных условиях можно за 220 В заплатить в 2 раза больше, чем за 380.

Пример трехфазного электрощитка. Потребители и трехфазные, и однофазные.

Поэтому в офисах, магазинах, и тем более на предприятиях применяют только трёхфазное питание. И, соответственно, трёхфазные счетчики, которые бывают прямого включения и трансформаторного включения (с трансформаторами тока).

Трехфазный ввод. Вводной автомат перед счетчиком.

Надеюсь, теперь понятно, что такое трехфазное напряжение 380 В и однофазное напряжение 220 В?

Схемы Звезда и Треугольник в трехфазной сети

Система распределения электроэнергии

На крупных предприятиях с потреблением мощности более 100 кВт обычно существуют собственные подстанции 10/0,4 кВ.

На рисунке упрощенно показано, как с генератора G напряжение (везде речь идёт про трехфазное) 110 кВ (может быть 220 кВ, 330 кВ или другое) поступает на первую трансформаторную подстанцию ТП1, которая понижает напряжение в первый раз до 10 кВ. Одна такая ТП устанавливается для питания города или района и может иметь мощность порядка от единиц до сотен мегаватт (МВт).

Трехфазный ввод. Переход на меньшее сечение проводов, чтобы подключить их к счетчику.

Почему в трёхфазной сети 2 напряжения — 380 и 220 вольт

Трёхфазная система переменного тока оказалась наиболее выгодной и удобной для передачи и использования электроэнергии, потому что:

Позволяет получать вращающееся магнитное поле для работы электродвигателей.
Экономически выгодная. Для получения того же вращающегося магнитного поля в многофазных системах, где больше трёх фаз – нужно прокладывать больше проводников для передачи энергии, а двухфазные системы не дают вращающегося магнитного поля. То есть 3 фазы – это золотая середина.
Кроме того, трёхфазная система позволяет получать два разных по величине напряжения без использования преобразователей и трансформаторов. Об этом в сегодняшней статье и пойдёт речь.

Какие напряжения в трёхфазной сети

Независимо от того однофазный ввод или трёхфазный – все дома и квартиры получают питание из одной и той же трёхфазной электросети с напряжением 220/380В, вернее, 230/400В, но сути дела это не меняет.

Подключение квартир в многоквартирном доме Подключение квартир в многоквартирном доме

При однофазном вводе в квартиру или дом от питающей линии заводят фазу и ноль, а при трёхфазном – три фазы и ноль. Ниже вы видите пример схемы подключения однофазных потребителей к трёхфазной сети.

Схема подключения однофазных потребителей в трёхфазной сети Схема подключения однофазных потребителей в трёхфазной сети

Если подключается трёхфазный потребитель с номинальным напряжением 380В, например, электродвигатель или трансформатор, у которого обмотки соединены звездой, то подключают 3 фазных провода без нулевого. В этом случае нулевой провод можно не подключать, потому что через него не будет протекать ток, но это допустимо только для симметричной нагрузки . При подключении несимметричных трёхфазных потребителей – дома и квартиры, или отдельные приборы в них, как котлы или электроплиты – подключение нулевого провода обязательно!

Но как же так получается, что в одной электросети и 380В и 220В?

При соединении обмоток источника питания звездой , неважно генератора или трансформатора, между фазными проводниками напряжение будет 380В, а между фазным и нулевым 220В.Напряжение между фазными проводниками называется линейным (Uл), а напряжение между фазным и нулевым проводником – фазным (Uф).

Почему при соединении звездой получается 2 напряжения

Давайте разберёмся почему между фазой и нулём 220, а между двумя фазами не 440 вольт (220+220), а 380. Для этого нужно обратиться к векторным диаграммам. Если изобразить три фазы в виде векторов, то мы получим три вектора исходящие из одной точки, отклонённые друг от друга на 120°, другими словами – трёхлучевую звезду.

Изобразим эти векторы в масштабе 1:10, то есть 1 миллиметр на диаграмме равен 10 вольтам. Каждая клетка на иллюстрации занимает 1х1 мм (на вашем экране, скорее всего, будет отображаться в другом размере, примите это как условность). На диаграмме А) изображены векторы трёх напряжений, фаз A , B и C жёлтым, зелёным и, длина каждого вектора 22 мм или 220В.

Чтобы найти напряжение между фазами, нужно соединить концы векторов каждой из фаз. Так добавим на диаграмме Б) векторы линейных напряжений Uaв, Uвс и Ucа соединив конец вектора Ua с концом вектора Uв , затем Uв с Uс , затем Uа с Uс соответственно.

Рассмотрим отдельно 2 напряжения, например, фаз А и С и линейное напряжение между ними (диаграмма В), и уберём ненужное (диаграмма Г).

Векторы напряжений фаз A (жёлтый) и В (зелёный) мы начертили по 22 мм, теперь измерим длину вектора линейного напряжения ( Uав), и получим 38,1 мм. Масштаб у нас был 1:10, значит, если перевести в вольты, то получим 220 и 381 вольт соответственно. Предлагаю самостоятельно начертить это и проверить сказанное.

Аналогичные значения мы получим, если вспомним школьную геометрию и вычислим длину стороны Uab, треугольника UаUвUab , через длины известных сторон и угол между ними. Формула для этого выглядит так:

В электротехнике такие расчёты обычно не используются, да и треугольник у нас равнобедренный, поэтому можно найти неизвестную сторону проще:

Косинус В – это косинус угла между вектором фазного напряжения Ua или U в и вектором линейного напряжения Uав, и равен этот угол 30° (180°-120°=2х30°).

То есть в схеме звезды линейное напряжение всегда больше фазного на корень из 3 раз или просто в 1.73 раза. Собственно эту формулу и используют в электротехнических расчётах. Если пересчитать по этому соотношению, то получим такой же результат как в прошлый раз:

Можете попробовать пересчитать всё это самостоятельно, только если будете умножать 220В на 1.73, то получите 380,6 вольт, небольшая разница обусловлена округлением.

Но не всегда в трёхфазной системе есть два напряжения. Если источник питания соединён по схеме треугольника, то его линейные и фазные напряжения равны . Такое встречается в специфичных схемах питания либо на линиях электропередач напряжением 6-10 кВ.

Можно представить трёхфазное напряжение не в виде векторов, а как три синусоиды сдвинутых на 120 градусов друг относительно друга на графике. Так как действующее значение фазного напряжения 220 вольт, то амплитуда каждой из синусоид будет в 1.41 раза больше (корень из двух) и равна 310 вольтам.

График трёхфазного напряжения График трёхфазного напряжения

Фазы A , B и C изображены жёлтой, зелёной и красной синусоидой соответственно. Напряжение отложено по вертикальной оси, а по горизонтальной – время.

График трёхфазного напряжения с измеренными амплитудными фазным и линейным напряжениям График трёхфазного напряжения с измеренными амплитудными фазным и линейным напряжениям

Если измерять напряжение между фазами (на рисунке выше между зелёной и жёлтой синусоидой), то в точке, где будет наибольшее расстояние между ними, мы увидим число около 540 вольт – это амплитудное значение, вычислив действующее, получим: 540/1,41=383 вольта, что очень близко к нашим линейным 380.

Таким образом, мы рассмотрели два представления трёхфазного напряжения – в виде векторной диаграммы и в виде временной диаграммы (графика), и наглядно увидели как соотносятся фазы в трёхфазной сети и откуда в ней два напряжения.

Повторюсь, что при соединении обмоток источника питания треугольником у нас будет одно напряжение, там просто нет общей точки соединения обмоток и неоткуда брать нулевой проводник.

Что у нас на практике

Как получается два напряжения в трёхфазной сети мы разобрались, теперь давайте разберёмся, как это используется на практике.

В быту большая часть электроприборов питается однофазным напряжением. Напряжение в электросети стандартизировано — 230В с частотой 50 Гц, и вся бытовая техника рассчитана на питание именно этим напряжением. Если прибору необходимо пониженное напряжение, например, 5, 12, 19, 36 вольт или любая другая величина, то у него есть либо встроенный, либо выносной блок питания, который, собственно, и формирует нужное напряжение.

При необходимости подключения мощных приборов, например, электрических котлов и плит, сварочного оборудования, станков и прочего возникает проблема — большой ток. Например, обычная розетка рассчитана на ток до 16А, который длительно может проводить кабель с сечением токопроводящих жил 2.5 мм², через неё можно запитать приборы мощностью до 3.5 кВт.

Поэтому мощные приборы зачастую подключают отдельной линией напрямую к автоматическому выключателю или через силовые розетки на 32А. Но для такого тока нужно использовать кабель с сечением токопроводящих жил уже 6 мм² и более. При этом максимальная нагрузка в такой линии — 7 кВт.

При подключении нагрузки на линейное напряжение, то есть к двум проводам питающей сети между которыми 380В и потребляемом токе в те же 32А, мощность подключаемой нагрузки будет уже около 12 кВт. То есть кабель с таким же сечением жил сможет питать почти в 2 раза более мощную нагрузку. А у трёхфазного прибора при том же токе в 32А мощность будет уже 21 кВт.

И учтите, что для его подключения не понадобится прокладывать ЛЭП с более толстыми проводами, не придётся прокладывать от распределительного щита питающих кабелей с толстыми жилами и так далее. Тогда как в однофазной цепи прибор мощностью в 21 кВт будет потреблять ток около 95А, а для его питания нужно будет использовать кабель с жилами на 25 мм² против 6-8 мм² и 32А в трёхфазной цепи.

Для снижения питающего тока мощные электроприборы производят трёхфазными. Но не всегда прибор, рассчитанный на 380В, трёхфазный. Есть однофазные потребители с номинальным напряжением 380В, например, сварочные трансформаторы типа ТСМ-250 и другие подобные.

Из характеристик мы видим, что напряжение питающей сети 1х380. То есть его первичная обмотка подключается к двум фазам. Любопытно что многие называют подобные трансформаторы «двухфазными», но это в корне неверно. На первичную обмотку действует одна ЭДС, так же, как и в любом другом однофазном приборе.

Ничего выдающегося здесь нет, и такое напряжение первичной обмотки выбрано с той же целью – снизить ток питания, что позволит намотать обмотку проводом меньшего сечения и использовать кабели с меньшим сечением ТПЖ для подключения к сети.

Если бы он был рассчитан на питание от 220В, то в режиме максимальной нагрузки ток потребления составил бы 16 000/220 = 72А, а при питании от 380В ток будет не более: 16 000/380 = 42А.

Таким образом, наличие двух напряжений в трёхфазной сети позволяет подключать электрооборудование любой мощности и различной конфигурации. Что, безусловно, повышает гибкость и удобство использования этой системы питания.

Трёхфазный ток. Фазное и линейное напряжение. Перекос фаз.

В прошлой статье я обещал рассказать что такое трёхфазный ток и что такое фазное и линейное напряжение. Пожалуй, начнём.

Что такое полная фаза колебания? - это аргумент периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс.

Так же существует ещё и начальная фаза колебания. Это значение полной фазы в начальный момент времени, т. е. при t=0.

Математически это выражается так:

изображение автора изображение автора

При однофазном токе пси=0. Когда же мы начинаем рассматривать трёхфазный ток, то тут появляется сразу три разные линии с пси равным 0, 120 и соответственно 240 гр., т.е. фазы повёрнуты друг относительно друга на 120 гр.

Теперь рассмотрим устройство трёхфазного генератора:

изображение из открытых источников. изображение из открытых источников.

Следовательно в статоре генератора размещены 3 обмотки, сдвинутые относительно друг-друга на 120 гр.

Магнит, размещённый на роторе, обычно на роторе стоит отдельная обмотка, вращаясь создаёт вращающееся магнитное поле. При этом в обмотках статора наводится ЭДС, индуцирующее ток в соответствующих обмотках.

Обмотки соединяются либо по схеме "треугольник":

изображение из открытых источников изображение из открытых источников

Либо по схеме "звезда"

изображение из открытых источников изображение из открытых источников

Схема "звезда" чаще всего применяется в низковольтных сетях 380/220В.

Фазное и линейное напряжение

Фазным напряжением называется напряжение, измеренное между любым из фазных проводников и нейтралью.

Линейным напряжением называется напряжение, измеренное между любыми парами фаз.

Так как в схеме "треугольник" нейтральный проводник отсутствует, следовательно напряжение там линейное.
Ниже приводятся функции фазного напряжения на каждой из фаз.

изображение автора изображение автора

Линейное же напряжение выглядит так:

изображение автора изображение автора

При этом линейное и фазное напряжение соотносятся между собой так:

изображение автора изображение автора

Перекос фаз

А это вообще весьма распространённое явление. Его основная причина - не симметрия фазных нагрузок. Дело в том, что в случае, когда токи во всех фазах одинаковы в нулевом проводнике ток отсутствует. Он попросту говоря в такой ситуации не нужен. Но в условиях современных реалий добиться одинаковых токов во всех трёх фазах практически невозможно.
В результате, вследствие наличия тока в нулевом проводе на нём появляется некоторое напряжение, зависит оно ещё и от сопротивления самого провода. Это приводит к изменению фазных напряжений. При этом на наиболее загруженной фазе напряжение будет наименьшим, а на наименее загруженной - наибольшим.

На рисунке ниже приведена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений при симметричной нагрузке:

В чем отличие трёхфазного напряжения от однофазного?

Практически каждый из наc слышал понятия «однофазный» и «трехфазный», но далеко не все представляют себе, чем эти понятия отличаются друг от друга. Сегодня мы выясним, чем однофазное напряжение отличается от трехфазного и в каких сферах предпочтительнее использовать ту или иную схему питания.

Однофазное напряжение

Начнем с одной фазы. Как известно, в наших розетках присутствует переменное напряжение величиной 220 (по новым стандартам 230) В и частотой 50 Гц. Подается оно по двум проводам – фазному и нулевому. Первый находится под напряжением, второй заземлен на подстанции. Логично предположить, что при подключении нагрузки, ток будет течь в направлении от фазного провода к нулевому.

Но это не совсем так. Точнее, совсем не так. Напряжение на фазном проводе сначала поднимается относительно нулевого до величины 220 В, а потом становится ниже на 220 В относительно него же. В этом случае говорят, что напряжение «меняет полярность или потенциал». Получается, что потенциал на фазном проводе сначала выше относительно земли, потом ниже. В результате ток течет сначала в одну сторону, потом в другую. Отсюда и понятие «переменный». А 50 Гц означает, что смена полярности на фазном проводе происходит с частотой 50 раз в секунду.

Важно! На самом деле напряжение на фазном проводе повышается и понижается относительно нулевого провода на величину 311 В. Это так называемое амплитудное или мгновенное значение Um. А 220 В, к которому мы привыкли и которое показывает вольтметр, – это действующее, грубо говоря, усредненное значение (Uд). Ведь напряжение изменяет полярность не мгновенно, а плавно, по синусоиде. Но для понимания процесса это несущественно.

Осциллограмма переменного тока Осциллограмма переменного тока

Трехфазное напряжение

Трехфазная сеть состоит из четырех проводов – одного нулевого и трех фазных. Каждая фаза трехфазной сети ведет себя точно так же, как описано выше. Напряжение на фазном проводе плавно изменяет полярность с частотой 50 раз в секунду. Величины напряжения при этом остаются такими же, и действующее напряжение между каждой из фаз и нулевым проводом составляет все те же 220 (230) В.

В чем тогда разница, взять 3 розетки – вот и трехфазная сеть. А разница в том, что смена полярности в фазах настоящей трехфазной сети сдвинута во времени одна относительно другой. Если мы возьмем осциллограммы, снятые с трех фаз, и наложим их друг на друга, то получим следующую картину:

Осциллограмма трехфазной сети переменного тока Осциллограмма трехфазной сети переменного тока

Нетрудно заметить, что фазы сдвинуты одна относительно другой на треть периода, то есть идут как бы одна за другой. Если мы возьмем три розетки из одной однофазной сети, то такую картину мы, конечно, не получим.

Есть и еще одна особенность трехфазной сети. Если измерить напряжение между двумя любыми фазами , то мы получим 380 (по новым стандартам 400) В! Происходит это все из-за того же сдвига фаз. Когда на одной фазе напряжение максимальное (310 относительно нуля), на любой другой фазе оно имеет противоположный знак и величину порядка 150 В – это хорошо видно из приведенного выше графика. 310 + 150 = 460 В. Но если внимательно изучить рисунок, то можно найти момент, где разница напряжений между фазами имеет еще большую величину. Максимальная же цифра будет 537 вольт – это мгновенное (амплитудное) значение. А вольтметр нам покажет действующее – 380 В. Эти оба напряжения называются межфазными или линейными.

Результат сложения напряжений двух фаз F1 и F2 даст 537 В мгновенного и 380 В действующего напряжений Результат сложения напряжений двух фаз F1 и F2 даст 537 В мгновенного и 380 В действующего напряжений

Интересно! Если мы возьмем ноль и одну из фаз, то получим обычную однофазную сеть с действующим напряжением 220 В, которое называется фазным. Именно так и делают электросети, питая наши квартиры. В дом заводится трехфазная сеть, а квартиры подключаются к нулю и одной из фаз, распределяя нагрузку равномерно по всем трем фазам. Таким образом, из трехфазной сети можно получить три однофазные, но из трех однофазных, взятых из одного источника, никак не сделать трехфазную.

Трехфазная сеть – лучше или хуже?

Для начала рассмотрим финансовую часть вопроса. При использовании однофазной сети мы экономим на кабеле – 2 жилы вместо четырех. Дополнительная экономия на системах защиты. Однофазный автомат, УЗО и другие системы коммутации и защиты стоят много меньше трехфазных собратьев. Кроме того, при однофазном питании существенно упрощается конструкция оборудования – не нужны трехфазные трансформаторы и преобразователи, нагреватели и электродвигатели.

Но все это хорошо, пока потребляемая оборудованием мощность не достигнет определенных границ. При энергопотреблении выше 12 кВт однофазная сеть начинает «буксовать». Потери при передаче энергии, к примеру, по однофазной схеме будут в 6 раз превышать потери трехфазных линий.

Именно поэтому мощные генераторы, трансформаторы и линии электропередач как высоковольтные, так и низковольтные, строятся по трехфазной схеме. Мощные потребители обычно тоже питаются трехфазным напряжением. Это позволяет увеличить КПД и силовые характеристики того же двигателя и устранит так называемый «перекос фаз».

Интересно! Автомобильные генераторы тоже трехфазные. Такой подход позволил существенно уменьшить массогабаритные показатели устройства, сохранив достаточно высокую его мощность.

Жилые дома, как было отмечено выше, тоже питаются по трехфазной линии, хотя потребители получают лишь одну – домовой электрик просто «разбрасывает» квартиры по разным фазам, используя общий ноль. Ну и, конечно, все высоковольтные линии электропередач выполняются по трехфазной схеме.

Вот мы и выяснили, чем отличается однофазная сеть от трехфазной. После прочтения этой статьи, думается, вопросов по этой теме не останется даже у самого неподготовленного в плане электрики посетителя нашего ресурса.

Особенности трехфазного тока

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.

Принцип действия трехфазного генератора

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.

Подключение звездой

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.

Вам это будет интересно Как вычислить реактивную и активную мощность

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.

Асинхронный двигатель

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.

Схема подключения трехфазного тока

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.

Вам это будет интересно Особенности двухзонного счетчика

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.

Вам это будет интересно Технические характеристики и виды электронных диммеров

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.

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.

ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК

— переменный ток, получающийся от сочетания трех самостоятельных однофазных токов, сдвинутых по фазе один относительно другого на 1/3 периода.

Самойлов К. И. Морской словарь. - М.-Л.: Государственное Военно-морское Издательство НКВМФ Союза ССР , 1941

Смотреть что такое "ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК" в других словарях:

переменный ток — ▲ физические колебания ↑ электрический ток трехфазный. многофазный. выпрямитель преобразователь переменного электрического тока в постоянный. реактор. фазоинвертор. фазокомпенсатор. аттенюатор … Идеографический словарь русского языка

РЕНТГЕНОТЕХНИКА — РЕНТГЕНОТЕХНИКА. Содержание: Рентгеновские трубки. 659 Трансформаторы. 665 Работа трубки и требования к аппаратам . 668 Выпрямители тока. 6 70 Аппараты. 671 Методы измерения лучен … Большая медицинская энциклопедия

Читайте также: