Пример 8. В трехфазную сеть включили треугольником несимметричную нагрузку

Одним из видов систем с множеством фаз, представлены цепи, состоящие из трех фаз. В них действуют электродвижущие силы синусоидального типа, возникающие с синхронной частотой, от единого генератора энергии, и имеют разницу в фазе.

Электрическое напряжение трехфазных сетей Под фазой, понимаются самостоятельные блоки системы с множеством фаз, имеющие идентичные друг другу параметры тока. Поэтому, в электротехнической области, определение фазы имеет двойное толкование.

Во-первых, как значение, имеющее синусоидальное колебание, а во-вторых, как самостоятельный элемент в электросети с множеством фаз. В соответствии с их количеством и маркируется конкретная цепь: двухфазная, трехфазная, шестифазная и т.д.

Сегодня в электроэнергетике, наиболее популярными являются цепи с трехфазным током.Они обладают целым перечнем достоинств, выделяющих их среди своих однофазных и многофазных аналогов, так как, во-первых, более дешевы по технологии монтажа и транспортировки электроэнергии с наименьшими потерями и затратами.

Во-вторых, они имеют свойство легко образовывать движущееся по кругу магнитное поле, которое является движущей силой для асинхронных двигателей, которые используются не только на предприятиях, но и в быту, например, в подъемном механизме высотных лифтов и т.д.

Электрические цепи, имеющие три фазы, позволяют одновременно пользоваться двумя видами напряжения от одного источника электроэнергии – линейным и фазным.

Что такое фазное и линейное напряжение

Для некоторых людей, далёких от электротехники, определяющим словом здесь является «напряжение», однако на самом деле всё не так. Рассмотрим основные определения этих терминов.

Фазным называется напряжение между любым из трёх токоведущих проводников и нулём. Оно равно 220 В.

Фазное прикосновение – замыкание на нулевой и фазный провод

Линейным называют напряжение между двумя фазными проводниками. Оно равно 380 В, т.е. в 1.73 раза выше фазного. Что касается обозначений, то линейное напряжение можно определить по двум литерам (по наименованию фазы) после U (напряжение). Например UAB, UBC, или UCA, либо просто Uл.

Линейное замыкание между двумя фазными проводниками

Переменное напряжение и его величины

Напряжение различают по роду тока: переменное и постоянное. Переменное может быть разной формы, основная суть в том, что с течением времени изменяется его знак и величина. У постоянного знак всегда одной полярности, а величина может быть стабилизированной или нестабилизированной.

В наших розетках напряжение переменное синусоидальной формы. Выделяют разные его значения, чаще всего используются понятия мгновенное, амплитудное и действующее. Как понятно из названия, мгновенное напряжение — это количество вольт в конкретный момент времени. Амплитудное – это размах синусоиды относительно нуля в вольтах, действующее — это интеграл от функции напряжения по времени, соотношение между ними такое: действующее в √2 или 1,41 раз меньше амплитудного. Вот как это выглядит на графике:

Использование трёхфазных линий в многоквартирных домах

Не все знают, что в многоквартирные дома также подведено 380 В. Именно это позволяет работать магазинам и различным мастерским на первых или цокольных этажах. В подъездных щитах трёхфазная цепь распределяется поквартирно, в результате чего на каждую из них приходится одна фаза и ноль. Именно они и обеспечивают фазное напряжение 220 В.

Так трёхфазная сеть разбивается на три однофазных

При необходимости подключения в квартире оборудования, требующего напряжения 380 В, владелец может обратиться с заявлением в управляющую компанию. Специалист определит возможность подобного подключения, после чего можно будет провести в квартиру трёхфазную линию, предварительно заменив прибор учёта электроэнергии на соответствующий.

Трёхфазный прибор учёта электроэнергии значительно крупнее однофазного

Напряжение в трехфазных цепях

В трёхфазных цепях выделяют два вида напряжения – линейное и фазное. Чтобы разобрать их отличия нужно взглянуть на векторную диаграмму и график. Ниже вы видите три вектора Ua, Ub, Uc – это вектора напряжений или фаз. Угол между ними 120°, иногда говорят 120 электрических градусов. Этот угол соответствует таковому в простейших электрических машинах между обмотками (полюсами).

Если отразить вектор Ub так, чтобы сохранился его угол наклона, но начало и конец поменялись местами, его знак изменится на противоположный. Тогда установим начала вектора –Ub в конец вектора Ua, расстояние между началом Ua и концом –Ub будет соответствовать вектору линейного напряжения Uл.

Простыми словами мы видим, что величина линейного напряжения больше чем фазного. Давайте разберем график напряжений в трёхфазной сети.

Красной вертикальной линией выделено линейное напряжение межу фазой 1 и фазой 2, а желтой линией выделено фазное амплитудное фазы 2.

КРАТКО:

Линейное напряжение измеряется между фазой и фазой, а фазное между фазой и нулём.

С точки зрения расчетов, разница между напряжениями обуславливается решением этой формулы:

Линейное напряжение больше фазного в √3 или в 1,73 раза.

Нагрузка к трёхфазной сети может быть подключена по трём или четырем проводам. Четвертый проводник – нулевой (нейтральный). В зависимости от типа сеть может быть с изолированной нейтралью и глухозаземленной. Вообще при равномерной нагрузке три фазы можно подать и без нулевого провода. Он нужен для того, чтобы напряжения и токи распределялись равномерно и не было перекоса фаз, а также в качестве защитного. В глухозаземленных сетях, при пробое на корпус выбьет автоматический разъединитель или перегорит предохранитель в щите, так вы избежите опасности поражения электрическим током.

Отлично то, что в такой сети у нас одновременно есть два напряжения, которые можно использовать исходя из требований нагрузки.

Для примера:

обратите внимание на электрический щиток в подъезде вашего дома. К вам приходит три фазы, а в квартиру заведена одна из них и ноль. Таким образом, вы получаете в розетках 220В (фазное), а между фазами в подъезде 380В (линейное).

Вычисление соотношения между фазным и линейным напряжением

Для расчёта соотношения следует знать линейные параметры. Все вычисления производятся по формуле:12UAB=UA cos 30˚, либоUAB=2√3/2×UA=√3×UA. Таким образом, делаем вывод, что окончательная формула выглядит следующим образом –Uл=√3×UФ.

На первый взгляд может показаться, что формулы слишком сложны, однако это не так. С другой стороны, домашнему мастеру практически нет смысла заниматься подобными расчётами. Достаточно обычной проверки напряжения на каждой из фаз обычным мультиметром.

Мультиметр незаменим при электромонтажных работах

Три одинаковых резистора соединены треугольником (рис. 12, а).

Симметричная система линейных напряжений UАВ=UBC=UCA=220 В не изменяется при отключении рубильников 1 и 2 и изменении нагрузки. При замкнутых рубильниках 1 и 2 линейные токи Iл = 1 А.

Требуется построить топографические диаграммы цепи и векторные диаграммы токов для следующих режимов:

Симметричный режим (рубильник 1 и 2 замкнуты).

Рубильник 1 разомкнут, рубильник 2 замкнут.

Рубильник 2 разомкнут, рубильник 1 замкнут.

Рубильники 1 и 2 замкнуты, и резистр в фазе bc заменен конденсатором с емкостным сопротивлением, равным сопротивлению резистора.

Для симметричного режима топографическая диаграмма цепи и векторная диаграмма токов показаны на рис. 12, б и в. Токи в фазах приемника в раз меньше линейных токов:. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами напряжений (активная нагрузка). Линейные токи определяются как разности фазных токов:

При разомкнутом рубильнике 1 ток Ibc=0 Потенциал точки b’ одинаков с потенциалом точки с. Токи остаются без изменения, поэтому прежнее значение имеет и ток Токи

Векторная диаграмма токов приведена на рис. 12, г.

При разомкнутом рубильнике 2 и замкнутом рубильнике 1 резисторы в ветвях са и аb соединены последовательно. На

каждый из этих резисторов приходится половина линейного напряжения Ubc. На топографической диаграмме (рис. 12, д) точка а располагается на середине отрезка bc. Напряжение между разомкнутыми концами фазы А, т. е.

Напряжения на резисторах ветвей са и аb по сравнению с симметричным режимом уменьшаются в 2 раза. Во столько же раз уменьшают токи в этих ветвях:

Токи находим по векторной диаграмме (рис. 12, е):

Топографическая диаграмма цепи та же, что и в первом случае. Векторная диаграмма токов приведена на рис. 2, ж. Из нее находим:

Для чего требуется проверка напряжения фаз перед включением

При подключении оборудования, требующего напряжения 380 в (к примеру, асинхронного электродвигателя) следует проверить напряжение на каждой из трёх фаз и сравнить показатели. Особенно это касается частных секторов, где напряжение нестабильно или электромонтёры имеют недостаточную квалификацию. Дело в том, что в деревнях часто не обращают внимания на распределение нагрузки. В результате подобных действий одна из фаз может быть перегружена при минимальной нагрузке на остальные. Вкупе с устаревшими трансформаторами это приводит к перекосу фаз. Получается, что на одной из фаз напряжение значительно снижается. Это приводит к перегреву трёхфазных двигателей или иного оборудования и выходу его из строя.

Такой перекос явно не пойдёт на пользу оборудованию, работающему от трёх фаз

Виды напряжения

Знание их особенностей и характеристик эксплуатации, крайне необходимо для манипуляций в электрощитах и при работе с устройствами, питаемыми от 380 вольт:

1. Линейное.Его обозначают как межфазный ток, то есть проходящий между парой контактов или идентичными клеймами разных фаз. Оно определяется разностью потенциалов пары фазных контактов.
2. Фазное.Оно появляется при замыкании начального и конечного выводов фазы. Также, его обозначают как ток, возникающий при замыкании одного из контактов фазы с нулевым выводом. Его величина определяется абсолютным значением разности выводов от фазы и Земли.

Отличия

В обычной квартире, или частном доме, как правило, существует только однофазный тип сети 220 вольт, поэтому, к их щиту электропитания, подведены в основном два провода – фаза и ноль, реже к ним добавляется третий – заземление.

К высотным многоквартирным зданиям с офисами, гостиницами или торговыми центрами, подводится сразу 4 или 5 кабелей электропитания, обеспечивающих три фазы сети 380 вольт.

Почему такое жесткое разделение? Дело в том, что трехфазное напряжение, во-первых, само отличается повышенной мощностью, а во-вторых, оно специфически подходит для питания особых сверхмощных электродвигателей трехфазного типа, которые используются на заводах, в электролебедках лифтов, эскалаторных подъемниках и т.д.

Такие двигатели при включении в трехфазную сеть вырабатывают в разы большее усилие, чем их однофазные аналоги тех же габаритов и веса.

Проводить разводку проводки такого типа можно без использования профессионального оборудования и приборов, достаточно обычных отверток с индикаторами.

Соединяя проводники не нужно монтировать нулевой контакт, ведь вероятность пробоя очень мала, благодаря не занятой нейтрали.

Но такая схема сети имеет и свое слабое место, так как в линейной схеме монтажа крайне сложно найти место повреждения проводника в случае аварии или поломки, что может повысить риск возникновения пожара.

Таким образом, главным отличием между фазным и линейным типами являются разные схемы подключения проводов обмоток источника и потребителя электроэнергии.

Схемы подключения трёхфазных двигателей

Существует два способа подключения к трёхфазной сети, причём это касается не только электродвигателей. Нагревательные элементы также можно подключить «звездой» или «треугольником». Попробуем понять, в чём заключается различие между ними.

Электродвигатель можно подключить двумя способами

«Звезда» и её особенности

Соединение «звезда» представляет собой следующее: к началу каждой обмотки подключается фазный провод, а все концы соединяются между собой. При этом в месте соединения образуется «технический ноль». Он крайне нестабилен, а потому не используется в электрической цепи.

Подобное соединение не позволяет двигателю выйти на полную мощность, однако это способствует увеличению срока службы оборудования. Также, в защиту подобного соединения можно сказать, что пуск двигателя будет очень плавным, оборудование сможет переносить кратковременные перегрузки и меньше нагреваться. Поэтому, если максимальная мощность электромотора не требуется, лучше всего выбрать именно способ подключения «звездой».

Соединение «звезда» поможет увеличить срок службы электромотора

«Треугольник»: плюсы и минусы способа подключения

Здесь обмотки соединяются последовательно. Начало одной из них коммутируется с концом другой. Такой вариант имеет определённые недостатки, такие, как высокие пусковые токи и перегрев при длительной работе. Однако есть здесь и значительные преимущества перед соединением «звезда». Оборудование, при подобном подключении, выдаёт максимальную мощность, что зачастую становится решающим критерием при выборе способа монтажа. Электродвигатели, подключённые «треугольником» развивают максимальный крутящий момент. Чаще всего соединение «треугольник» используют для подключения агрегатов с большой мощностью, например, станков в промышленных цехах.

Соединение «треугольник» позволяет использовать максимальную мощность оборудования

Комбинированный вариант соединения

В некоторых случаях используется комбинированный вариант «звезда-треугольник». Электродвигатель мягко запускается на соединении «звезда», а после того, как набирает необходимые обороты, реле переключает его на «треугольник». Однако не все двигатели можно подключить подобным образом. К примеру, существуют электромоторы, имеющие всего 3 вывода в контактной группе. Они изначально изготовлены под соединение «звезда» и подключить их «треугольником» невозможно.

Комбинированное соединение подойдёт не для всех типов двигателей

Если объединить распространённые типы включения в трёхфазную сеть, можно увидеть следующую картину.

Наиболее распространённые типы включения в трёхфазную сеть