Как течет ток в трехфазной сети

Трехфазный переменный ток

В настоящее время во всем мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока .

Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода ( φ =2 π /3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током .

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока . По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики зависимости от времени ЭДС, индуцированных в обмотках якоря генератора трехфазного тока

Как осуществляется подобный генератор легко понять из схемы на рис. 2.

Рис. 2. Три пары независимых проводов, присоединенных к трем якорям генератора трехфазного тока, питают осветительную сеть

Здесь имеются три самостоятельных якоря, расположенных на статоре электрической машины и смещенных на 1/3 окружности (120 о ). В центре электрической машины вращается общий для всех якорей индуктор, изображенный на схеме в виде постоянного магнита.

В каждой катушке индуцируется переменная ЭДС одной и той же частоты, но моменты прохождения этих ЭДС через нуль (или через максимум) в каждой из катушек окажутся сдвинутыми на 1/3 периода друг относительно друга, ибо индуктор проходит мимо каждой катушки на 1/3 периода позже, чем мимо предыдущей.

Каждая обмотка трехфазного генератора является самостоятельным генератором тока и источником электрической энергии. Присоединив провода к концам каждой из них, как это показано на рис. 2, мы получили бы три независимые цепи, каждая из которых могла бы питать те или иные электроприемники, например электрические лампы.

В этом случае для передачи всей энергии, которую поглощают электроприемники, требовалось бы шесть проводов. Можно однако, так соединить между собой обмотки генератора трехфазного тока, чтобы обойтись четырьмя и даже тремя проводами, т. е. значительно сэкономить проводку.

Первый из этих способов, называется соединением звездой (рис. 3).

Рис. 3. Четырехпроводная система проводки при соединении трехфазного генератора звездой. Нагрузки (группы электрических ламп I, II, III) питаются фазными напряжениями.

Будем называть зажимы обмоток 1, 2, 3 началами, а зажимы 1 ‘ , 2 ‘ , 3 ‘ — концами соответствующих фаз.

Соединение звезд заключается в том, что мы соединяем концы всех обмоток в одну точку генератора, которая называется нулевой точкой или нейтралью , и соединяем генератор с приемниками электроэнергии четырьмя проводами: тремя так называемыми линейными проводами , идущими от начала обмоток 1, 2, 3, и нулевым или нейтральным проводом , идущим от нулевой точки генератора. Такая система проводки называется четырехпроводной .

Напряжения между нулевой точкой и началом каждой фазы называют фазными напряжениями , а напряжения между началами обмоток, т, е. точками 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1, называют линейными . Фазные напряжения обычно обозначают U1 , U 2 , U 3 , или в общем виде U ф, а линейные напряжения — U12, U23 , U 31 , или в общем виде U л.

Между амплитудами или действующими значениями фазных и линейных напряжений при соединении обмоток генератора звездой существует соотношение U л = √ 3 U ф ≈ 1,73 U ф

Таким образом, например, если фазное напряжение генератора U ф = 220 В, то при соединении обмоток генератора звездой линейное напряжение U л — 380 В.

В случае равномерной нагрузки всех трех фаз генератора, т. е. при приблизительно одинаковых токах в каждой из них, ток в нулевом проводе равен нулю . Поэтому в этом случае можно нулевой провод упразднить и перейти к еще более экономной трехпроводной системе. Все нагрузки включаются при этом между соответствующими парами линейных проводов.

При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе не равен нулю, но, вообще говоря, он слабее, чем ток в линейных проводах. Поэтому нулевой провод может быть тоньше, чем линейные.

При эксплуатации трехфазного переменного тока стремятся сделать нагрузку различных фаз по возможности одинаковой. Поэтому, например, при устройстве осветительной сети большого дома при четырехпроводной системе вводят в каждую квартиру нулевой провод и один из линейных с таким расчетом, чтобы в среднем на каждую фазу приходилась примерно одинаковая нагрузка.

Другой способ соединения обмоток генератора, также допускающий трехпроводную проводку — это соединение треугольником, изображенное на рис. 4.

Рис. 4. Схема соединения обмоток трехфазного генератора треугольником

Здесь конец каждой обмотки соединен с началом следующей, так что они образуют замкнутый треугольник, а линейные провода присоединены к вершинам этого треугольника — точкам 1, 2 и 3. При соединении треугольником линейное напряжение генератора равно его фазному напряжению : U л = U ф.

Таким образом, переключение обмоток генератора со звезды на треугольник приводит к снижению линейного напряжения в √ 3 ≈ 1,73 раза . Соединение треугольником также допустимо лишь при одинаковой или почти одинаковой нагрузке фаз. Иначе ток в замкнутом контуре обмоток будет слишком силен, что опасно для генератора.

При применении трехфазного тока отдельные приемники (нагрузки), питающиеся от отдельных пар проводов, также могут быть соединены либо звездой, т. е. так, что один конец их присоединен к общей точке, а оставшиеся три свободных конца присоединяются к линейным проводам сети, либо треугольником, т. е. так, что все нагрузки соединяются последовательно и образуют общий контур, к точкам 1, 2, 3 которого присоединяются линейные провода сети.

На рис. 5 показано соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки, а на рис. 6 — при четырехпроводной системе проводки (в этом случае общая точка всех нагрузок соединяется с нулевым проводом).

На рис. 7 показана схема соединения нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки.

Рис. 5. Соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки

Рис. 6. Соединение нагрузок звездой при четырехпроводной системе проводок

Рис. 7. Соединение нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки

Практически важно иметь в виду следующее. При соединении нагрузок треугольником каждая нагрузка находится под линейным напряжением, а при соединении звездой — под напряжением, в √ 3 раз меньшим. Для случая четырехпроводной системы это ясно из рис. 6. Но то же имеет место в случае трехпроводной системы (рис. 5).

Между каждой парой линейных напряжений здесь включены последовательно две нагрузки, токи в которых сдвинуты по фазе на 2 π /3. Напряжение на каждой нагрузке равно соответствующему линейному напряжению, деленному на √ 3 .

Таким образом, при переключении нагрузок со звезды на треугольник напряжения на каждой нагрузке, а следовательно, и ток в ней повышаются в √ 3 ≈ 1,73 раза. Если, например, линейное напряжение трехпроводной сети равнялось 380 В, то при соединении звездой (рис. 5) напряжение на каждой из нагрузок будет равно 220 В, а при включении треугольником (рис. 7) будет равно 380 В.

При подготовке статьи использовалась информация из учебника физики под редакцией Г. С. Ландсберга.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Трехфазный ток

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:

• звезда;
• треугольник.

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.

Три фазы — как это работает с нулем и без нуля (нейтрали)

Три фазы — это основные части многофазной системы электрических цепей. Все мы знаем, что в наши дома электроэнергия поступает по двум проводам — фазе (фазный провод) и нулю (нейтральный провод). Но как правило у большинства людей понимание протекающих процессов ограничивается несколькими базовыми примерами, и часто оно не верное. В данном обзоре мы постараемся разобраться по возможности простыми словами с тремя фазами — особенностью протекания тока в трехфазной системе с нейтральным проводом и без него.

Три фазы — основы

Трехфазная цепь — это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе одна от другой на угол 120° (2π/3) и создаваемые общим источником энергии. Расшифруем это определение. В нем упоминаются следующие понятия:

• Общий источник энергии — это трехфазный генератор на электростанции, вырабатывающий напряжение порядка 10000 Вольт. Промежуточное звено между генератором и конечным потребителем — распределительный трансформатор, который условно можно заменить генератором 230 Вольт.
• Синусоидальные ЭДС сдвинутые по фазе одна от другой на угол 120°. Получение ЭДС (электродвижущей силы) основано на принципе электромагнитной индукции. При этом три фазы обмотки статора генератора повернуты в пространстве друг относительно друга на 1/3 часть окружности, то есть магнитные оси фаз повернуты в пространстве на угол 120°.
• Синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте. Если рассмотреть последний участок трансформации напряжения, то при привычном действующем напряжении 230 Вольт амплитуда каждой фазы 325 Вольт (230×√2). Частота ЭДС определяется частотой вращения ротора генератора. Частота 50 Гц значит, что ток пятьдесят раз в секунду идет в одну сторону и пятьдесят раз в обратную. При этом сто раз в секунду он достигает амплитудного значения и сто раз становится равным нулю. Смена направления происходит при переходе графика синусоиды через нулевое значение.

Термин «фаза» имеет в электротехнике два значения:

• Фазой называют аргумент синуса (ωt + Ψ). Любая синусоидально изменяющаяся функция определяется тремя величинами: амплитудой, угловой частотой (ω ) и начальной фазой Ψ (пси). Фаза характеризует состояние колебания (числовое значение) в данный момент времени t.
• Каждая отдельная цепь, входящая в трехфазную цепь принято называть фазой.

Трехфазные цепи имеют широкое распространение за счет следующих преимуществ:

• Экономичности производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями.
• Возможности простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя.
• Возможности получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений — фазного и линейного.

Основными элементами трехфазной цепи являются:

• Трехфазный генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
• Трансформатор напряжения. Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Конечные же потребители используют ток после силового понижающего трансформатора.
• Линии электропередач — один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока (токопроводы, кабельные и воздушные линии).
• Приемники (потребители), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Каждая из трех фаз в цепи имеет стандартное наименование и цветовую маркировку:

• Первая фаза обозначается латинской буквой A и желтым цветом .
• Вторая фаза обозначается латинской буквой B и зеленым цветом .
• Третья фаза обозначается латинской буквой C и красным цветом .

Если идет речь о конкретном элементе цепи, например трехфазном генераторе, трансформаторе, то в данном случае фаза — это одна из трех обмоток генератора (трансформатора), имеющая начало и конец.
Начала обмоток фаз обозначаются латинскими буквами А, В, С, а
концы фаз — X, Y, Z.

Все дома и квартиры можно условно назвать однофазными приемниками (потребителями), являющимися элементами трехфазной цепи. Но если рассмотреть совокупность однофазных приемников, то по отношению к источнику (распределительному трансформатору) они выступают как одна трехфазная нагрузка. И именно переход от отдельных однофазных потребителей к их общему трехфазному потреблению вызывает много вопросов у многих интересующихся темой электротехники людей. До сих пор в понимании многих электрический ток приходит в дом по фазе и уходит обратно к трансформатору по нулю (нейтральному проводу). Но как он уходит правильно, об этом к сожалению не многие знают. Постараемся содержательно и предельно понятно раскрыть этот вопрос на примере трех фаз и нагрузок в системе без нуля (нейтрального провода).

Для начала рассмотрим пример электроснабжения условной улицы, дома на которой равномерно подключены к трем фазам, идущим от распределительного трансформатора. Воспользовавшись программой Multisim отобразим это схематически:

Расшифруем трехфазную электрическую цепь:

1. V1 — трехфазный генератор 230 В. В нашем случае он заменяет понижающий распределительный трансформатор.
2. Отходящие от него три фазы выделены соответствующими цветами — желтый, зеленый красный. Резисторы RPA1-RPA3, RPB1-RPB3, RPC1-RPC3 — условные сопротивления участков фазных проводов.
3. Точка соединения концов фазных обмоток заземлена. Сопротивление заземлителя нейтрали трансформатора RZN = 4 Ом (глухозаземленная нейтраль).
4. Отходящий от трансформатора нейтральный провод отмечен голубым цветом. Он также имеет определенное сопротивление, складывающееся из сопротивлений RPN1-RPN3.
5. RA1-RA3, RB1-RB3, RC1-RC3 — нагрузки в домах, подключенных к одной из трех фаз воздушной линии.

Возможно кто-то посчитает схему сложной и непонятной, так как электроснабжение домов от распределительного трансформатора фактически показано с использованием лишь сопротивлений (резисторов). Но на электрических схемах многие их элементы, например лампочки, электродвигатели, соединительные провода, часто отображают в виде сопротивлений. Это вполне допустимо, так как при расчетах и анализе схемы достаточно знать лишь сопротивление R того или иного элемента. Да и самому электроприбору не требуется от генератора (силового распределительного трансформатора) каких либо специальных условий. Подключенному в цепь приемнику (нагрузке) достаточно получить необходимое напряжение (U). А с учетом сопротивления легко просчитывается сила тока в цепи (I = U/R) и мощность, потребляемая приемником (P = UI).

Для понимания рассмотрим любой дом (нагрузку) и разберемся, почему он на схеме отмечен резистором с определенным сопротивлением. Электроприборы, включенные в сеть, потребляют определенную мощность:

В приведенном примере холодильник, тостер, электроплита и стиральная машина в совокупности имеют мощность потребления (P) 40+700+2000+260 = 3000 Вт. Зная напряжение U = 230 В, нетрудно определить общее сопротивление по следующий формуле R = U²/P = 230²/300 ≈ 17,6 Ом. По данной формуле также можно рассчитать сопротивление каждого электроприбора по отдельности, и для получении общего сопротивления воспользоваться правилом параллельного соединения.

Разобравшись, что потребление электроэнергии домом либо иной электроустановкой можно на схеме изобразить в виде сопротивления, перейдем к следующему важному вопросу. Многие неверно представляют путь движения тока в трехфазной электрической цепи. Упрощенно они считают, что ток в розетку приходит по фазе, запитывает электроприборы, а затем уходит по нулю (нейтральному проводу) в распределительный трансформатор. Но на самом деле все намного сложнее. Постараемся доступно рассмотреть особенности трех фаз и значение нейтрального провода.

Для начала в приведенную выше схему добавим четыре амперметра на три фазы и нейтральный провод:

Какой вывод можно сделать, если проанализировать силу тока по трем фазам IA = 49,2 А, IB = 48,8 А, IC = 48,9 А? Из приведенных данных следует, что три фазы нагружены почти равномерно. Теперь проанализируем силу тока, возвращающегося по нейтральному проводу в точку соединения концов обмоток фаз в трансформаторе. Амперметр IN показывает 0,3 А. То есть озвученный выше тезис, что ток приходит по фазе, а затем уходит по нулю (нейтральному проводу) в распределительный трансформатор, в корне не верный. В данном примере токи в трех фазах циркулируют между содой, и лишь незначительная часть, равная геометрической сумме этих токов, возвращается в нулевую точку (нейтраль) трансформатора.

При соединении нагрузок (домов) в звезду линейные токи I и фазные токи I_ф равны. А в соответствии с первым законом Кирхгофа ток в нулевом проводе равен геометрической сумме линейных (фазных) токов: IN = IA+IB+IC. При симметричной нагрузке ZA = ZB = ZC ток в нулевом проводе IN = 0 и, следовательно, необходимость в таком проводе отпадает. Естественно, когда в трехфазной цепи нагрузки — это дома или квартиры, добиться идеальной симметрии потребления электроэнергии невозможно. Для примера, симметричными трехфазными приемниками являются трехфазные электродвигатели. Однако, чтобы понять, как ток распространяется в трехфазной цепи, можно допустить симметричную нагрузку домами или квартирами. Что мы и сделаем:

Сразу отметим, раз уж мы сделали допущение о симметричной нагрузке (сопротивление потребителей каждого дома по 15 Ом), то также упростим схему, убрав сопротивления проводов. Что в итоге получилось:

• Сила тока по трем фазам стала одинаковой IA = IB = IC ≈ 46 А.
• Сила тока в нейтральном проводе стала равна нулю IN ≈ 0 А.

Соответственно, как и отмечалось выше, при симметричной нагрузке ток в нулевом проводе IN = 0, и необходимость в таком проводе отпадает (что и показано во второй части схемы). К сожалению, не все понимают, что значит убрать из схемы нейтральный (нулевой) провод. В вашей розетке он остается, а убирается он лишь на участке соединения двух нулевых (общих) точек соединения обмоток генератора и соединения приемников (домов) звездой. И если вы посмотрите на вторую часть приведенной выше схемы, оставшийся нейтральный провод, к которому все также подключены дома — это ни что иное, как общая (нулевая при симметричной нагрузке) точка соединения всех домов (приемников, потребителей). При этом отсутствующая связь этой точки с нейтралью трансформатора при симметричной нагрузке никак не сказывается на работу приемников (получение ими необходимого напряжения). А все по тому, что геометрическая сумма токов равна нулю, и все перераспределение энергии происходит между тремя фазами.

Казалось бы все просто, но как показывает практика, обычная трактовка основ электротехники все равно непонятна многим. Поэтому пойдем дальше и постараемся объяснить особенности функционирования трехфазной электрической цепи более подробно и нестандартно. Используем все тот же пример, но трансформируем схему в более простую модель. К каждой фазе у нас подключено по три дома. Сопротивление нагрузки каждого дома мы приняли равным 15 Ом (симметричная нагрузка). Воспользовавшись правилом параллельного соединения сложим сопротивления трех домов для получения общего сопротивления. Если в цепи используются резисторы одного номинала, то формула общего сопротивления имеет вид R = R1 / N (R1 – номинальное сопротивление резистора; N – количество резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением). Получаем R = 15/3 = 5 Ом. То есть теперь три дома (резистора) на фазе можно заменить одним резистором с сопротивлением 5 Ом:

Мы упростили схему и показали, что при симметричной нагрузке по трем фазам можно без последствий отказаться от нейтрального провода, соединяющего две нулевые точки. Но даже в таком представлении схема будет не совсем понятна многим. Поэтому без внесения изменений перерисуем схему еще раз:

Для простоты одинаковые участки на двух схемах дополнительно промаркированы (0 — нулевые точки соединения обмоток трансформатора и приемников, N — нейтральный провод, соединяющий две нулевые точки). Может возникнуть вопрос, почему это — нулевые точки? Потому что при симметричной нагрузке в этих точках нет напряжения (потенциал равен нулю). На последней схеме дополнительно показана разность потенциалов между нулевыми точками UN = 0,01 nV ≈ 0 V. Следующий вопрос, а скорее заблуждение, что нулевой потенциал — это следствие заземления нейтрали. Это не так, и в следующих схемах мы объясним все через потенциалы:

Несмотря на то, что трехфазный генератор был заменен тремя источниками переменного напряжения, схема осталась прежней. Данная замена сделана для наглядности, чтобы можно было показать как начала обмоток (A, B, C), так и концы (X, Y, Z), соединенные звездой в общей точке (нейтрали). К началам обмоток (выводам трансформатора) подключен осциллограф и показаны синусоиды трех фаз, смещенных друг относительно друга на 120°. Синусоиды показывают амплитудное значение напряжения +325 и -325 Вольт на пиках. Простыми словами это значит, что с учетом частоты 50 Гц каждую секунду на выводе каждой фазы напряжение меняется от 0 до 325 до 0 до -325 до 0 Вольт. Такое изменение в совокупности дает привычные нам действующие 230 Вольт (325/√2), но далее мы будем рассматривать только амплитудное значение напряжения.

Вернемся к синусоидам трех фаз и рассмотрим напряжения в отмеченный момент времени, когда напряжение на пике фазы А (желтый график) +325 Вольт. В этот же момент на выводах оставшихся двух фаз (B, C) напряжение в сумме дает -325 Вольт (В ≈ -162,5 Вольт, C ≈ -162,5 Вольт). Все эти значения просчитаны как разность потенциалов начал и концов обмоток генератора (трансформатора) и показаны на осциллографе. Останемся в том же моменте времени, но перейдем от напряжений на осциллографе к конкретным потенциалам:

Теперь обратим внимание на такой параметр как напряжение. Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле по перемещению единицы заряда на данном участке цепи. Для того чтобы образовалось электрическое поле в цепи должна быть разность потенциалов, и она в нашем примере есть. Разность потенциалов позволяет носителям электрического заряда (электронам) перемещаться из области с большим потенциалом в область с меньшим потенциалом (ток).

С учетом вышеперечисленного проанализируем схему. Начнем с правой части — начал обмоток (A, B, C). Без углубления в вектора, сложные формулы и комплексные числа попробуем понять путь протекания тока. На выводе A мы имеем потенциал +162,5 Вольт. Количественно это значит, что в данной точке находится избыток носителей электрического заряда. На выводах B и С имеется недостаток зарядов по -81,25 Вольт, что суммарно дает -162,6 Вольт. Получается разность потенциалов, в результате которой заряды от вывода A направляются к общей точке соединения приемников, далее перераспределяются и направляются к выводам B и С. При этом скорость перемещения зарядов на всем пути будет одинакова, но сила тока на трех фазах будет разной. Это обусловлено разным напряжением при одинаковом сопротивлении (симметрии потребления). Постараемся объяснить это простыми словами:

• Определенное количество зарядов (x) со скоростью (v) проходит по фазному проводу А, проходит нагрузку R = 5 Ом и попадает в точку соединение трех симметричных нагрузок (приемников).
• Из общей точки заряды разделяются пополам (x/2) и с той же скоростью (v) проходят нагрузки R = 5 Ом на фазах B и С, далее следуют к выводам этих фаз.

Такая конфигурация с симметричным источником и приемником позволяет всем зарядам от вывода фазы A сбалансированно перераспределится через оставшиеся две фазы B и C. Другими словами в точке соединения трех приемников никогда не бывает избытка или недостатка зарядов, что свидетельствует о нулевом потенциале этой точки. По такому же принципу заряды перераспределяются в левой части схемы, где соединены концы обмоток (X, Y, Z).

Подведем итог. При симметричном трехфазном источнике и симметричных приемниках потребность в четвертом нейтральном проводе отпадает. Достигается это за счет за счет ЭДС, сдвинутых по фазе одна от другой на угол 120°, которые перераспределяют заряды по трем одинаковым путям с одинаковой скоростью. Такая аналогия с путями и скоростью очень важна, и об этом вы узнаете в следующем пункте, описывающем значение нейтрального провода.

Значение нейтрального провода в трехфазной системе

При несимметричной нагрузке и отсутствии нейтрального провода фазные
напряжения приемника уже не связаны жестко с фазными напряжениями
генератора, так как на нагрузку воздействуют только линейные напряжения
генератора. Несимметричная нагрузка в таких условиях вызывает несимметрию ее фазных напряжений (UA, UB, UC) и смещение ее нейтральной точки (0) из центра треугольника напряжений (смещение нейтрали).

Естественно треугольник напряжений (векторы фазных напряжений) и сложные формулы расчетов мы рассматривать не будем. Постараемся, как и в предыдущих пунктах, разобраться с вопросом наглядно и упрощенно:

В приведенной выше схеме наблюдается несимметрия потребления. Фаза A нагружена больше и имеет сопротивление 5 Ом. Фаза B нагружена меньше и имеет сопротивление 10 Ом. Фаза C нагружена еще меньше и имеет сопротивление 15 Ом. С учетом этого произошла несимметрии фазных напряжений (UA ≈ 157 Вольт, UB ≈ 261 Вольт, UC ≈ 287 Вольт). Смещение нейтральной точки соединения приемников (0) привело к появлению разности потенциалов с нейтралью трансформатора UN = 75 Вольт.

Важно — в данной схеме нет нейтрального провода (измеряется всего лишь разность потенциалов).

Перейдем к потенциалам на выводах генератора (трансформатора). Они остались такими же, как и при симметричной нагрузке приемников. В конце предыдущего пункта мы отметили важность сбалансированности и одинаковой скорости движения электронов в цепи (для справки: ток у нас не постоянный, потому движение условное, и фактически — это «топтание на месте»). Как же происходит движение зарядов в данном случае, когда изменились параметры «путепроводов» (различное сопротивление на участках цепи):

• Определенное количество зарядов (x) со скоростью (v) проходит по фазному проводу А, проходит нагрузку R = 5 Ом и попадает в точку соединение трех несимметричных нагрузок (приемников).
• Из общей точки заряды уже не разделяются пополам. Виной тому увеличение сопротивления на пути от нейтральной точки приемников к выводам фаз B и C на трансформаторе. Баланс нарушился, и теперь то количество зарядов, пришедших от вывода A попросту не успевают перераспределится в цепи. Образуется избыток в данный момент времени зарядов в точке соединения нагрузок (0). Раз есть избыток (или недостаток в определенный момент периода синусоиды) в этой нулевой точке, то есть и разность потенциалов с нейтралью трансформатора (что и показал вольтметр UN).

Так как в нейтральной точке имеется потенциал, отличный от нуля, то это приводит к несимметрии фазных напряжений. К примеру, если бы потенциал в нейтральной точке был равен 0 Вольт (случай симметричной нагрузки), то фазное напряжение UA можно было бы рассчитать, как +162,5-(-162,5)-0 = 325 Вольт (амплитудное значение). 325/√2 ≈ 230 Вольт (действующее значение). В случае с несимметричным потреблением в нейтральной точке будет всегда какой-то потенциал. Соответственно при расчетах мы получим иное амплитудное и действующее значение напряжения. Из примера просчитанного в программе видно, что действующее напряжение UA ≈ 157 Вольт. Соответственно амплитудное равно 157×√2 ≈ 222 Вольт. Это можно наглядно увидеть на графиках синусоид, приведенных выше. Берем пик синусоиды фазы A с напряжением (потенциалом) +325 Вольт, и от этого потенциала отнимаем потенциал нейтрали (канал D) +103 Вольт в данный момент времени. То же самое можно сделать с остальными фазами. Берем пик синусоиды фазы B с напряжением (потенциалом) +325 Вольт, и от этого потенциала отнимаем потенциал нейтрали (канал D) -36 Вольт в данный момент времени. Получаем +325-(-36) = +361 Вольт (амплитудное значение). 355×√2 ≈ 255 Вольт (действующее значение). Приблизительно это и показывает вольтметр UB ≈ 261 Вольт.

Для того чтобы выравнивать фазные напряжения приемника при несимметричной нагрузке, нужен нейтральный провод соединяющий нулевые точки трансформатора (генератора) и приемников:

При наличии нейтрального провода в общей точке соединения нагрузок уже не может образовываться излишек или недостаток зарядов (потенциал), так как он сразу же будет перенаправляется в общую точку соединения концов фазных обмоток трансформатора (генератора).

Завершая тему трех фаз с нулем и без нуля стоит также отметить, что наличие нейтрального провода в цепи при несимметричной нагрузке, также позволяет подключать однофазные приемники с номинальным напряжением в √3 раз меньше номинального линейного напряжения трехфазной сети (230/400 Вольт).

Как течет ток в системе с изолированной нейтралью в трехфазной сети?

Здравствуйте. Не могли бы вы рассказать как течет ток в системе с изолированной нейтралью в трехфазной сети? Если нагрузка однофазная, то в системе с изолированной нейтралью к ней подводится две фазы, как распределяется направление тока к потребителю по этим двум фазам? В системе с глухозаземленной нейтралью по фазе течет ток к потребителю, по нулевому проводу от потребителя.

Поделиться в социальных сетях

Комментарии и отзывы (1)

Макаров Дмитрий (Эксперт)

В любой системе переменного тока нет одного единственного направления движения заряженных частиц. Если рассмотреть систему с глухозаземленной нейтралью, то ток в ней протекает от фазы к нулю только в тот полупериод синусоиды, который располагается выше нулевой отметки (в теории).

После того, как синусоида переходит нулевую отметку, потенциал фазы становиться ниже потенциала нуля и заряженные частицы начинают перемещение в обратном направлении – от нуля к фазе. Поэтому конкретного направления в цепи переменного тока не существует, даже при подключении потребителя между фазным и нулевым проводом.

Если рассматривать подключение потребителя между двумя фазами в системе с изолированной нейтралью, то здесь направление и принцип движения заряженных частиц имеет некоторые отличия. Если в системе с глухозаземленной нейтралью ноль приравнивается к нулевому значению потенциала, то в системе с изолированной нейтралью – вторая фаза представляет собой такую же постоянно изменяющуюся по уровню напряжения кривую, как и первая.

Посмотрите на рисунок, к примеру, потребитель включен между фазами A и B. За счет смещения напряжения на фазах друг относительно друга на 120°, между ними всегда присутствует разность потенциалов. Но, в случае, когда уровень напряжения на фазе A больше, чем на фазе B, ток будет протекать в прямом направлении – от фазы A к B. Когда напряжение на фазе A станет меньше, чем уровень напряжения на фазе B, направление тока изменится на противоположное.