Třífázový obvod je speciálním případem vícefázových elektrických systémů, což je soubor elektrických obvodů, ve kterých pracují EMF stejné frekvence, posunuté ve fázi vůči sobě navzájem o určitý úhel. Všimněte si, že obvykle jsou tyto EMP, především v energetice, sinusové. Avšak v moderních elektromechanických systémech, kde se pro řízení motorů akčních členů používají frekvenční měniče, je napěťový systém obecně nesinusový. Každá část vícefázové soustavy, charakterizovaná stejným proudem, se nazývá fáze, tzn. fáze je část obvodu související s odpovídajícím vinutím generátoru nebo transformátoru, vedením a zátěží.
Pojem „fáze“ má tedy v elektrotechnice dva různé významy:
Vývoj vícefázových systémů byl poháněn historií. Výzkum v této oblasti byl poháněn požadavky rozvíjející se výroby a pokroky ve vývoji vícefázových systémů usnadnily objevy ve fyzice elektrických a magnetických jevů.
Nejdůležitějším předpokladem pro rozvoj vícefázových elektrických soustav byl objev fenoménu rotujícího magnetického pole (G. Ferraris a N. Tesla, 1888). První elektromotory byly dvoufázové, ale měly špatný výkon. Jako nejracionálnější a nejslibnější se ukázal třífázový systém, jehož hlavní výhody budou diskutovány níže. Velkým přínosem pro vývoj třífázových systémů byl vynikající ruský elektrotechnik M.O. Dolivo-Dobrovolsky, který vytvořil třífázové asynchronní motory, transformátory, navrhl tří- a čtyřvodičové obvody, a proto je právem považován za zakladatele třífázových systémů.
Zdrojem třífázového napětí je třífázový generátor, na jehož statoru (viz obr. 1) je umístěno třífázové vinutí. Fáze tohoto vinutí jsou uspořádány tak, že jejich magnetické osy jsou vzájemně prostorově posunuty o elektrické množství. rád. Na Obr. Na obr. 1 je každá fáze statoru obvykle znázorněna jako jedna otáčka. Začátky vinutí jsou obvykle označeny velkými písmeny A, B, C a konce velkými písmeny x, y, z. EMF ve stacionárních statorových vinutích je indukováno v důsledku průniku jejich závitů magnetickým polem vytvářeným proudem budícího vinutí rotujícího rotoru (na obr. 1 je rotor konvenčně znázorněn jako permanentní magnet, který je používané v praxi při relativně nízkých výkonech). Když se rotor otáčí rovnoměrnou rychlostí, periodicky se měnící sinusové EMF stejné frekvence a amplitudy se indukují ve vinutí fází statoru, ale liší se v důsledku prostorového fázového posunu rad. (viz obr. 2).
V současnosti jsou nejrozšířenější třífázové systémy. Všechny velké elektrárny a spotřebitelé pracují na třífázovém proudu, což je spojeno s řadou výhod třífázových obvodů oproti jednofázovým, z nichž nejdůležitější jsou:
– ekonomický přenos elektřiny na velké vzdálenosti;
– nejspolehlivějším a nejhospodárnějším elektrickým pohonem, který splňuje požadavky průmyslového elektropohonu, je asynchronní motor s rotorem nakrátko;
– možnost získání rotujícího magnetického pole pomocí stacionárních vinutí, na kterém je založen provoz synchronních a asynchronních motorů, ale i řady dalších elektrických zařízení;
– vyvážení symetrických třífázových soustav.
Abychom zvážili nejdůležitější vlastnost rovnováhy třífázového systému, která bude prokázána později, zavedeme pojem symetrie vícefázového systému.
Systém EMF (napětí, proudy atd.) se nazývá symetrický, pokud se skládá z m stejně velkých vektorů EMF (napětí, proudy atd.), posunutých ve fázi vůči sobě navzájem o stejný úhel. Zejména vektorový diagram pro symetrický EMF systém odpovídající třífázovému sinusovému systému na Obr. 2, je znázorněn na Obr. 3.
| Obr | Obr |
Z asymetrických systémů má největší praktický význam dvoufázový systém s 90stupňovým fázovým posunem (viz obr. 4).
Všechny symetrické tří- a m-fázové (m>3) systémy, stejně jako dvoufázový systém, jsou vyvážené. To znamená, že ačkoliv v jednotlivých fázích okamžitý výkon pulzuje (viz obr. 5, a), mění během jedné periody nejen velikost, ale v obecném případě i znaménko, celkový okamžitý výkon všech fází zůstává po celou dobu konstantní. perioda sinusového EMF (viz obr. 5,b).
Rovnováha je nanejvýš praktická. Pokud by celkový okamžitý výkon pulzoval, pak by na hřídel mezi turbínou a generátorem působil pulzující moment. Takové proměnlivé mechanické zatížení by mělo škodlivý vliv na elektrárnu a zkracovalo by její životnost. Stejné úvahy platí pro vícefázové elektromotory.
Pokud je porušena symetrie (dvoufázový systém Tesly se vzhledem k jeho specifičnosti nebere v úvahu), pak je narušena i rovnováha. Proto v energetice přísně dbají na to, aby zatížení generátoru zůstalo symetrické.
Schémata zapojení pro třífázové systémy
Třífázový generátor (transformátor) má tři výstupní vinutí, identická co do počtu závitů, ale vyvíjející EMF posunuté ve fázi o 1200. Bylo by možné použít systém, ve kterém by fáze vinutí generátoru nebyly galvanicky spojeny s každým jiný. Jedná se o tzv. odpojený systém. V tomto případě musí být každá fáze generátoru připojena k přijímači dvěma vodiči, tzn. bude zde šestivodičové vedení, což je neekonomické. V tomto ohledu se takové systémy v praxi příliš nepoužívají.
Pro snížení počtu vodičů ve vedení jsou fáze generátoru vzájemně galvanicky spojeny. Existují dva typy spojení: hvězda a trojúhelník. Při zapojení do hvězdy může být systém tří- nebo čtyřvodičový.
Na Obr. Obrázek 6 ukazuje třífázový systém, když jsou fáze generátoru a zátěže zapojeny do hvězdy. Zde jsou vodiče AA’, BB’ a CC’ lineární vodiče.
Lineární je vodič, který spojuje začátek fází vinutí generátoru a přijímače. Bod, ve kterém jsou konce fází spojeny do společného uzlu, se nazývá neutrál (na obr. 6 jsou N a N’ neutrální body generátoru a zátěže).
Vodič spojující neutrální body generátoru a přijímače se nazývá neutrální (na obr. 6 znázorněno tečkovanou čarou). Třífázový systém při připojení do hvězdy bez nulového vodiče se nazývá třívodičový, s nulovým vodičem – čtyřvodičový.
Všechny veličiny související s fázemi se nazývají fázové proměnné a ty, které se týkají vedení, se nazývají lineární. Jak je vidět ze schématu na Obr. 6, při zapojení do hvězdy jsou lineární proudy a rovny odpovídajícím fázovým proudům. Pokud je nulový vodič, proud protéká nulovým vodičem. Pokud je systém fázových proudů symetrický, pak. V důsledku toho, pokud by byla zaručena symetrie proudů, pak by nulový vodič nebyl potřeba. Jak bude ukázáno níže, nulový vodič zajišťuje udržení symetrie napětí na zátěži, když je zátěž samotná nevyvážená.
Protože napětí na zdroji je opačné než směr jeho EMF, působí fázová napětí generátoru (viz obr. 6) z bodů A, B a C do neutrálního bodu N; – fázová zátěžová napětí.
Síťová napětí působí mezi linkovými vodiči. V souladu s druhým Kirchhoffovým zákonem pro lineární napětí můžeme psát
| ; | (1) |
| ; | (2) |
| . | (3) |
Všimněte si, že je to vždy součet napětí podél uzavřeného obvodu.
Na Obr. Obrázek 7 ukazuje vektorový diagram pro symetrický napěťový systém. Jak ukazuje jeho analýza (paprsky fázových napětí tvoří strany rovnoramenných trojúhelníků s úhly na základně rovnými 300), v tomto případě
Obvykle se to bere ve výpočtech. Pak pro případ přímého střídání fáze , (při obráceném střídání fáze se fáze posouvá y a mění místa). S přihlédnutím k tomu lze na základě vztahů (1) . (3) určit komplexy lineárních napětí. Při napěťové symetrii se však tyto veličiny snadno určují přímo z vektorového diagramu na Obr. 7. Nasměrováním reálné osy souřadného systému podél vektoru (jeho počáteční fáze je nula) spočítáme fázové posuny lineárních napětí vzhledem k této ose a určíme jejich moduly podle (4). Takže pro lineární napětí dostáváme: ; .
Vzhledem k tomu, že značná část přijímačů zařazených do třífázových obvodů je asymetrická, je v praxi velmi důležité např. u obvodů s osvětlovacími zařízeními zajistit nezávislost na provozních režimech jednotlivých fází. Kromě čtyřvodičového obvodu mají podobné vlastnosti i třívodičové obvody, když jsou fáze přijímače zapojeny do trojúhelníku. Fáze generátoru lze ale také spojit do trojúhelníku (viz obr. 8).
Pro symetrický EMF systém máme
Tedy při absenci zátěže ve fázích generátoru v obvodu na Obr. 8 proudů bude nula. Pokud však prohodíte začátek a konec kterékoli z fází, pak v trojúhelníku poteče zkratový proud. Proto u trojúhelníku musí být přísně dodržováno pořadí připojení fází: začátek jedné fáze je spojen s koncem druhé.
Schéma zapojení fází generátoru a přijímače do trojúhelníku je na Obr. 9.
Je zřejmé, že při zapojení do trojúhelníku se síťová napětí rovnají odpovídajícím fázovým napětím. Podle prvního Kirchhoffova zákona je spojení mezi lineárním a fázovým proudem přijímače určeno vztahy
Podobně lze proudy ve vedení vyjádřit prostřednictvím fázových proudů generátoru.
Na Obr. Obrázek 10 ukazuje vektorový diagram symetrického systému lineárních a fázových proudů. Jeho analýza ukazuje, že s aktuální symetrií
Závěrem podotýkáme, že kromě uvažovaných zapojení hvězda-hvězda a trojúhelník-trojúhelník se v praxi používají i obvody hvězda-trojúhelník a trojúhelník-hvězda.
Od „války proudů“ uplynulo mnoho času a v současné době obsadilo střídavé i stejnosměrné napětí své výklenky – jejich vlastnosti byly poměrně hluboce studovány. Navzdory mírně odlišným nominálním hodnotám hlavních síťových parametrů pro různé země je dnes převládající třífázový střídavý proud.
Jak ukázala praxe, vzájemné posunutí fází o úhel 120° poskytuje nejoptimálnější parametry energetického systému pro hromadné použití, umožňuje vytvářet točivý moment na hřídeli elektromotoru bez zbytečných opatření a spojuje vinutí elektrických strojů v obvodech hvězda (Y) nebo trojúhelník ( D) umožňuje snížit počet napájecích vodičů ze 6 na 3 nebo 4. Při připojení hvězdou na nulovou svorku se používají 4 vodiče.
Čtyřvodičové třífázové obvody střídavého proudu, převládající na průmyslové a domácí úrovni 0,4 kV, umožňují připojit jak 3-fázové, tak 1- a 2-fázové spotřebiče. Současně mají 3fázové spotřebiče nižší proudy než 1fázové analogy a při symetrickém zatížení se 4. vodič vůbec nepoužívá – proudy v něm jsou nulové. Navíc za současných podmínek mohou nastat situace, kdy je proud v nule větší než ve fázi: při převládající nelineární zátěži (například počítač se zdrojem bez PFC modulu). Tvrzení o 3- a 4-vodičových systémech je v rozporu s tím, co je vidět na ulici – podpěry venkovního vedení, které mají více než 4 dráty, mohou být zavádějící. To je však buď ko-suspenze, nebo dělení fáze.
V menší míře se rozšířilo spojení „cik-cak-hvězda (cik-cak)“ (Z), které umožňuje připojení ostře nerovnoměrných zátěží a má také tři úrovně napětí (například 380-220-127 V).
Celkem existuje 12 skupin zapojení vinutí, což vede k různým posunům stejných fází během transformace, ale v průmyslu jsou nejpoužívanější U-U – očíslované „0“ a U-D – očíslované „11“. Jiné možnosti se používají extrémně zřídka (například v pecních transformátorech, transformátorech pro změnu počtu fází).
Uvedené barvy odpovídají PUE 7th edition. doložka 1.1.29-30. Je třeba poznamenat, že v Ruské federaci je platný normativní a technický dokument, který upravuje jiné barvy.
Elektřina se vyrábí v elektrárnách. Parametry samotné elektřiny a zařízení, které se s ní pracuje, jsou standardizovány a specifikovány v GOST. Tento článek se bude zabývat třífázovou střídavou sítí s parametry charakteristickými pro Ruskou federaci. Většina generátorů produkuje napětí na úrovních 6,3, 10,5, 21,0 a 36,75 kV (úplný seznam je uveden v GOST 721-77). Při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti však takové hodnoty povedou k nadměrným ztrátám. Tento problém je vyřešen zvýšením napětí. Pro tyto účely se používají stupňovité výkonové transformátory. Jejich kapacity, stejně jako kapacity generátorů, jsou také předepsány v příslušných GOST. Výjimkou jsou hydroelektrárny: vzhledem k technologickým vlastnostem vodních elektráren nejsou jejich kapacity standardizovány.
Třífázové střídavé napětí je přenášeno na úrovních regulovaných GOST 29322-2014. Stojí za zmínku, že studium Meissnerova jevu a objev supravodičů se stále vyššími kritickými teplotami dává naději, že elektrické vedení budoucnosti nebude mít ztráty jako takové. Ale s takovým množstvím regulovaných tříd napětí, kapacit zařízení a průřezů vodičů existuje jeden síťový parametr, který je nastaven na konstantní úrovni. Toto je frekvence v Ruské federaci, stejně jako ve většině zemí světa, odpovídá 50 Hz.
Této hodnoty není technologicky obtížné dosáhnout, zajišťuje dostatečnou účinnost zařízení, blikání žárovek na této frekvenci neškodí zdraví a kožní efekt při 50 Hz nečiní zásadní změny v procesu přenosu elektřiny. Ale odchylka ukazatele doslova o desetiny má neblahý vliv na celou síť. V tomto případě má pokles frekvence často lavinový charakter. Aby se zabránilo rozvoji havárie, používá se AFC, které odpojí nezodpovědné spotřebitele.
Pro rozvod elektřiny ve stanicích a rozvodnách jsou budovány rozváděčové jednotky (DS), jejichž hlavním proudonosným prvkem jsou zpravidla sběrnicové úseky. Třífázové sběrnice na střídavý proud jsou nejčastěji vyráběny z hliníku jakosti AD31, AD31T, AD0, méně běžně AD1, AD5, A5 (GOST 21488-97). Pro měděné přípojnice se používají měděné třídy M-0b, M-1, M-2 (GOST 434-78). Měď se používá v elektroinstalacích umístěných v blízkosti moří nebo chemických závodů a je vhodné ji používat i při nízké zátěži. Hliník – ve všech ostatních případech, stejně jako v průmyslových odvětvích používajících čpavek. Ocelové pneumatiky se používají mnohem méně často. Přípojnicové lišty, přípojnicové sekce a přípojnicové mosty jsou vyráběny převážně z plochých (pravoúhlých) přípojnic, méně často kruhových nebo profilových. Přípojnice namontovaná vertikálně na nosném izolátoru umožňuje vyšší dlouhodobé proudové zatížení než horizontální verze. Malování také pomáhá zvýšit přípustné zatížení. Pro zvýšení kapacity přípojnice se montují balíčky 2 nebo 3 přípojnic. Ve venkovních rozvaděčích nad 110 kV se přípojnice nepoužívají.
