2. Трехфазные цепи

Объединение в одну цепь трех электрических цепей синусоидального тока с независимыми ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами широко применяют в электротехнике. Объединяемые цепи синусоидального тока называют фазами, а целую объединенную систем − трехфазной системой.

При создании систем электроснабжения преимущество переменного тока над постоянным состояло в наличии технической возможности передачи электрической энергии с помощью трансформаторов на большое расстояние с малыми потерями. А среди возможных систем переменного тока трехфазные системы победили двухфазные и однофазные прежде всего по коммерческой причине: стоимость проводов линии передач в трехфазной системы оказалась значительно ниже. Кроме того, трехфазные двигатели и генераторы по своим технико-экономическим характеристикам более совершенны, чем двухфазные или однофазные. Поэтому сейчас наиболее массовым двигателем в промышленности являются трехфазные асинхронные двигатели, которые требуют именно трехфазного питания.

Источником энергии в трехфазных системах есть трехфазный генератор, который состоит из недвижимого статора и подвижного ротора, изготовленных из ферромагнитных материалов. На поверхность ротора (в пазы) уложены проводники обмотки возбуждение, по которым пропускают постоянный ток. При наличии тока в обмотке возбуждения ротор представляет собою электромагнит с полюсами N и S.

В пазах статора заключен три одинаковых обмотки, сдвинутых между собою в пространстве на 120˚. При вращении ротора с угловой скоростью ω₀ фазные обмотки генератора пересекаются переменным магнитным потоком и, в, соответствии с законом электромагнитной индукции, в них возникают ЕДС одинаковой амплитуды, сдвинутые между собою по фазе на 120˚, то есть на треть периода.

Фазы (фазные обмотки) трехфазных источников питания и фазы приемников электрической энергии соединяют звездой или треугольником. При соединении фаз источника звездой концы фаз X, Y, Z соединяют в одну нейтральную точку N, а начала фаз A, В, С подсоединяют к линейным проводам, которые соединяют источник с выводами a, b, с фаз приемника. Свободные выводы приемника также соединяют в одну точку n, которую называют нейтральной точкой приемника. Если нейтральные точки источника N и приемника n соединены между собою нейтральным проводом, получается четырех проводная система со схемой соединений звезда/звезда. При отсутствии нейтрального провода система будет трехпроводной.

При соединении фаз источника или приемника треугольником следует соединить конец каждой фазы с началом следующей, то есть соединить три фазы последовательно и к началу каждой фазы а, b, с подключить линейные провода.

Напряжения на фазах источника и приемника называют фазными, а напряжения между линиями передач − линейными напряжениями. Соответственно токи, которые текут в фазах источника и приемника называют фазными, а токи, которые текут в проводах, которые соединяют источник или приемник с линией электропередачи − линейными токами. При соединении треугольником фазные напряжения равняются линейным. При соединении звездой токи в линиях равняются токам фазным.

Источник называют симметричным, если все его фазные напряжения имеют одинаковые действующие значения и сдвинутые между собою по фазе на 120˚. Симметричный трехфазный приемник имеет одинаковые комплексные сопротивления всех фаз. Действующее значение линейного напряжения U симметричного источника или приемника, соединенного звездой, больше фазного напряжения U_Ф в раз. Действующее значение линейных токов симметричных источников или приемников, соединенных по схеме треугольника, больше фазных в раза.

Если трехфазная цепь симметричная, то при соединении фаз приемника и генератора звездой с нейтральным проводом ток в нейтральном проводе равняется нулю. Поэтому для симметричного приемника нейтральный провод не нужен. Если же несимметричный приемник соединен звездой, то отсутствие нулевого провода приводит к искажению симметрии фазных напряжений приемника. Для обеспечения симметрии фазных напряжений такого приемника обязательно наличие нейтрального провода. При наличии нейтрального провода фазные напряжения приемника равняются фазным напряжениям источника и, независимо от несимметрии приемника, остаются симметричными. Ток в нейтральном проводе теперь не равен нулю.

Симметрию фазных напряжений приемника можно обеспечить включением его в трехфазную сеть треугольником, но при этом номинальные напряжения фаз приемника должны равняться линейным напряжениям трехфазной системы.

Для симметричного трехфазного приемника полная, активная и реактивная мощность равняются:

Независимо от схемы соединения фаз симметричного приемника его мощности через линейные токи и напряжения выражают формулами:

Для не симметричного трехфазного приемника активная, реактивная и полная мощность равняются:

Мощности трехфазного приемника можно определить с помощью электроизмерительных приборов − ваттметра, амперметра и вольтметра.

Ваттметр − прибор, предназначенный для измерения активной мощности. Он имеет две обмотки − токовую, которая включается последовательно с нагрузкой, и обмотку напряжения, которая включается параллельно с нагрузкой, в которой измеряется мощность. Начала обмоток соединяют между собою и подключают к источнику питания, а противоположные выводы обмоток подключают к приемнику. Показания ваттметра равняются . Здесь φ − угол сдвига фаз между напряжением на обмотке напряжения и током в токовой обмотке ваттметра. Амперметр − прибор для измерения силы тока. Обмотка идеального амперметра имеет сопротивление, близкое к нулю. Вольтметр − прибор для измерения величины напряжения. Сопротивление обмотки идеального вольтметра приближается к бесконечности.

Один и тот же приемник можно подключать к сети по схеме звезды или треугольника. При переключении приемника со схемы соединений звездой на схему соединений треугольником линейный ток увеличивается в три раза, а фазный − в раза. Активная мощность трехфазного приемника независимо от схемы соединения фаз равняется . В следствие переключения схемы соединений со звезды на треугольник линейные токи увеличиваются в три раза и потребляемая приемником мощность также возрастает в три раза.

С целью обеспечения безопасности людей металлические части электрооборудования, которые в обычных условиях не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним в следствие повреждения изоляции, выполняют их защитное заземление. Для соединения металлического корпуса электроустановки с землей создают заземлители в виде стальных закопанных в землю вертикально труб, угловой стали, металлических стержней и т.п. Обычно сопротивление заземлителя Ом.

Для срочного выключения из сети поврежденной электроустановки используют защитное зануление. Его выполняют путем присоединения металлических корпусов электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции, к многократного заземленного нейтрального провода электрической сети. При замыкании на корпус электроустановки какой-либо фазы сети создается короткое замыкание этой фазы источника, возникает большой ток, который значительно превышает ток срабатывания защитного автомата или ток перегорания защитного предохранителя. Поврежденная фаза выключается из электрической цепи, что и исключает опасность для жизни человека, которая может дотронуться корпуса.