Трехфазные электрические цепи переменного тока

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, различающиеся по фазе и создаваемые общим источником энергии.
Трехфазные цепи — наиболее распространенные в современной электроэнергетике. Это объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями (экономичность передачи энергии, возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, а также двух различных эксплуатационных напряжений в одной установке: фазного и линейного).

Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов (частей): трехфазного генератора (1), в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС, линии передачи (3, 5, 6, 8) и приемников (потребителей) (9,10), которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы освещения).

Кроме этого в трехфазную систему при передаче на большие расстояния входят повышающие (2) и понижающие (4, 7) трансформаторы .

Функциональная схема трехфазной цепи
Трехфазный
источник
А
В
С
N
Каждый из трех источников (потребителей) вместе с соединительными проводами принято называть фазой. Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два значения: 1) аргумент синусоидально изменяющейся величины; 2) часть многофазной системы электрических цепей. Цепи в зависимости от числа фаз называют двухфазными, трехфазными, шестифазными.

Трехфазный переменный электрический ток получают в трехфазных генераторах. Это устройство преобразующее механическую энергию вращения в электрическую (турбогенератор, гидрогенератор или др.). На рисунке схематически изображена модель трехфазного генератора. Каждая фаза обмотки условно изображена одним витком, витки сдвинуты относительно друг друга на угол 120º.
Начала фаз обозначены A, В, С, а концы — X, Y, Z.

При вращении ротора, представляющего собой электромагнит (многовитковый проволочный), возбуждаемый постоянным током, в неподвижных обмотках статора наводятся ЭДС, имеющие одинаковые амплитуды и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120º.

На схемах обмотку (или фазу) источника переменного ЭДС обозначают как показано ниже. За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу.
Система ЭДС с равными амплитудами и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120º называется симметричной. Если хоть одно из условий не выполняется, то система будет несимметричной.

Назначение нулевого провода
Нулевой провод в четырехпроводной цепи предназначен для обеспечения симметрии фазных напряжений при несимметричной нагрузке.
Не симметрия фазных напряжений недопустима, так как приводит к нарушению нормальной работы потребителей, рассчитанных на определенное рабочее напряжение

Но при заданных сопротивлениях нагрузки ZA, ZB, ZC токи могут измениться только за счет изменения фазных напряжений. Следовательно, обрыв нулевого, провода в общем случае приводит к изменению фазных напряжений; симметричные фазные напряжения становятся несимметричными.

Многофазный источник ЭДС – один источник, который создает несколько синусоидальных ЭДС, имеющих одну или ту же частоту, но сдвинутых между собой по фазе на некоторые постоянные углы.
Многофазная система электрических цепей – совокупность ЭЦ, в которых действует многофазный источник ЭДС
Многофазный источник ЭДС и
многофазная система электрических цепей

Представляют собой совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, различающиеся по фазе и создаваемые общим источником энергии.
Трехфазные электрические цепи

Получение трехфазной ЭДС
Генератор
Нейтраль
Время
е
А
В
С

Векторная диаграмма трехфазного тока
ЕА
ЕС
ЕВ

Временная диаграмма трехфазной цепи

Соединение обмоток «звездой»
На электрических схемах трехфазный генератор принято изображать в виде трех обмоток, расположенных под углом 120° друг к другу. При соединении звездой концы этих обмоток объединяют в одну точку, которую называют нулевой точкой генератора и обозначают О. Начала обмоток обозначают буквами А, В, С.

Соединение обмоток «треугольником»
При соединении треугольником конец первой обмотки генератора соединяют с началом второй, конец второй — с началом третьей, конец третьей— с началом первой. К точкам А, В, С подсоединяют провода соединительной линии.

4. а. Соединение потребителей «звездой»
Провод ОО' называют нулевым (четырехпроводная цепь). В соответствии с первым законом Кирхгофа вектор тока в нулевом проводе
Iо = IA + IВ + IС.

При симметричной нагрузке, когда сопротивления zA, zB и zC равны между собой и имеют одинаковый характер, векторы токов IА, Iв, Iс равны по абсолютному значению и образуют трехлучевую звезду, у которой углы между лучами равны 120°, в этом случае векторная сумма токов равна нулю:IA+IB+IC=0, нулевой провод не нужен. Получается схема трехфазной трехпроводной цепи.

ZA=ZB = ZC = Z, φA = φB = φC= φ.
К зажимам А, В, С подходят провода линии электропередачи — линейные провода.
Введем обозначения: Iл—линейный ток в проводах линии электропередачи;
Iф — ток в сопротивлениях (фазах) нагрузки;
Uл — линейное напряжение между линейными проводами;
Uф — фазное напряжение на фазах нагрузки.
напряжения UAB, UBC и UCA являются линейными, а напряжения UA, UВ UС — фазными.
UAB=UA-UB; UBC=UB-UC; UCA=UC-UA

Назначение нулевого провода
Нулевой провод в четырехпроводной цепи предназначен для обеспечения симметрии фазных напряжений при несимметричной нагрузке.
Не симметрия фазных напряжений недопустима, так как приводит к нарушению нормальной работы потребителей, рассчитанных на определенное рабочее напряжение

Но при заданных сопротивлениях нагрузки ZA, ZB, ZC токи могут измениться только за счет изменения фазных напряжений. Следовательно, обрыв нулевого, провода в общем случае приводит к изменению фазных напряжений; симметричные фазные напряжения становятся несимметричными.

Соединений генератора по схеме «ЗВЕЗДА»

Соединение потребителя по схеме «ЗВЕЗДА»

Соединение потребителя по схеме «ТРЕУГОЛЬНИК»

Стандарты частоты и напряжения в некоторых странах

Симметричная нагрузка соединена звездой. Линейное напряжение 380 В. Каково фазное напряжение?
Задача 1.
1. 380 В
2. 250 В
3. 220 В
4. 127 В
Uф = UЛ/√3

Линейное напряжение 380 В. Каково фазное напряжение, если нагрузка соединена треугольником?
Задача 2.
1. 380 В
2. 220 В
3. 127 В
Uф = UЛ

Лампы накаливания с номинальным напряжением 127 В включают в трехфазную сеть с линейным напряжением 220 В. Какова при этом схема соединения ламп?
Задача 3.
1. Звезда
2. Звезда с нейтральным проводом
3. Треугольник
3. Лампы нельзя включать в сеть с линейным напряжением 220 В

Каково назначение нейтрального провода?
Задача 5.
1. Выравнивать сопротивления фаз
2. Выравнивать мощности фаз
3. Выравнивать фазные напряжения