Каковы достоинства трехфазной системы

Содержание

В современных энергетических системах генерирование и передача больших потоков энергии осуществляется трехфазными цепями (системами). Широкое их распространение объясняется, главным образом, тремя основными причинами:
а) передача энергии на дальние расстояния трехфазным током экономически более выгодна, чем переменным током с иным числом фаз;
б) элементы трехфазной системы — трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный трансформатор — весьма просты в производстве, экономичны и надежны в работе;
в) трехфазная система обладает свойством неизменности величины мгновенной мощности за период синусоидального тока в том случае, если нагрузка во всех трех фазах трехфазного генератора одинакова.
Трехфазная система была изобретена и разработана во всех деталях, включая трехфазные трансформатор и асинхронный двигатель, выдающимися русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1891 году.

Главная страница
ТОЭ
Электрические машины
Физика
Физика Кривченко
Тендер
Исполнительная документация
Приемо-сдаточная документация
Как скачать?
Главному энергетику
Система ППР
Ответственному за электрохозяйство
Ответственному по лифтам
Промышленная безопасность
Охрана труда
Несчастный случай
Пожарная безопасность
Правила и ГОСТы
Бланки и протоколы
Каталоги оборудования
Счётчики
Статьи
Эл. безопасность
Услуги подрядных организаций
Рекламодателям
Заработать
ОТ на пром предприятиях
Билеты по эл. безопасности с ответами

Страница обновлена: 20.12.2022

Информация предоставлена для ознакомления и не является официальным источником.

Получение трехфазной системы эдс. Соединение звездой в трех проводной линии электропередачи.

Трехфазные электрические цепи – вырабатывается с помощью трехфазных генераторов. Работа генераторов основана законе электромагнитной индукции.

Состоит генератор из двух частей:

Неподвижный статор
Вращающийся ротор

Статор – полый цилиндр (сердечник), в пазы, которые уложены 3 обмотки (фазы) (углубления в сердечнике). Обмотки уложены под углом в 120°. Начала и конца фаз маркируются буквами. 1 фаза: A-X 2 фаза: B-Y 3 фаза: C-Z Ротер – электромагнит При вращении ротера, его магнитные поле пересекает обмотки статора и по закону электромагнитной индукции, в них находится ЭДС. Так как обмотки сдвинуты на 120°, то наводимые ЭДС тоже сдвинуты на 120° Если подключить 3 приемника к каждой фазе, получим 3 не связанных между собой электрические цепи, но они будут однофазными. По сравнению с однофазной цепью, трехфазная имеет два преимущества:

Меньше расходует Металла на линию электропередач (20%)
Трехфазная цепь позволяет получать вращающиеся магнитный поля

Звезда – такое соединение, где концы фаз генератора или приемника сведены в одну точку, а начало фаз генератора и приемника соеденены линейными проводами.

Понятие о смещение нейтрали, четырех проводная линия электропередачи.

Трехфазная система. Анимация электрических процессов

При неравномерной нагрузке в трехпроводной цепи происходит смещение нейтрали вправо, тогда фазное напряжение не одинаковое, что приведет к аварийным ситуациям. Таким образом, трехпроводная цепь работоспособна только при равномерной нагрузки. Для работы с неравномерной нагрузкой используется четырехпроводная схема соединения звездой.

Треугольник – такое соединение, когда конец первой с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой. Данная схема всегда трёхпроводная и некритична к неравномерным нагрузкам. Мощность 1-ой фазы: Мощность 3-х фазной: P3ф=UлIлcosy; 3Pф=3UфIфcosy Несмотря на то, что формулы одинаковы для звезды и для треугольника, однако, при переключении приемника с треугольника на звезду, или наоборот, потребляемые мощности будут разными. Со звезды к треугольнику: Мощность, потребляемая приемником, увеличивается в три раза. Активную мощность измеряется вольтметром, существует 3 схемы включения вольтметра

Определение трехфазных систем

Трехфазная система – это система электропитания, в которой используется три фазы переменного тока, смещенные по фазе на 120 градусов друг относительно друга. Каждая фаза представляет собой синусоидальный ток или напряжение, который имеет свою амплитуду и фазу.

Трехфазные системы широко используются в электроэнергетике и промышленности, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с однофазными системами. Они обеспечивают более эффективное использование энергии, позволяют передавать большие мощности и обеспечивают более стабильную работу электрооборудования.

Трехфазные системы также обладают симметрией, что означает, что амплитуды и фазы токов или напряжений в каждой фазе равны между собой. Это позволяет упростить анализ и расчеты в трехфазных системах.

Преимущества трехфазных систем

Трехфазные системы являются основным стандартом в электроэнергетике и промышленности. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с однофазными системами:

Более эффективное использование энергии

В трехфазных системах мощность передается по трем проводам, что позволяет увеличить эффективность передачи энергии. По сравнению с однофазными системами, трехфазные системы могут передавать в три раза больше мощности при том же напряжении и токе.

Передача больших мощностей

Трехфазные системы позволяют передавать большие мощности, что особенно важно для промышленных предприятий и электроэнергетики. Благодаря трехфазной системе можно эффективно питать мощные электродвигатели, трансформаторы и другое электрооборудование.

Более стабильная работа электрооборудования

Трехфазные системы обеспечивают более стабильную работу электрооборудования. Благодаря симметрии в трехфазных системах, амплитуды и фазы токов или напряжений в каждой фазе равны между собой. Это позволяет уменьшить пульсации напряжения и тока, что в свою очередь улучшает работу электрооборудования и увеличивает его срок службы.

Удобство в распределении нагрузки

Трехфазные системы позволяют равномерно распределить нагрузку между фазами. Это особенно важно для равномерного распределения нагрузки на трансформаторы и линии передачи электроэнергии. Равномерное распределение нагрузки позволяет избежать перегрузок и повышает эффективность системы.

В целом, трехфазные системы обладают рядом преимуществ, которые делают их предпочтительными в электроэнергетике и промышленности. Они обеспечивают более эффективное использование энергии, позволяют передавать большие мощности и обеспечивают более стабильную работу электрооборудования.

Правила выбора – что лучше 1 или 3 фазы

При выборе типа домашней сети – между 1-фазной и 3-х-фазной, рекомендую руководствоваться следующими принципами:

Мощность потребления всего электрооборудования не превышает 10 кВт. Для питания достаточно одной фазы и нулевого провода. Подходит для вариантов, когда жилище имеет альтернативный тип обогрева (дрова, газ, уголь), и не применяется мощная техника.
Потребительский предел выше 10 кВт. Потребуется 3-х-фазная система электроснабжения. Как правило, такие условия возникают при установке в доме электрокотла, наличии сопутствующего электрооборудования на участке, в гараже, мастерской.
Наличие 3-х-фазных установок. Например, если планируется пользоваться мотором на три фазы, лучше сразу подключать дом к сети электричества с напряжением на 380 вольт – так как разница в КПД будет ощутимее и расходы ниже, чем при питании его в 1-фазной цепи, то есть на 220 В.

Видео о том, что такое 3-фазный переменный ток:

В цепи большое количество 1-фазных потребителей с суммарной мощностью свыше 15 кВт. В таком случае нужно выбирать 3-фазное подключение с последующим равномерным распределением нагрузки по каждой фазе. В противном случае потребуются расходники с нереальными параметрами. Например, для нагрузки в 15000 ватт в 1-фазной цепи понадобится медный кабель сечением 10 мм² и автомат на 70 А.

Главный недостаток 3-фазной цепи с распределением нагрузки по отдельным фазам выражается в ограничении потребительской мощности. К примеру, если выделяется всего 15 кВт, значит, на каждую ветку пойдет по 5 кВт. Поэтому перед подключением нужно тщательно продумать схему распределения.

Варианты подключения

Контакты обмоток трансформатора или генератора в сетях с 3-фазного напряжения объединяются 2-мя способами:

Звезда. Концы обмоток стыкуются в единую точку.
Треугольник. Соединение обмоток выполняется таким образом, чтобы конец 1-ой стыковался с началом 2-ой, а конец 2-ой с началом 3-ей, и конец 3-ей с началом 1-ой.

Видео о том, что лучше для дома 1 или 3 фазы:

При этом подключить потребителя к сети можно по следующим вариантам схем:

Звезда-звезда – с применением нейтрального проводника.
Звезда-звезда – без нулевого провода.
Звезда-треугольник.
Треугольник-звезда.
Треугольник-треугольник.

Наличие такого разнообразия вариантов подключения в системе трехфазного переменного тока обуславливается тем, что как источник, так и потребитель можно подключать звездой или треугольником. При этом в каждом случае будет возникать свои линейные и фазные соответствия.

Особенности подключения двигателя

Если вы хотите подключить 3-х-фазный электродвигатель асинхронного типа, и при этом получить максимальный КПД, советую соединять контакты его обмотки по схеме «треугольник». При этом надо учесть, что в таком случае включение мотора в качестве нагрузки будет иметь следующие особенности:

Потребляемая мощность возрастает в 1,5 раза.
Ввиду усилия, требуемого для раскрутки, сила пускового тока повышается в 6-7 раз по сравнению с рабочим значением.
При внезапном возрастании сопротивления вращающегося вала происходит резкий скачок силы тока.

Видео-обзор о том, как выполняется подключение «звезда» и «треугольник» на примере асинхронного двигателя:

Всего этого можно избежать, если подключить электропривод по схеме «звезды». Ценой некоторого понижения КПД удастся исключить риск перегрева и рывок при запуске, обеспечив плавное нарастание оборотов до рабочего уровня. Благодаря этому оборудование будет работать хотя и слабее, но надежнее и дольше без риска поломки.

Обратите внимание!

В зависимости от схемы подключения обмоток различаются 2 вида электротока – фазное и линейное. Так, когда ток трехфазной цепи на 380 В циркулирует по обмотке потребителя или генератора, речь идет о межфазном или фазном напряжении. Когда же передача идет через проводник от источника к нагрузке, говорят о линейной разновидности.

Видео-советы по тому, что лучше для дома – 1 или 3 фазы:

Преимущества трехфазного подключения

Отметим основные преимущества трехфазной сети.

Универсальное использование Подключение большого количества электроприборов Рациональное распределение фаз

Преимущества	Описание
К трехфазной сети можно подключать как однофазные нагрузки (220 В), так и электроустановки, работающие на линейном напряжении (380 В) – станков, сварочных аппаратов и другого специализированного электрооборудования большой мощности.
Более высокая выходная мощность – от 15 кВт, что позволяет подключить большое количество электроприборов.
Для большого хозяйства ввод в частный дом трехфазной сети более рационален. Так как появляется выбор распределения 3 фаз между помещениями или потребителями в доме. Например, для домашней электропроводки можно использовать одну фазу, для мощной бытовой техники – вторую, а для подсобных помещений – третью.

Недостатки трехфазного ввода

У трехфазного подключения есть и свои существенные недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Равномерное распределение нагрузки по фазам Ограничение по мощности однофазных нагрузок. Высокая стоимость Просадки сетевого напряжения Особенности подключения потребителей с трехфазными моторами

Недостатки	Описание
Чтобы не случилось перекоса фаз, необходимо равномерно распределять однофазных потребителей по трем фазам. Поэтому при проектировании трехфазной электропроводки в частном доме требуется уделять большое внимание правильному распределению нагрузки.
Например, если выделенная мощность на дом составляет 15 кВт, то каждая фаза будет иметь по 5 кВт с максимальным током не более 22 А. В этом случае возникнет проблема в подключении более мощной однофазной нагрузки.
Проложить внутри дома трехфазную сеть будет значительно дороже, чем однофазную. Применение кабелей и проводов с большим количеством жил (каждая фаза должна разводиться отдельным кабелем), установка более модернизированного электрощита, трехфазного счетчика, автоматических выключателей, а также специальных аппаратов защиты – все это скажется на итоговой стоимости.
Некоторые пользователи считают, что при просадке одной из фаз, можно свободно пользоваться двумя другими. Но в этом случае их запросто можно перегрузить. Для безопасного переключения фаз понадобится электронный переключатель.
Для подключения потребителей с трехфазными моторами потребуется специальный прибор для поиска правильного чередования фаз (фазировки). Правда данную фазировку нужно соблюсти только на самом моторе при подключении.

Откуда вообще появилось понятие переменный ток?

Да с тех самых пор, когда человечество, узнав, что перемещение магнита вблизи проводника вызывает электрический ток в проводнике. Именно движение магнита вызывает ток, если магнит положить рядом с проводом и не двигать – никакого тока в проводнике это не вызовет. Далее, мы хотим получить (генерировать) в проводнике ток, чтобы использовать его в дальнейшем для каких-либо целей. Для этого изготовим катушку из медного провода и начнём возле неё двигать магнит. Магнит можно передвигать возле катушки как угодно – двигать по прямой туда-сюда, но, чтобы не двигать магнит руками, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать его вращать около катушки, аналогично вращению бутылки с водой из предыдущего примера. Вот именно таким образом — по техническим причинам — мы и получили синусоидальный переменный ток, используемый ныне повсеместно. Синусоида – это развёрнутое во времени описание вращения.

В дальнейшем оказалось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от протекания постоянного тока. Например, для протекания постоянного тока сопротивление катушки равно просто омическому сопротивлению проводов. А для переменного тока – сопротивление катушки из проводов значительно увеличивается из-за появления, так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток через заряженный конденсатор не проходит, для него конденсатор – разрыв цепи. А переменный ток способен свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее выяснилось, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток с другими напряжением или силой тока. Постоянный ток такой трансформации не поддаётся и, если мы включим любой трансформатор в сеть постоянного тока (что делать категорически нельзя), то он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет сопротивляться только омическое сопротивление провода, которое делается как можно меньше, и через первичную обмотку потечёт большой ток в режиме короткого замыкания.

Заметим также, что электродвигатели могут быть созданы для работы и от постоянного тока, и от переменного тока. Но разница между ними такая – электродвигатели постоянного тока сложнее в изготовлении, но зато позволяют плавно изменять скорость вращения обычным регулирующим силу тока реостатом. А электродвигатели переменного тока гораздо проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной, обусловленной конструкцией скоростью. Поэтому в практике широко применяются и те, и другие. В зависимости от назначения. Для целей управления и регулирования применяются двигатели постоянного тока, а в качестве силовых установок – двигатели переменного тока.

Далее конструкторская мысль изобретателя генератора двигалась примерно в таком направлении – если удобнее всего для генерации тока использовать вращение магнита рядом с катушкой, то почему бы вместо одной катушки генератора не расположить вокруг вращающегося магнита несколько катушек (места-то вокруг вон сколько)?

Получится сразу же, как бы несколько генераторов, работающих от одного вращающегося магнита. Причём переменный ток в катушках будет отличаться по фазе – максимум тока в последующих катушках будет несколько запаздывать относительно предыдущих. То есть синусоиды тока, если их графически изобразить, будут, как бы между собой, сдвинуты. Это важное свойство – сдвиг фаз, о котором мы расскажем ниже.

Примерно так рассуждая, американский изобретатель Никола Тесла и изобрёл сначала переменный ток, а затем и трёхфазную систему генерации тока с шестью проводами. Он расположил три катушки вокруг магнита на равном расстоянии под углами 120 градусов, если за центр углов принять ось вращения магнита.

(Число катушек (фаз) вообще-то может быть любым, но для получения всех тех преимуществ, что даёт многофазная система генерации тока, минимально достаточно трёх).

Далее русский учёный электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трёх — и четырёхпроводную систему передачи трёхфазного переменного тока. Он предложил соединить один конец всех трёх обмоток генератора в одну точку и передавать электроэнергию всего по четырём проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах существенная). Оказалось, что при симметричной нагрузке каждой фазы (равным сопротивлением) ток в этом общем проводе равняется нулю. Потому что при суммировании (алгебраическом, с учётом знаков) сдвинутых по фазе на 120 градусов токов они взаимно уничтожаются. Этот общий провод так и назвали – нулевой. Поскольку ток в нём возникает только при неравномерности нагрузок фаз и численно он небольшой, гораздо меньше фазных токов, то представилась возможность использовать в качестве «нулевого» провод меньшего сечения, чем для фазных проводов.

По этой же самой причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы получились значительно менее материалоёмкими, так как в магнитопроводе трансформатора происходит взаимопоглощение магнитных потоков и его можно делать с меньшим сечением.

Сегодня трёхфазная система электроснабжения осуществляется четырьмя проводами, три из них называются фазными и обозначаются латинскими буквами: на генераторе — А, В и С, у потребителя — L1, L2 и L3. Нулевой провод так и обозначается – 0.

Напряжение между нулевым проводом и любым из фазных проводов называется – фазным и составляет в сетях потребителей – 220 вольт.

Между фазными проводами тоже существует напряжение, причём значительно выше, чем фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет в цепях потребителей 380 вольт. Почему же оно больше фазного? Да всё это из-за сдвига фаз на 120 градусов. Поэтому, если на одном проводе, к примеру, в данный момент времени потенциал равен плюс 200 вольт, то на другом фазном проводе в этот же момент времени потенциал будет минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, то есть оно будет + 200 – (-180)=+380 В.

Возникает вопрос, если по нулевому проводу ток не протекает, то нельзя ли его вообще убрать. Можно. И мы получим трёхпроводную систему электроснабжения. С соединением потребителей так называемым «треугольником» — между фазными проводами. Однако нужно заметить, что при неравномерной нагрузке в сторонах «треугольника» на генератор будут действовать разрушающие его нагрузки, поэтому данную систему можно применять при огромном количестве потребителей, когда неравномерности нагрузок нивелируются. Передача электроэнергии от больших электростанций при высоких фазных и линейных напряжениях (сотни тысяч вольт) так и осуществляются. Почему же применяется такое высокое напряжение. Ответ простой – чтобы уменьшить потери в проводах на нагрев. Так как нагрев проводов (потери энергии) пропорционален квадрату протекающего тока, то желательно чтобы протекающий ток был минимален. Ну а для передачи необходимой мощности при минимальном токе нужно повышать напряжение. Линии электропередач (ЛЭП) так и обозначаются, к примеру, ЛЭП – 500 – это линия электропередачи под напряжением 500 киловольт.

Кстати потери в проводах ЛЭП можно ещё более снизить, применяя передачу постоянного тока высокого напряжения (перестаёт действовать емкостная составляющая потерь, действующая между проводами), проводились даже такие эксперименты, но широкого распространения пока такая система не получила, видимо вследствие большей экономии в проводах при трёхфазной системе генерации.

Выводы: преимущества трёхфазной системы

В заключение статьи подведём итоги, – какие же преимущества даёт трёхфазная система генерации и электроснабжения?

Экономия на количестве проводов, необходимых для передачи электроэнергии. Учитывая немалые расстояния (сотни и тысячи километров) и то, что для проводов используют цветные металлы с малым удельным электрическим сопротивлением, экономия получается весьма существенной.
Трёхфазные трансформаторы, при равной мощности с однофазными, имеют значительно меньшие размеры магнитопровода. Что позволяет получить существенную экономию.
Очень важно, что трёхфазная система передачи электроэнергии создаёт при подключении потребителя к трём фазам как бы вращающееся электромагнитное поле. Опять-таки, вследствие сдвига фаз. Это свойство позволило создать чрезвычайно простые и надёжные трёхфазные электродвигатели, у которых нет коллектора, а ротор, по сути, представляет собой простую «болванку» в подшипниках, к которой не нужно подсоединять никакие провода. (На самом деле конструкция короткозамкнутого ротора имеет свои особенности и вовсе не болванка) Это так называемые трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Очень широко распространённые сегодня в качестве силовых установок. Замечательное свойство таких двигателей – это возможность менять направление вращения ротора на обратное простым переключением двух любых фазных проводов.
Возможность получения в трёхфазных сетях двух рабочих напряжений. Другими словами менять мощность электродвигателя или нагревательной установки путём простого переключения питающих проводов.
Возможность значительного уменьшения мерцаний и стробоскопического эффекта светильников на люминисцентных лампах путём размещения в светильнике трёх ламп, питающихся от разных фаз.

Благодаря этим преимуществам трёхфазные системы электроснабжения получили широчайшее распространение в мире.

Преимущества трехфазного тока перед однофазным

Однофазные электросистемы активно применяются в повседневной жизни. Подавляющее большинство бытовых приборов – однофазные. Они рассчитаны на напряжение 220 вольт и частоту тока 50 Гц. Использование для электропитания квартир 3-х фазного тока сделало бы разводку электрокабелей в щитах конечного потребителя слишком сложной, габаритной, а монтаж, обслуживание и ремонт более дорогими. В действительности же одна фаза, подходящая к квартирному электрощиту, является ответвлением трехфазной системы.

Трехфазный ток при этом широко применяется в производственных целях для питания мощных устройств. 3-х фазный генератор может вырабатывать как 220, так и 380 в. и используется для обеспечения автономной энергией специального оборудования при строительстве, производстве. Напряжение 380 вольт также может потребоваться для отдельной бытовой техники, такой, как, например, 3-фазная электроплита или 3-фазный компрессор.

Применение трехфазного тока имеет бесспорные преимущества:

В однофазной системе задействовано два провода: фазный и нулевой. В трехфазной на три фазы приходится не шесть, а всего 4 проводника (три фазных и один нулевой). Ток в нулевой жиле возникает только при перекосе фаз. При идеальном распределении его величина равна нулю. Именно поэтому он и назван нулевым. Его сечение можно значительно сократить. Также уменьшаются значения максимальных токов. Результатом является экономия цветных металлов.
з-х фазная система пригодна для подключения однофазных потребителей. А от одной фазы трехфазный прибор не работает.
Трехфазная установка выдает напряжение 220 и 380 вольт в зависимости от подключения по схемам «звезда» и «треугольник».
Трехфазные электромоторы проще по конструкции, чем однофазные переменного и постоянного тока. Они, к примеру, не имеют коллектора. А короткозамкнутые асинхронные электромоторы меняют направление вращения при переключении двух любых проводников.
В люминесцентных осветительных приборах сокращается стробоскопический эффект (мерцание), так как три лампы подсоединяются к трем фазам, сдвинутым на 120°.
Применение трехфазного тока позволяет передавать ток высокого напряжения на огромные расстояния с минимальными тепловыми потерями.

Несмотря на все преимущества 3-х фазного тока, в быту, например, на дачном участке, не имеющем трехфазного оборудования и потребляющем невысокую мощность, будет достаточно однофазного питания. Во всех других случаях рекомендуется использовать именно трехфазные установки.