Přednáška č. 8. Trojfázové obvody | Webové stránky distančního vzdělávání – MOODLE KNRTU (KKhTI)

Snížení hmotnosti vodičů elektrické sítě pro daný přenášený výkon a určité procento ztrát v síti lze dosáhnout nejen zvýšením napětí v síti, ale také kombinací několika nezávislých sítí, přičemž v některých vodičích je možné vytvářet proudy, které se vzájemně kompenzují. To umožňuje zmenšit buď počet vodičů, nebo jejich průřez.

Již v prvních letech vývoje elektrotechniky, kdy se přenos elektřiny prováděl při konstantním napětí, byla tato myšlenka využita v tzv. třívodičovém systému navrženém Dolivom-Dobrovolským.

Nechť existují dva identické zdroje konstantního napětí U , každý z nich obsluhuje své vlastní spotřebitele (viz obr.). Síť se skládá ze čtyř vodičů o průřezu S , určené proudy I ₁ и I ₂ Pokud se dva vodiče spojí do tzv. neutrálního (vyrovnávacího) vodiče (viz obr.), pak se v něm sčítají opačně směrované proudy; proto lze průřez vodiče výrazně zmenšit. Při symetrickém zatížení ( I ₁ = I ₂ ) vyrovnávací vodič se ukáže jako zbytečný a úspora vodičů dosahuje 50 %. Při změně zátěže (bez nulového vodiče) dojde k přerozdělení napětí mezi nimi, což je nežádoucí, nulový vodič výrazně snižuje asymetrické rozložení napětí; pokud lze zanedbat vnitřní odpor zdrojů a odpor vedení, pak se asymetrie téměř úplně eliminuje. Podobná myšlenka je základem vícefázových střídavých systémů.

Dvoufázový proud

Uvažujme generátor podobný konvenčnímu generátoru střídavého proudu, ale obsahující dvě nezávislá vinutí: jedno sestávající z cívek 1 a 3 a druhé sestávající z cívek 2 a 4, otočených vzhledem k prvnímu o úhel p/2. Při otáčení rotoru se v každém z vinutí indukuje střídavý elektromotorický síla, ale maximální elektromotorická síla E_B ve vinutí 2-4 bude dosaženo později než maximální EMF E_A ve vinutí 1-3 po dobu rovnající se čtvrtině periody otáček rotoru a EMF E_B zmizí se stejným zpožděním. Jinými slovy, mezi kmity EMF v obou vinutích bude fázový posun 90°, neboli p/2. Označíme-li maximální hodnotu EMF v každém vinutí jako E (amplituda EMF) a úhlová rychlost otáčení rotoru – skrz w , pak bude mít zákon změny elektromotorického síly v obou cívkách tvar

,

Každé ze dvou vinutí generátoru můžeme připojit k zatěžovacím rezistorům. R_A и R_B (Obr. а), a pak dostaneme dva obvody, z nichž každý bude mít střídavý proud. Oba tyto proudy však budou koordinované a bude mezi nimi také určitý fázový rozdíl. Dva takové proudy se nazývají dvoufázová proudová soustava nebo jednoduše dvoufázový proud.

Na obr. а Jsou znázorněny čtyři vodiče pro připojení generátoru k zátěži. Počet vodičů však lze snížit.

Protože pro elektrické jevy jsou důležité pouze rozdíly potenciálů, lze jeden vodič každého obvodu spojit (nazývá se neutrální nebo nulový vodič) a poté získáme třívodičový obvod dvoufázového proudu, znázorněný na obr. б.

Každé ze dvou vinutí generátoru se nazývá fáze generátoru; každá ze dvou zátěží se nazývá fáze zátěže; proudy, které jimi protékají, jsou fázové proudy generátoru. I _Ф nebo, respektive, zátěže a napětí na nich jsou fázová napětí ( U _Ф ).

Proudy protékající lineárními vodiči se nazývají lineární; Označují se , . Dohodněme se, že kladný směr proudů je směr od generátoru k zátěži. Lineární proudové moduly se často označují I _Л (bez udání jakéhokoli dalšího indexu), zejména když jsou všechny síťové proudy stejně velké.

Napětí mezi vodiči sítě se nazývá lineární a často jsou dodávány se dvěma indexy, například U_AB (síťové napětí mezi body А и В ); lineární napěťový modul je označen U _Л .

Pokud je generátor otevřený, pak se fázová napětí rovnají elektromotorické síle v každém vinutí (elektromotorická síla zdroje se rovná napětí na svorkách zdroje pouze tehdy, když je obvod otevřený). Pokud vezmeme potenciál neutrálního vodiče jako nulový, pak se potenciál síťového vodiče А, nebo fázové napětí mezi vodiči A и N , je rovný

a fázové napětí mezi B и N rovná se

Síťové napětí mezi vodiči A и B mezi vodiči je potenciální rozdíl A и B :

V třívodičovém systému dvoufázového proudu tedy můžeme získat tři obyčejné (jednofázové) proudy stejné frekvence w , ale s fázovým posunem 90° a 45° a se dvěma různými amplitudami EMF a .

Pojďme se nyní zabývat otázkou úspory kovu při přechodu z odpojeného dvoufázového systému na připojený. Spotřeba kovu je úměrná ploše průřezu vodičů, které se volí na základě přípustného proudu. Vezměme A. Pak plocha průřezu lineárních vodičů nesmí být menší než 6 mm².

Pokud EMF E_A и E_B byly ve fázi, pak by i proudy byly ve fázi, tedy podle prvního Kirchhoffova zákona A. Tento proud bude vyžadovat neutrální vodič s průřezem alespoň 16 mm². Celková plocha průřezu vodičů obvodu (obr. а ) 4·6 = 24 mm² a diagramy (obr. б) 2 6+16 = 28 mm2, tj. přechod na spřažený dvoufázový obvod bez fázového posunu elektromotorické síly vede ke zvýšení spotřeby kovu pro vodiče. Pro úsporu kovu je nutné snížit proud neutrálního vodiče. Toho lze dosáhnout posunem fáze lineárních proudů (v důsledku fázového posunu elektromotorické síly).

Proud v nulovém vodiči má minimální hodnotu při fázovém posunu 180° mezi proudy vedení I_А и I_B (v praxi se však takový fázový posun kvůli technickým obtížím nepoužil).

Jestliže I_A=I_B , pak proud neutrálního vodiče I_N= 0. Vzhledem k absenci proudu I_N Je docela možné se obejít bez nulového vodiče. Pak bude dvoufázový obvod obsahovat dva vodiče oproti čtyřem vodičům v jednofázovém obvodu, tj. spotřeba kovu na vodiče se sníží na polovinu.

Třífázový proud

Výroba, přenos a distribuce elektrické energie se v současnosti provádí převážně pomocí třífázových systémů. Schéma zapojení třífázového generátoru proudu je znázorněno na obrázku. Rotor generátoru má tři vinutí, posunutá vůči sobě o 1/3 obvodu a generující střídavou elektromotorickou sílu posunutou vůči sobě.

V současné době se však používá generátorový obvod se třemi vinutími na statoru (viz obr.), ve kterém rotující rotor indukuje střídavý EMF. E_A , E_B и E_C , mezi nimiž bude fázový rozdíl 120 a 240°. Pokud tedy kmity EMF v prvním vinutí vyjádříme vzorcem

pak pro EMF v ostatních vinutích máme

Změna EMF v čase ve třech vinutích je graficky znázorněna na obrázku.

Každé z vinutí můžeme zkratovat na zatěžovací odpory. R_A , R_B и R_C (viz obr.) a získáme tři jednofázové střídavé proudy, mezi nimiž bude striktně konstantní fázový rozdíl rovný 120° a 240°. Takové tři koordinované střídavé proudy se nazývají třífázová proudová soustava nebo stručně třífázový proud.

Počet vodičů spojujících generátor se zátěží, stejně jako u dvoufázového proudu, lze snížit kombinací jednoho vodiče v každém obvodu. Pak získáme zapojení generátoru znázorněné na obrázku, nazývané zapojení do hvězdy.

Stejnojmenné svorky tří vinutí, spojené do jednoho bodu, se nazývají nulový bod generátor Оa bod, ve kterém jsou připojeny tři konce třífázové zátěže, se nazývá nulový bod zatížení a označují O‘ . Nulový vodič je název pro vodič spojující nulové body generátoru a zátěž. Vinutí generátoru jsou označena písmeny A , В, С a se nazývají fáze generátoru; každá ze tří zátěží se nazývá fáze zátěže; proudy, které jimi protékají, jsou fázové proudy generátoru, respektive zátěže, a napětí na nich jsou fázová napětí.

Dráty spojující body А , В, С generátor se zátěží, tzv. lineární. Proudy protékající lineárními vodiči se nazývají lineárnía napětí mezi vodiči sítě se nazývá lineární.

Předpokládejme, že generátor je otevřený ( R_A = R_B = R_C = ¥ ) a najdeme vztah mezi fázovým napětím (existujícím v každém z vinutí A , B , C ) a síťová napětí. Například napětí mezi vodiči А и С rovný potenciálovému rozdílu mezi volnými konci vinutí А и С:

Máme tedy síťové napětí, které se mění se stejnou frekvencí jako fázové napětí, ale s amplitudou několikrát větší než fázové napětí. Při zapojení generátoru do hvězdy tedy můžeme v síti získat dvě napětí, a to fázové napětí E a.

Předpokládejme nyní, že generátor je zatížen odpory, které jsou rovněž zapojené do hvězdy, a R_A = R_B = R_C (symetrické zatížení). V tomto případě je v každém z lineárních vodičů amplituda proudů I budou stejné a proudy v nich se budou měnit podle zákona , , . V neutrálním vodiči, který je společný, je síla proudu I bude se rovnat součtu všech lineárních proudů:

. Proto

Při symetrickém zatížení je tedy proud v neutrálním vodiči nulový (proto se tento vodič nazývá neutrální). V případě symetrického zatížení (nebo i přibližně symetrického) lze neutrální vodič zcela odstranit a vedení bude fungovat správně (viz obr.).

Je také možné jiné zapojení vinutí generátoru, jak je znázorněno na obrázku (trojúhelníkové zapojení).

Na první pohled se může zdát, že v tomto případě jsou vinutí zkratována. To by skutečně platilo, kdybychom měli tři zdroje stejnosměrného proudu. Ve skutečnosti máme střídavé elektromotorické síly s fázovým posunem, což situaci výrazně mění. Celková elektromotorická síla trojúhelníku se skutečně rovná

Ale tento součet jsme již výše vypočítali a viděli jsme, že se rovná nule. Celková elektromotorická síla trojúhelníku se tedy rovná nule a pokud generátor není zatížen, pak nejenže nedojde ke zkratu, ale v jeho vinutích neprotéká vůbec žádný proud.

Z posledního obrázku je bez výpočtů zřejmé, že při zapojení do trojúhelníku jsou síťová napětí rovna fázovým napětím; když je generátor otevřený, amplituda síťových napětí je rovna amplitudě elektromotorické síly v jednom vinutí. E .

Závěrem konstatujeme, že je možné použít kombinované obvody, které například spojují generátor s hvězdou a spotřebiče energie s trojúhelníkem, nebo naopak generátor s trojúhelníkem a spotřebiče s hvězdou.

Výhody třífázových systémů

Rozšířené používání třífázových systémů je způsobeno především třemi hlavními důvody:

1) přenos energie na velké vzdálenosti třífázovým proudem je ekonomicky výhodnější než střídavým proudem s různým počtem fází;

2) prvky systému – třífázový synchronní generátor, třífázový asynchronní motor a třífázový transformátor – se snadno vyrábějí, jsou ekonomické a spolehlivé v provozu;

3) systém má vlastnosti konstantní okamžité hodnoty výkonu po celou dobu sinusového proudu, pokud je zatížení ve všech třech fázích třífázového generátoru stejné.

Otázky pro sebeovládání:

1. Uveďte definici dvoufázového proudu.

2. Jak funguje třífázový generátor?

3. Jaké jsou rozdíly v elektromotorickém napětí indukovaném ve fázových vinutích třífázového zdroje elektrické energie?

4. Co je to trojfázový střídavý proud a jak se vyrábí?

5. Vysvětlete schémata zapojení vinutí generátoru.

6. Co se nazývá šesti-, čtyř- a třívodičový třífázový proudový systém?

7. Které proudy a napětí v trojfázovém obvodu se nazývají fázové a které se nazývají linkové?

8. V jakých případech se v třífázovém obvodu používá neutrální vodič a k čemu slouží?

9. Jaké jsou výhody třífázových systémů?

Jak je známo každému, kdo se alespoň trochu zajímá o elektriku, třífázový proud protéká dráty, které přenášejí energii na velké vzdálenosti, protože je to takto výhodnější. V bytě se objevuje s 1 fází a rozdělení třífázového obvodu na 3 1fázové obvody jde na ASU. Objeví se tam kabel s 5 žilami a vyjde kabel se 3 žilami.

Ale kde jsou ostatní 2? Odpověď je překvapivá ve své jednoduchosti, protože jiné byty jsou jimi poháněny. To ale neznamená, že počet bytů je tři. Jejich počet závisí pouze na síle kabelů. Uvnitř stínění je třífázový obvod rozpojen na jednofázový obvod. Ke každé fázi, která jde do bytu, se přidá nula a „uzemnění“ a na výstupu vidíme kabel se 3 žilami. V ideálních situacích by měla být v třífázových sítích přítomna pouze jedna nula. Více není potřeba: proud se pohybuje ve fázích (vzhledem k ostatním) o 1/3. Nula bude nulový vodič, protože nemá žádné napětí. V třífázových sítích, ke kterým není nic připojeno, není v nulových vodičích přesně žádné napětí. Co se stane, když je síť připojena z jednofázového obvodu? Fáze 1 půjde do jednoho bytu, kde bude 1 lednička a 2 lampy. 2. fáze bude v bytě, kde bude 5 klimatizací, 2 PC a indukční vařič a podobně.

Není žádným tajemstvím, že zatížení takových fází nebude jednotné, takže nebude existovat žádný nulový vodič. A bude na ní napětí a také, čím identičtější bude zátěž, tím bude silnější. Fáze se již nebudou moci vzájemně kompenzovat tak, aby výsledek byl 0.

V moderním světě se situace s takovým nekontrolovaným proudem zhoršuje kvůli skutečnosti, že se objevuje stále více nových „pulsních“ zařízení. Při jejich zapojení se začne spotřebovávat mnohem větší množství energie než při běžném provozu. Taková zařízení spolu s různým zatížením fáze mohou také vytvářet podmínky, kdy v „nulách“ začne vznikat napětí, které bude mít sílu 2krát větší než v jakýchkoli jiných fázích. Neutrál má stejný průřez jako fázový vodič, ale zatížení bude vyšší.

Proto se častěji vyskytují případy nazývané „hořící 0“ – nulové vodiče se nedokážou vyrovnat s poskytnutým zatížením, takže vyhoří. Boj proti tomuto jevu je náročný na práci: buď zvětšete průřez nulového vodiče (to je drahé), nebo rozložte zátěž na 3 fáze ve stejných podílech (a to je nereálné kvůli podmínkám více bytů). Nebo si můžete zakoupit oddělovací transformátor.

V soukromých domech je situace normalizována nejlepším způsobem, protože vlastníkem je 1 osoba, takže je snazší distribuovat fázové napětí. To lze dokonce nazvat vzrušujícím koníčkem. Všechny výpočty musí být provedeny přibližně. Vše záleží na preferencích majitele. Jsou zde výhody i nevýhody.

2 nevýhody třífázové sítě jsou:

(1) Napětí v sekci závisí na napětí v ostatních sekcích. Pokud je jedna fáze přetížena, ostatní již nebudou moci správně pracovat. To se projevuje různými způsoby. Abyste tomu zabránili, musíte si pořídit stabilizátor (a je to drahé!).
(2) Je také nutné správně provozovat třífázové sítě.

2 výhody třífázové sítě jsou:

(1) Příjem vysokého výkonu.
(2) jednofázový přetížení, když třífázový přetížení ani nepostřehne.

Příklad je jednoduchý. Pokud do domu na elektrickém vedení vstupuje pouze 1 fáze, pak je-li průřez vodiče, který vstupuje, 16 mm1, bude maximální výkon 3krát menší, než kdyby vstoupily 3 fáze. Rozdíl je zřejmý.

Podle známých informací je zřejmé, že drátem, který přenáší elektřinu, protéká třífázový proud, protože je to výhodnější. V bytě se jeví již jednofázově. Rozdělení třífázového obvodu na tři s jednou fází se provádí v ASU.

Je tam vložen pětižilový kabel a vyveden třížilový kabel.

Ale kde „zmizí“ další 2? Odpověď je jednoduchá: napájejí další byty. To vůbec neznamená, že existují v zásadě tři byty: jejich počet je omezen pouze trvanlivostí kabelu. Uvnitř stínění je třífázový obvod rozpojen na jednofázové obvody. Ke všem fázím jdoucím do bytu se přidá nula a přidá se uzemnění – na výstupu se získá třížilový kabel. Pokud mluvíme o ideálních případech, pak v třífázové síti by měla být pouze jedna 0. Více rozhodně není potřeba, protože proud je fázově posunut vůči ostatním proudům o třetinu. 0 je nulový vodič: není v něm žádné napětí. Vzhledem k zemi nemá žádný potenciál, na rozdíl od fázových proudů, ve kterých napětí dosahuje 220 wattů. Ve fázově-fázových párech již napětí dosahuje 380 wattů. V třífázových sítích, ke kterým není nic připojeno, není v nulových vodičích žádné napětí. Věci začínají být zajímavé, když je síť připojena k jednofázovému obvodu. Fáze 1 půjde do bytu, který má dvě lampy a ledničku, a fáze 2 půjde do bytu, který má pět klimatizací, 2 osobní počítače s indukčním vařičem a tak dále.

Je zřejmé, že zatížitelnost těchto dvou fází není totožná, nelze tedy mluvit o nulovém vodiči. Bude na něm i napětí. Navíc čím rovnoměrnější bude zátěž, tím bude silnější. Fáze se již nemohou vzájemně kompenzovat, takže celkový výsledek je nulový.

Dnes je situace s nekompenzovaným proudem v takové síti zhoršena skutečností, že se objevují nové elektrické spotřebiče nazývané „puls“. Když jsou připojeni, začnou spotřebovávat mnohem více energie než při běžné činnosti. Taková pulzní zařízení spolu s různým zatížením fází mohou také vytvářet podmínky, kdy se v nulových vodičích (nulách) objeví napětí se silou 2krát větší než v jakékoli jiné fázi. Ale nulový vodič má stejný průřez jako fázový vodič, ale zátěž je silnější.

Proto se častěji vyskytují případy nazývané „vyhoření 0“ – nulový vodič se nedokáže vyrovnat se zátěží, a proto vyhoří. Bojovat s těmito jevy je poměrně obtížné: musíte buď zvětšit průřez nulových vodičů (tento postup je poměrně nákladný), nebo rovnoměrně rozložit zatížení do tří fází (což vzhledem k budovám s více byty není možné). Nakonec si můžete zakoupit oddělovací transformátor, který sníží napětí. Nazývá se také „stabilizátor napětí“.

V soukromých domech je situace lépe normalizována, protože vlastníkem je jedna osoba, distribuce elektřiny napříč fázemi je mnohem jednodušší. To lze dokonce nazvat vzrušující činností: počítání výkonu elektrických spotřebičů a jejich určování ve fázích tak, aby zatížení bylo rovnoměrné. Všechny výpočty jsou provedeny přibližně, to vůbec neznamená, že budete muset rozsvítit světla a oba televizory a pokud je aktivován venkovní truhlářský stroj, dojde k přetížení. Vše bude záviset na přání majitele soukromého domu. Zde můžete zdůraznit své výhody a nevýhody.

Třífázová síť má pouze 2 nevýhody:

1. Napětí v jednotlivých oblastech je silně závislé na práci ostatních oblastí. Pokud je jedna z fází přetížena, zůstává správná činnost ostatních sporná. To se může projevit jakkoli. Abyste tomu zabránili, musíte si zakoupit stabilizátor, ale toto zařízení není levné.
2. Kromě toho musíte znát pravidla pro používání třífázové sítě.

Třífázová síť má také dvě výhody:

1. Může umožnit získání většího výkonu.
2. Pokud jednofázová síť s celkovým výkonem zařízení 10 kW již může zaznamenat přetížení, pak třífázová síť zvládne 30 kW v pohodě. Příklad je docela jednoduchý. Pokud do soukromého domu vstupuje z elektrického vedení pouze 1 fáze, pak s průřezem vodiče 16 mm1, který vstupuje, bude maximální výkon pouze 14 kW, a pokud jsou tři fáze – 42 kW. Rozdíl je viditelný pouhým okem.