Základy elektrotechniky 7 – Třífázové obvody

Touto publikací navazujeme na řadu publikací věnovaných základům elektrotechniky. V něm budeme hovořit o třífázových střídavých sítích.

Nejprve si připomeňme, jaká je fáze sinusoidy. Už jsme si řekli, že jde vlastně o časový posun sinusovky. Pokud vezmeme více zdrojů a každému přiřadíme různé posuny, dostaneme vícefázový systém obvodů. V tomto případě se pro zjednodušení každý obvod nazývá fáze. Fáze jsou zpravidla označeny písmeny (fáze A, fáze B atd.). Proč jsou vůbec potřeba vícefázové obvody? Abyste to pochopili, musíte opustit svět schematických symbolů a vstoupit do skutečného světa. Představme si, že máme cívku, která obtéká střídavý proud. Vytváří také střídavé magnetické pole. Nyní vedle ní umístěte stejnou cívku, ale obtékanou proudem s posunutou fází.

Pak magnetické pole dosáhne svého maxima nejprve na jedné cívce a poté na druhé. Protože jedno pole je nerozeznatelné od druhého, tato časová prodleva vytváří efekt pohybu pole v prostoru. To je velmi důležitý bod: pomocí stacionárních vodičů jsme byli schopni získat pohybující se magnetické pole. Nyní, když to víme, pojďme zjistit, proč jsou vícefázové obvody zpravidla třífázové.

Ve skutečnosti je vše jednoduché: tři jsou minimální počet cívek, se kterými můžete získat rovnoměrně rotující magnetické pole. K tomu je potřeba je umístit s posunem o 120° v prostoru a přivést na ně napětí, posunuté v čase o 120°.

V elektromechanice se mimochodem dělí takto: elektrické stupně a mechanické stupně a obecně se navzájem nerovnají. Ale teď o tom nebudeme mluvit; to už není předmět elektrotechniky, ale elektromechaniky, elektrických strojů. Teď si to jen potvrdíme třífázový obvod – jedná se o obvod, ve kterém jsou tři fáze vzájemně posunuté o 120°. Mimochodem, toto je velmi vhodné znázornit na vektorovém diagramu ve formě symetrické trojice vektorů. V praxi se obvykle zobrazuje pouze fázový vektor A, protože zbytek je přesně stejný, pouze posunutý. Zdrojem třífázového napětí je obvykle třífázový generátor. V podstatě se jedná o stejné tři cívky, o kterých jsme hovořili výše, mezi nimiž se otáčí magnet.

Vyvolává v nich EMF, posunuté v čase. Dále je zajímavá otázka: jak přenést toto třífázové napětí? Tahání šesti drátů je stále příliš plýtvání, proto jsou vinutí navzájem spojena buď hvězdou nebo trojúhelníkem.

Nejprve uvažujme hvězdicové spojení. V tomto případě jsou začátky všech vinutí volné a konce jsou spojeny.

Jak je vidět z obrázku, jsou zde vidět dvě různá napětí: mezi začátky sousedních vinutí a na každém jednotlivém vinutí. Napětí mezi konci vinutí se nazývá síťové napětí, protože je to napětí mezi dvěma vedeními přenosu energie. Napětí mezi začátkem vinutí a společným bodem se nazývá fázové napětí, protože je to napětí na jedné fázi. Vztah mezi amplitudami lineárních a fázových napětí lze odvodit buď algebraicky, se znalostí zákonitostí změny napětí v každé fázi, nebo geometricky z trojúhelníku vektorů. Tak či onak, poměr mezi nimi je roven odmocnině 3x. Mimochodem, když vynásobíte 220 odmocninou ze 3, dostanete 380. Proto se někdy říká, že jednofázové napětí v našich domech je 220 voltů a třífázové napětí je 380. Ve skutečnosti je to totéž: tři fáze jednoduše vstupují do domu a již jedna po druhé odcházejí do bytů. Kromě napětí se rozlišují také lineární a fázové proudy.

Vedením protéká lineární proud, fází prochází fázový proud. Při spojení hvězdou se lineární a fázový proud shodují.

Druhá možnost zapojení fáze delta. V tomto případě je začátek každé fáze spojen s koncem následující. V tomto případě již není nulový vodič, existují pouze tři lineární. Napětí, fázové a lineární, jsou stejné. Ale proudy už tam nejsou. Lineární proud je 3krát větší než fázový proud. Stejný vztah jako u napětí připojení do hvězdy.

Každý typ fázového připojení má své výhody a nevýhody a liší se v různých průmyslových odvětvích.

Někde je důležitá přítomnost nulového vodiče u hvězdy, jinde se cení uzavřený obvod v trojúhelníku, jinde má smysl přecházet z jednoho zapojení do druhého. Ale to jsou zcela specifické otázky a jsou nad rámec této řady publikací.

S třífázovými obvody souvisí další velmi důležitá věc, a to již z oblasti obvodového designu třífázový most nebo Larionovský most. Velmi zhruba lze říci, že veškerá výkonová elektronika je postavena kolem Larionova mostu tak či onak. V publikaci o polovodičích jsme již hovořili o jednofázovém diodovém můstku sestávajícím ze 4 diod, přidáme k nim další dvě a spojíme je do 2 skupin: katoda a anoda. Podívejme se nejprve na výsledky jeho práce a poté rozebereme princip fungování.

Je vidět, že výsledné napětí je celkem kvalitní usměrněné napětí. Někdy se nazývá šestipulzní, protože v jedné periodě původního napětí má 6 period usměrněného napětí.

Pojďme se nyní podívat na jeho práci. Pravidlo je velmi jednoduché: ze všech diod horní, tedy katodové skupiny, vede ta, na kterou je přivedeno největší kladné napětí, a ze spodní anoda, ta, na kterou je přivedeno největší záporné napětí. .

Podívejme se na časový interval od π/6 do π/2.

Zde je nejvíce kladná fáze A, nejzápornější fáze je B. To znamená, že diody 1 a 4 se otevírají V tomto případě je na jeden pól zátěže přivedeno kladné napětí a na druhý záporné napětí.

Posouváme se dále v čase, úsek π/2 až π/6.

Nejpozitivnější je stále fáze A, ale nejnegativnější je nyní fáze C. Dioda 6 se otevře, dioda 4 zavírá, má zespodu velké napětí z fáze C a shora už není tak velké napětí z fáze B. Pro zátěž, jak vidíte, se nic nemění. U ní je napětí stále stejného znaménka a přibližně stejné hodnoty.

Jdeme dále a vidíme, že v intervalu od 5π/6 do 3π/2 je vše úplně stejné, jen nejpozitivnější fáze je B a ve spodní části se fáze C a A nahrazují.

Nakonec, nezměněné po zbývající období periody, získáme kladné napětí z fáze C a záporné napětí z A a B. Fáze se navzájem nahrazují a zátěžové napětí je konstantní, i když pulzující. Jeho průměrnou hodnotu lze odvodit matematicky, ale v praxi se obvykle používá koeficient 2,34.

Stejně jako v případě jednofázového obvodu můžete diody nahradit tranzistory, tedy řízenými spínači. Pokud nyní přivedeme konstantní napětí a rozepneme spínače stejným způsobem, jako byly rozepnuty usměrňovací diody, pak dostaneme třífázové střídavé napětí. Ukazuje se, že je to střídač.

Tady je to stále přípojnice, teď nebudeme mluvit o sběrnici, jen uvidíme, že tvar napětí se ukázal být víceméně podobný tomu, co potřebujeme. Můžete s ním dále pracovat: filtrovat, vyhlazovat a tak dále. Mimochodem, pokud zkombinujete obě tato zařízení (usměrňovač a invertor), získáte frekvenční měnič. Ve skutečnosti můžeme na výstupu vytvořit jakoukoli sinusoidu, která není nijak spojena s původními. Tím příběh o třífázových obvodech končí. V příštím příspěvku, který tuto sérii uzavře, si povíme o kvalitě napájení.

Tagy

• elektrotechnika
• třífázové obvody