14. Преимущества трехфазных систем. Трех- и четырехпроводные системы. Основные определения. Соединение фаз потребителя по схеме «Звезда» и «Треугольник» (схемы и основные соотношения).

В современных системах передачи электрической энергии на дальние расстояния, электроснабжения и распределения электрической энергии применяются трехфазные цепи, которые по сравнению с однофазными имеют значительные преимущества:

1. Меньший расход проводникового материала, меньшая стоимость и более высокая экономичность линии электропередачи при одинаковой мощности и напряжении ЛЭП.

2. Возможность получения двух эксплуатационных напряжений (линейного и фазного) в одной трёхфазной четырёхпроводной системе.

3. Возможность простого получения вращающегося магнитного поля (ВМП), на использовании которого основана работа самых распространённых потребителей электрической энергии - трёхфазных асинхронных и синхронных электродвигателей.

Трёхфазная цепь – представляет собой совокупность трёх однофазных цепей, соединённых в общую электрическую цепь и содержащую: источник трёхфазной системы ЭДС (трёхфазный генератор); трёхфазный потребитель или приемник электрической энергии (нагрузка); соединительные провода (линия электропередачи).

1. Электрическая схема трёхфазной четырёхпроводной лэп

Здесь: A-N; B-N; C-N – фазы генератора,

а-n; b-n; c-n – фазы потребителя.

Провода, соединяющие начала фаз генератора и потребителя: L 1 (А-а). L 2 (В-b) и L 3 (C-c) – называются линейными проводами (фазы ЛЭП), а токи в них также называются линейными токами I_A , I_B , I_C . На электрических схемах за условное положительное направление линейных токов принято направление от генератора к потребителю.

Провод N, соединяющий нейтральные точки генератора и потребителя N-n – называется нейтральным проводом (нейтралью). Ток в этом проводе называется нейтральным током и направлен от потребителя к генератору, поэтому в соответствии с первым правилом Кирхгофа: .

Напряжения между линейными проводами (фазами ЛЭП) называются линейными напряжениями U_AB ; U_BC ; U_CA . Условное положительное направление линейных напряжений указано на схеме.

Напряжение между началом и концом фазы потребителя (нейтральной точкой) называется фазным напряжением U_а , U_b , U_c . Ток, протекающий в фазе потребителя, называется фазным током I_а , I_b , I_c . Условное положительное направление фазных напряжений и токов принято от начала к концу фазы.

Способы соединения фаз потребителя и режимы работы трёхфазной цепи

На практике наиболее часто в трёхфазных цепях встречаются три способа соединения фаз потребителя:

1. Звезда с нейтралью - четырёхпроводная система;2. Звезда (звезда без нейтрали) - трёхпроводная система;3. Треугольник - трёхпроводная система.

1. Соединение фаз потребителя по схеме «звезда» (трёхпроводная система)

По первому правилу Кирхгофа для вершин звезды (a, b, c) следует, что линейный ток равен фазному: I _Л = I _Ф , а для нейтральной точки n : I_А +I_В +I_С = 0 .

По второму правилу Кирхгофа для контуров .

Трёхпроводная система «звезда» используется только при симметричной нагрузке фаз , создаваемой трёхфазными потребителями. При этом в каждой фазе цепи протекают равные по величине токи и сдвинутые по фазе на 120⁰ , что обеспечивает сохранение симметричной системы фазных напряжений. В этом случае напряжения на фазах потребителя равны по величине и сдвинуты по фазе на 120⁰, благодаря чему обеспечивается номинальный режим работы всех трёх фаз потребителя.

В трёхпроводной системе «звезда» при симметричной нагрузке фаз между линейными и фазными напряжениями существует простое количественное соотношение: U _Л U _Ф или U _Ф = U _Л / .

Соединение фаз потребителя по схеме «звезда с нейтралью» (четырёхпроводная система) I _Л = I _Ф , n : I_А +I_В +I_С = I_n

.

В случае симметричной нагрузки в каждой фазе цепи протекают равные по величине токи и сдвинутые по фазе на 120⁰, т.е. возникает симметричная система фазных токов. При этом I_А +I_В +I_С = I_n = 0 - ток в нейтральном проводе отсутствует, и подключение или отключение нейтрали не влияет на режим работы трёхфазной цепи. Поэтому использование четырёхпроводной системы в случае симметричной нагрузки фаз практически нецелесообразно.

В случае несимметричной нагрузки (при подключении однофазных приёмников в трёхфазную сеть) вследствие различия фазных сопротивлений токи в фазах потребителя будут различны и в нейтральном проводе будет протекать ток I_А +I_В +I_С = I_n > 0 . При этом в четырёхпроводной цепи «звезда с нейтралью», несмотря на несимметричную нагрузку, сохраняется симметричная система фазных напряжений: , благодаря чему обеспечивается нормальная работа всех трёх фаз.

Нейтральный провод N-n в четырёхпроводной системе «звезда с нейтралью» служит для выравнивания фазных напряжений при несимметричной нагрузке фаз и обеспечения нормальной работы однофазных приемников.

В четырёхпроводной системе «звезда с нейтралью» при любой нагрузке фаз сохраняется соотношение между линейными и фазными напряжениями:

U _Л U _Ф или U _Ф = U _Л / .

Четырёхпроводная система «звезда с нейтралью» используется, когда возможно возникновение несимметричной нагрузки при подключении в трёхфазную сеть однофазных приемников, например, в осветительных сетях, в которых нагрузка на фазы отличается крайней неравномерностью.

Соединение фаз потребителя по схеме «треугольник» (трёхпроводная система)

Рассмотрим соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями в трёхпроводной системе «треугольник» для различных режимов.

U_Л = U _Ф.

и сдвинуты по фазе на 120⁰ .

Соотношение между линейными и фазными токами можно найти по первому правилу Кирхгофа для вершин треугольника (а, в, с):

Из этих уравнений также следует, что .

В случае симметричной нагрузки в каждой фазе нагрузки протекают равные по величине токи и сдвинутые по фазе на 120⁰, т.е. возникает симметричная система фазных токов, что приводит к появлению симметричной системы линейных токов: .

При симметричной нагрузке в соединении треугольник между линейными и фазными токами существует простое количественное соотношение: _Л I _Ф или I _ф = I _Л / .

В случае несимметричной нагрузки вследствие различия фазных сопротивлений токи в фазах потребителя будут различны и также будут различны линейные токи, что может приводить к сильной токовой перегрузке в отдельных линиях питающей сети.

При соединении фаз потребителя в треугольник при любой нагрузке система линейных и фазных напряжений сохраняется симметричной:U_Л = U _Ф , .

При этом напряжения на фазах всегда остаются одинаковыми и соответствуют номинальному значению потребителя, поэтому режим работы фазных потребителей по напряжению не нарушается при любом характере нагрузки.