1.3 . Трехфазные потребители и способы их соединения

при подключении к трехфазному источнику

Под трехфазным потребителем электроэнергии понимают устройство, состоящее из трех одинаковых по параметрам двухполюсников, называемых фазами и рассчитанными на подключение к определенному (номинальному) напряжению. Примерами таких потребителей могут быть асинхронный двигатель, статор которого содержит три одинаковых обмотки (фазы), трехфазная электрическая печь, содержащая три одинаковых нагревательных элемента (фазы) и т.д.

Трехфазный потребитель электроэнергии является симметричным. Это означает, что все его фазы имеют одинаковое комплексное сопротивление z.

В зависимости от номинального (линейного) напряжения в линии электропередачи и номинального напряжения фаз потребителя их соединяют либо звездой (), либо треугольником ().

Подключение трехфазного потребителя, соединенного звездой (рис.4). В общем случае для этой цепи справедливы уравнения (П закона Кирхгофа), связывающее фазные напряжения потребителя и источника:

U_А = U^_А – U_N

U_В = U^_В  – U_N

U_С = U^_С   – U_N

Рис. 4.

Так как трехфазный источник и потребитель являются симметричными, то очевидно, что потенциалы нейтральной точки источника (N_И) и потребителя (N_П) одинаковы и, следовательно, напряжение между этими точками U_N = 0. Поэтому U_A = U_A, U_В = U_В, U_С = U_С. Таким образом, их приведенных рассуждений следует,  что:

	Фазные напряжения трехфазного потребителя, соединенного звездой, равны фазным напряжениям источника и в 3 раз меньше линейного напряжения. Фазные токи тождественно равны линейным	UФ = UФ UФ = UЛ 3
		IФ = IЛ

На рис. 4 представлена также векторная диаграмма токов и напряжений для данной цепи, построенная в предположении, что каждая фаза потребителя имеет активно-индуктивный характер нагрузки, т.е. z = R + jx_L. Поскольку параметры R и  x_L всех трех фаз потребителя одинаковы (он симметричен), то действующие значения токов каждой фазы (фазные таки) будут одинаковы и равны:

где U_Ф – действующее значение фазных напряжений U_А, U_В, U_С. Векторы фазных токов будут иметь одинаковый фазовый сдвиг  относительно соответствующих фазных напряжений, который будет равен:

 = _А = _В = _С = arctg (x_L / R)

Очевидно, что ток I_N в нейтральном проводе, равный сумме векторов фазных токов, будет равен нулю, т.е. I_N =I_А + I_В + I_С = 0 и, следовательно, в этом случае нет необходимости в наличии нейтрального провода.

Подключение трехфазного потребителя, соединенного треугольником (рис. 5). В общем случае для этой цепи справедливы уравнения 1 закона Кирхгофа, связывающие фазные токи источника (тождественно равные линейным токам) и фазные токи потребителя:

I_А = I_ВА – I_АС

I_В = I_СВ – I_ВА

I_С = I_АС – I_СВ.

Очевидно также, что фазные напряжения потребителя тождественно равны соответствующим линейным напряжениям, т.е. U_ = U_Ф. Изображенная на рис. 5 векторная диаграмма иллюстрирует эти соотношения. Она построена в предположении, что каждая фаза потребителя имеет активно-индуктивный характер нагрузки. Как видно из векторной диаграммы, линейные токи (они же фазные токи источника) в 3 раз больше фазных токов потребителя:

I_ = 3 I_ф = 3 U_Ф / (R² + x_L²).

Таким образом, и приведенных рассуждений следует, что

	Фазные напряжения трехфазного потребителя, соединенного треугольником, тождественно равны линейным напряжениям. Фазные токи в 3 раз меньше линейных	UФ = UЛ
		IФ = IЛ / 3

Обобщая рассмотренные способы соединений фаз трехфазных потребителей, можно сделать следующие важные выводы:

-                     при различных номинальных значениях напряжений линии (например, 380 В и 220 В) фазы потребителя, рассчитанные на 220 В, следует включать в первом случае звездой, во втором – треугольником. При  этом напряжение на фазах потребителя в обоих случаях будет одинаковым^*;

-                     при соединении фаз потребителя треугольником токи в проводах линии возрастают в 3 раз и, следовательно, потери мощности в линии – в 3 раза.

Подключение к трехфазному источнику

однофазных потребителей

Однофазные потребители электроэнергии могут получить питание и от трехфазного источника. При этом обязательно используется четырехпроводная линия (3 фазных провода и один нейтральный), а однофазные потребители подключаются одним полюсом к фазному проводу, другим – к нейтральному. В качестве примера рассмотрим схему бытовой однофазной электросети (рис. 6), получающей питание от трехфазной с линейным напряжением U_ = 380 В.

^*Вот почему в обозначениях номинальных напряжений трехфазных потребителей присутствуют два значения напряжения, отделенные косой чертой, например 380/220 В. Это определяет способы соединения фаз потребителя, соответственно  / .

Здесь потребители квартир, расположенных, например, на 1-м этаже, подключены одним проводом к фазе А, на 2-м – к фазе В, на 3-м – к фазе С. Этот провод называется фазным или «фазой». Другой провод всех потребителей подключен к нейтральному проводу и называется нулевым или «нулем».

Важным обстоятельством является то, что в общем случае в квартирах может быть включено разное количество потребителей (например, электрических ламп) с различным характером нагрузки. Например, на 3-м этаже кроме лампы (нагрузка типа R) включен двигатель (нагрузка RL). Таким образом, рассматриваемые однофазные потребители образуют несимметричную звезду, у которой:

Z_А  Z_В  Z_C.

В более наглядном виде схема такого включения изображена на рис. 7а. Наличие в этой схеме нейтрального провода обеспечивает одинаковые потенциалы  нейтральных точек источника N_N приемника N_ и, следовательно, U_N  = _N + _Nn = 0.

Тогда согласно П закону Кирхгофа для контура I имеем:

U_А = U^_А,

аналогично для других контуров:

U_В = U^_В,

U_С = U^_С.

Следовательно, фазные напряжения потребителей U_А, U_В, U_С равны соответствующим фазным напряжениям источника и имеют одинаковое действующее значение, которое в 3 раз меньше действующего значения линейного напряжения (поэтому при U_ = 380 В на фазах потребителей будет фазное напряжение U_Ф = 220 В).

Таким образом, нейтральный провод обеспечивает одинаковые напряжения на отдельных фазах несимметричного потребителя, образованного из трех различных однофазных потребителей. При этом в нейтральном проводе возникает ток I_N, который в силу 1 закона Кирхгофа равен сумме векторов фазных токов потребителей:

                                                        I_N = I_А + I_В + I_С.

Изображенная на рис. 7а векторная диаграмма иллюстрирует проведенные выше рассуждения. При ее построении учитывалась различная нагрузка в фазах отдельных потребителей, изображенных на рис. 6. Так в фазах А и В включено разное количество ламп (нагрузка типа R), поэтому I_А  I_В, а векторы этих токов I_А и I_Всовпадают по фазе с векторами соответствующих фазных напряжений U_А и U_В. В фазе С кроме лампы включен, например, электродвигатель (нагрузка RL), поэтому ток I_С отстает по фазе от напряжения U_С на угол _С = arctg(x_L / R) =  arctg (2fL / R).

Предположим, что в силу каких-либо причин нейтральный провод оказался оборван. Такая ситуация представлена на рис. 7б. В этом случае     из-за несимметрии потребителей потенциалы нейтральных точек источника N_N и приемника N_ уже не одинаковы и. Следовательно, между ними возникает напряжение, отличное от нуля:

U_N = _Nn - _Nn   0

По П закону Кирхгофа для контура I имеем:

U_А = U^_А – U_N,

Аналогично для других контуров:

U_А = U^_В – U_N,

U_С = U^_С – U_N.

В этом случае напряжения на фазах потребителей уже не равны фазным напряжениям источника и оказываются различными.

Из векторной диаграммы (рис. 7б) видно, что наличие напряжения U_N (его направление выбрано произвольно) приводит к снижению напряжения в фазе А (недокал ламп) и значительному росту напряжений в фазах В и С по сравнению с номинальным (перегорание ламп), т.е. к возникновению аварийного режима.

Поэтому в случае несимметричной нагрузки, образованной различными однофазными потребителями. Обрыв нейтрального провода вызывает аварийный режим, во избежание которого в нейтральном проводе запрещена установка предохранителей и выключателей.

Несимметричная нагрузка в трехфазной сети при любой схеме подключения создает несимметричные линейные токи. Реальные сети обладают некоторыми значениями внутреннего сопротивления, определяемого сопротивлением проводов и кабелей, обмоток трансформаторов и др. Поэтому несимметричная нагрузка из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении искажает трехфазные напряжения на потребителе как по величине, так и по взаимному фазовому углу. Это ухудшает условия работы и энергетические показатели трехфазных потребителей, рассчитанных на симметричный режим.

Допустимые искажения симметрии в трехфазной сети стандартизированы, что является ограничением на подключение к ней несимметричной нагрузки.

Контрольные вопросы:

1. Основные схемы соединения нагрузок в трехфазных цепях.

2.      Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами потребителя, соединенного звездой; треугольником?

3.      Чем объясняют наличие четвертого провода в трехфазных цепях?

4.      Почему в нейтральном проводе не ставиться предохранитель?

5.      Каков порядок построения векторных диаграмм при соединении потребителя звездой; треугольником?

6.  Почему в паспортных данных трехфазных двигателей указывается два номинальных напряжения?