§ 27. Вмикання навантаження в трифазну систему зіркою і трикутником. Лінійні і фазні напруги

Для чого потрібна трифазна система струмів? Які її переваги? Щоб відповісти на ці запитання, спочатку роз­глянемо, як вмикається навантаження до трифазного ге­нератора. Обмотки фаз генератора можна було б з'єднати з трьома споживачами електроенергії шістьма проводами

(мал. 57, а) і дістати таким шляхом три незалежні фазні кола. Практично подібне з'єднання застосовується рідко, але за допомогою такої схеми можна легко зрозуміти умо­ви, які виникають при об'єднанні кіл у трифазну систему. Оскільки для явищ в електричних колах важлива лише різниця потенціалів, то можна об'єднати в один провід по одному проводу з кожного кола. В результаті з'єднання генератора із споживачем здійснюється за допомогою чотирьох, а не шести проводів. Таке з'єднання називають з'єднанням зіркою (мал. 57, б). Якщо об'єднати по одному проводу з кожного кола на малюнку 57, а попарно, то одер­жимо схему з'єднання генератора із споживачем трьома проводами, яку називають з'єднанням трикутником (мал. 58).

Для з'єднання зіркою затискачі X, У, Z («кінці» обмо­ток фаз генераторів) об'єднуються в одну спільну точку N. Відповідно в точці п об'єднуються і три кінці фазних кіл споживача енергії (мал. 59). Між нейтральними точками генератора і споживача прокладено спільний нейтральний

провід (або нульовий) трифазної системи, утворений об'єд­нанням трьох зворотних проводів. Якщо у всі три фазні кола увімкнути однакові навантаження, то амплітуда сили струму у всіх трьох колах буде одна й та сама:

(27.1)

Додаючи ці гармонічні коливання за допомогою векторних діаграм (мал. 60), дістанемо. Тобто сила

струму в нейтральному проводі дорівнює нулю. Тому для симетричного трифазного навантаження (коли сила стру­му в усіх фазах однакова і рівні зсуви фаз між фазними напругами й струмами) нейтральний провід не потрібний. Зокрема, він не використовується при вмиканні трифазних двигунів. Але коли навантаження несиметричне, як на­приклад, в освітлювальній мережі в будинках (мал. 61), то в нульовому проводі виникає невеликий «компенсацій­ний» струм.

При з'єднанні обмоток фаз гене­ратора трикутником (мал. 62) поча­ток однієї обмотки фази з'єднують з кінцем попередньої (А з Z, В з X і С з У). Додатні напрями ЕРС при такому з'єднанні напрямлені всередині три­кутника обмоток фаз однаково; отже, всередині цього трикутника діє алгеб­раїчна сума миттєвих значень фаз­них ЕРС. Але , тому компенсуючий струм в обмотках гене­ратора не виникає. Отже, певною пере­вагою з'єднання фаз трикутником є та, що при несиметрич­ному навантаженні немає необхідності використовувати четвертий провід. На малюнку 63 показана схема освіт­лювальної мережі житлового будинку при з'єднанні фаз споживачів трикутником.

В колах трифазного струму напруги між кінцями кож­ної обмотки генератора називають фазними напругами, а струми в цих обмотках — фазними струмами. Так само називають напруги і струми в навантаженнях. Напруги між проводами 1,2, 3 на малюнку 57, б і між будь-якою парою проводів на малюнку 58, називаються лінійними напругами, а струми в цих проводах — лінійними струма­ми. Легко бачити, що при з'єднанні зіркою фазні струми збігаються з лінійними струмами (оскільки всі частини

фазного кола і лінійні проводи з'єдна­ні послідовно); а фазні і лінійні на­пруги відрізняються. При з'єднанні трикутником, навпаки, фазні на­пруги є одночасно лінійними, а фазні і лінійні струми відрізняються.

Числові співвідношення між ліній­ними і фазними напругами в симет­ричній системі легко визначити на основі векторної діаграми. Побудуємо векторну діаграму напруг для з'єд­нання зіркою. Припустимо, що генератор розімкнутий. Тоді фазні напруги збігаються з відповідними ЕРС, і оскільки останні зсунуті за фазою на 120° і 240°, то діа­грама фазних напругмає вигляд, показаний на малюнку 64. Як видно з малюнка 57, б, миттєве значен­ня лінійної напруги між, наприклад, проводами 1 і 2 дорів­нює різниці миттєвих значень відповідних фазних напруг. Тому вектордорівнює різниці векторів, які зображають фазні напруги в першій і другій обмотках (див. мал. 64). Зрозуміло, що векторможна перенести паралельно самому собі так, щоб його початок збігся із загальним центром обертання векторів. З малюнка видно, що амплітуда лінійної напруги при з'єднанні зіркою в разів більша, ніж амплітуда фазної. Якщо, наприклад, фазна напруга в мережі 220 В, то лінійна напруга в ній 380 В. При^змішаному освітлювальному і силовому наван­таженні лінійна напруга 380 В подається на затискачі

трифазних двигунів, а фазна— на освітлю-

вальні прилади.

У випадку чисто освітлювального навантаження при з'єднанні зіркою споживачі вмикаються між лінійними проводами і нейтральним проводом. Коли освітлювальне навантаження несиметричне, необхідний нейтральний провід (див. мал. 61). При відсутності нейтрального про­воду залежно від співвідношення опорів фаз споживача одна фазна напруга може бути нижчою від необхідної, а друга занадто великою. З цієї причини в нейтральному проводі магістралі забороняється встановлювати запобіж­ники або вимикачі.

Так само просто будується векторна діаграма фазних струмів при з'єднанні трикутником. Коли навантаження симетричне, за допомогою векторної діаграми можна пере­конатися, що амплітуди лінійних струмів будуть вразів

більші, ніж амплітуди фазних струмів. Нагадаємо (це лег­ко бачити з малюнка 58), що при з'єднанні трикутником лінійна і фазна напруги однакові. Всі приведені

вище результати можна дістати й аналітично, не кори­стуючись векторними діаграмами. Для цього треба скори­статися формулами (26.1) і відповідними формулами для сил струмів (27.1).

У розглянутих схемах і обмотки генератора, і наванта­ження з'єднані однаково — або зіркою, або трикутником. Зрозуміло, що можна користуватися і комбінованими схемами, з'єднуючи обмотки генератора зіркою, а наванта­ження — трикутником, або навпаки. В техніці викори­стовуються різні типи з'єднань в колах трифазного струму, але у всіх випадках переважаючим є симетричне наванта­ження фаз, при якому втрати енергії будуть найменшими. В ряді випадків доцільно буває, залежно від умов роботи споживачів, змінювати спосіб з'єднання фаз — переми­кати фази приймача від зірки на трикутник і навпаки. Таке перемикання застосовується для зменшення пускових сил струмів трифазних електродвигунів, для зміни темпе­ратури трифазних електричних печей і вторинних напруг трансформаторів.

Перевага використання трифазного струму в техніці порівняно з однофазним полягає в економії кількості про­водів і матеріалу, який іде на їх виготовлення. Однак головна перевага трифазної системи струмів є та, що вона дає можливість дуже просто створити обертове магнітне поле. А за допомогою такого поля можна створити прості за конструкцією електродвигуни, принцип дії яких роз­глянемо.