Prąd przemienny trójfazowy

Obecnie jest to najpopularniejszy trójfazowy system prądu przemiennego na świecie.

Trójfazowy obwód elektryczny nazywamy układem składającym się z trzech obwodów, w których działają prądy przemienne, EMF o tej samej częstotliwości, przesunięte względem siebie w fazie o 1/3 okresu (φ=2π/3). Każdy pojedynczy obwód takiego systemu jest krótko nazywany jego fazą, a system trzech przesuniętych fazowo prądów przemiennych w takich obwodach jest po prostu nazywany prądem trójfazowym.

Prawie wszystkie generatory zainstalowane w naszych elektrowniach to generatory prądu trójfazowego... W istocie każdy taki generator jest połączeniem w jednej maszynie elektrycznej trzech alternatorów, zaprojektowanych w taki sposób, aby indukowane w nich pole elektromagnetyczne przesunięte względem siebie o jedną trzecią okresu, jak pokazano na ryc. 1.

Ryż. 1. Wykresy zależności czasowej pola elektromagnetycznego indukowanego w uzwojeniach twornika generatora prądu trójfazowego

Sposób realizacji takiego generatora jest łatwy do zrozumienia na podstawie obwodu na ryc. 2.

Ryż. 2. Trzy pary niezależnych przewodów podłączonych do trzech tworów generatora prądu trójfazowego zasilają sieć oświetleniową

Na stojanie maszyny elektrycznej znajdują się trzy niezależne tworniki, przesunięte względem siebie o 1/3 okręgu (120o). Cewka indukcyjna wspólna dla wszystkich tworników obraca się w środku maszyny elektrycznej pokazanej na schemacie w formularzu trwały magnes.

W każdej cewce indukowane jest zmienne pole elektromagnetyczne ta sama częstotliwość, ale czasy, w których te siły elektromotoryczne przechodzą przez zero (lub przez maksimum) w każdej z cewek, zostaną przesunięte względem siebie o 1/3 okresu, ponieważ cewka indukcyjna przechodzi przez każdą cewkę o 1/3 okresu później od poprzedniego.

Każde uzwojenie generatora trójfazowego jest niezależnym generatorem prądu i źródłem energii elektrycznej. Podłączając przewody do końców każdego z nich, jak pokazano na rys. 2 otrzymalibyśmy trzy niezależne obwody, z których każdy mógłby zasilać na przykład określone odbiorniki elektryczne lampy elektryczne.

W tym przypadku, aby przenieść całą pochłoniętą energię odbiorniki elektryczne, potrzebnych będzie sześć przewodów. Możliwe jest jednak połączenie uzwojeń generatora prądu trójfazowego w taki sposób, aby obsługiwały cztery, a nawet trzy przewody, czyli znacznie oszczędzają okablowanie.

Pierwszy z tych sposobów nazywany jest połączeniem w gwiazdę (ryc. 3).

Ryż. 3. Czteroprzewodowy system okablowania przy podłączeniu generatora trójfazowego z gwiazdą. Obciążenia (grupy lamp elektrycznych I, II, III) zasilane są napięciami fazowymi.

Zaciski cewek 1, 2, 3 będziemy nazywać początkiem, a zaciski 1′, 2′, 3′ końcami odpowiednich faz.

Połączenie gwiazd polega na tym, że końce wszystkich uzwojeń łączymy do jednego punktu generatora, który nazywamy punktem zerowym lub neutralnym, a generator łączymy z odbiornikami prądu czterema przewodami: trzema tzw. liniowymi przewody wychodzące z początku uzwojeń 1, 2, 3 oraz przewód neutralny lub neutralny wychodzący z punktu zerowego generatora. Ten system okablowania nazywa się czteroprzewodowym.

Napięcia między punktem zerowym a początkiem każdej fazy nazywane są napięciami fazowymi, a napięcia między początkiem uzwojeń, czyli punktami 1 i 2, 2 i 3, 3 i 1, nazywane są liniami... Faza napięcia zwykle oznaczają U1, U2, U3 lub w ogólnej postaci Uf, a napięcia sieciowe — U12, U23, U31 lub w ogólnej postaci Ul.

Między amplitudami lub wartościami średnimi napięcie fazowe i liniowe przy łączeniu uzwojeń generatora z gwiazdą występuje stosunek Ul = √3Uf ≈ 1,73Ue

Na przykład, jeśli napięcie fazowe generatora wynosi Uf = 220 V, to przy łączeniu uzwojeń generatora w gwiazdę napięcie sieciowe Ul — 380 V.

W przypadku równomiernego obciążenia trzech faz generatora, czyli przy mniej więcej równych prądach w każdej z nich, prąd w przewodzie neutralnym wynosi zero... Dlatego w takim przypadku można usunąć przewód neutralny i przejść na jeszcze bardziej ekonomiczny system trójprzewodowy. W takim przypadku wszystkie obciążenia są połączone między odpowiednimi parami przewodów liniowych.

Przy niesymetrycznym obciążeniu prąd w przewodzie neutralnym nie jest zerowy, ale ogólnie rzecz biorąc jest mniejszy niż prąd w przewodach liniowych. Dlatego przewód neutralny może być cieńszy niż przewód liniowy.

Podczas pracy z trójfazowym prądem przemiennym starają się, aby obciążenie różnych faz było jak najbardziej równe.Dlatego np. układając sieć oświetleniową dużego domu w systemie czteroprzewodowym, do każdego mieszkania wprowadza się przewód neutralny i jeden z liniowych w taki sposób, aby średnio każda faza miała w przybliżeniu taką samą obciążenie.

Innym sposobem łączenia uzwojeń generatora, który umożliwia również okablowanie trójprzewodowe, jest połączenie w trójkąt pokazane na ryc. 4.

Ryż. 4. Schemat połączeń uzwojeń generatora trójfazowego z trójkątem

Tutaj koniec każdej cewki jest połączony z początkiem następnej, więc tworzą trójkąt zamknięty, a przewody linii są połączone z wierzchołkami tego trójkąta - punktami 1, 2 i 3. W połączeniu z trójkątem, napięcie sieciowe generatora jest równe jego napięciu fazowemu: Ul = Ue.

Dlatego przełączenie uzwojeń generatora z gwiazdy na trójkąt prowadzi do spadku napięcia sieci w √3 ≈ 1,73 razy... Połączenie w trójkąt jest również dopuszczalne tylko przy takim samym lub prawie takim samym obciążeniu fazowym. W przeciwnym razie prąd w zamkniętej pętli uzwojeń będzie zbyt silny, co jest niebezpieczne dla generatora.

W przypadku prądu trójfazowego oddzielne odbiorniki (obciążenia) zasilane oddzielnymi parami przewodów można również połączyć albo w gwiazdę, to znaczy tak, aby jeden ich koniec był podłączony do wspólnego punktu, a pozostałe trzy wolne końce były połączone z przewodami liniowymi sieci lub trójkątem, to znaczy tak, aby wszystkie obciążenia były połączone szeregowo i tworzyły wspólny obwód, do punktów 1, 2, 3, z których połączone są liniowe przewody sieci.

na ryc. 5 pokazuje połączenie obciążeń w gwiazdę z trójprzewodowym systemem okablowania, a na ryc.6 — z czteroprzewodowym systemem okablowania (w tym przypadku wspólny punkt wszystkich obciążeń jest podłączony do przewodu neutralnego).

na ryc. 7 przedstawia schemat połączenia obciążenia w trójkąt dla trójprzewodowego systemu okablowania.

Ryż. 5. Połączenie odbiorników w gwiazdę z układem trójprzewodowym

Ryż. 6. Połączenie odbiorników w gwiazdę z czteroprzewodowym układem elektrycznym

Ryż. 7. Połączenie obciążeń w trójkąt z układem trójprzewodowym

W praktyce ważne jest rozważenie następujących kwestii. Gdy obciążenia są połączone w trójkąt, każde obciążenie jest pod napięciem sieciowym, a przy połączeniu w gwiazdę napięcie jest √3 razy mniejsze. W przypadku systemu czteroprzewodowego wynika to jasno z rys. 6. Ale to samo dotyczy układu trójprzewodowego (ryc. 5).

Pomiędzy każdą parą napięć liniowych są tutaj połączone szeregowo dwa obciążenia, w których prądy są przesunięte w fazie o 2π/3. Napięcie w każdym obciążeniu jest równe odpowiadającemu napięciu sieciowemu podzielonemu przez √3.

Tak więc, podczas przełączania obciążeń z gwiazdy na trójkąt, napięcia na każdym obciążeniu, a tym samym prąd w nim, wzrastają o √3 ≈ 1,73 razy. Jeżeli np. napięcie sieci trójprzewodowej wynosi 380 V, to przy połączeniu w gwiazdę (rys. 5) napięcie każdego z obciążeń będzie równe 220 V, a przy połączeniu z trójkąt (rys. 7) będzie równy 380 V.

Do przygotowania artykułu wykorzystano informacje z podręcznika do fizyki pod redakcją G.S. Landsberga.