Трехфазный ток. Разбираемся в разнице между фазным и линейным напряжениями

05.09.2019

Трехфазное подключение дает возможность включения в работу генераторов и электродвигателей повышенной мощности, а также возможность работы с разными параметрами напряжения, это зависит от вида включения нагрузки в электрическую цепь. Для работы в трехфазной сети надо понимать соотношение ее элементов.

Элементы трехфазной сети

Основные элементы трехфазной сети - это генератор, линия передачи электрической энергии, нагрузка (потребитель). Для рассмотрения вопроса, что такое линейное и фазное напряжение в цепи, дадим определение, что такое фаза.

Фаза - это электрическая цепь в системе многофазных электрических цепей. Началом фазы является зажим или конец проводника электричества, по которому электроток поступает в него. Экспертами всегда отличались по количеству фаз электрические цепи: однофазная, двухфазная, трехфазная и многофазная.

Наиболее часто применяется трехфазное включение объектов, которое имеет существенное преимущество, как перед многофазными цепями, так и перед однофазной цепью. Различия в следующем:

меньшие затраты на транспортирование электрической энергии;
способность создания ЭДС для работы асинхронных двигателей - это работа лифтов в многоэтажных домах, оборудования в офисе и на производстве;
этот вид подключения дает возможность одновременно пользоваться и линейным, и фазным напряжением.

Что такое фазное и линейное напряжение?

Фазные и линейные напряжения в трехфазных цепях важны для манипуляций в щитах электрического питания, а также для работы оборудования, питающегося от 380 вольт, а именно:

Что такое фазное напряжение? Это напряжение, которое определяется между началом фазы и ее концом, на практике оно определяется между нулевым проводом и фазой.
Линейное напряжение - это когда измеряется величина между двумя фазами, между выводами разных фаз.

На практике напряжение фазное отлично от линейного на 60%, иными словами, параметры линейного напряжения в 1,73 раза больше фазного напряжения. Трехфазные цепи могут иметь линейного напряжения - 380 вольт, что дает возможность получения фазного напряжения в 220 В.

В чем отличие?

Для общества понятие «межфазное напряжение» встречается в многоквартирных, высотных домах, когда первые этажи предусматриваются под офисные помещения, а также в торговых центрах, когда объекты строения подключаются несколькими силовыми кабелями трехфазной сети, которые обеспечивают напряжение 380 Вольт. Такой вид подключения дома обеспечивает работу асинхронных двигателей подъемников, работу эскалатора, промышленного холодильного оборудования.

На практике делать разводку трехфазной цепи достаточно просто, учитывая, что в квартиру идет фаза и ноль, а на офисное помещение - все три фазы + нейтральный провод.

Сложности линейной схемы подключения заключаются в трудности определения в процессе монтажа проводника, что может привести к аварии оборудования. Отличается схема в основном между фазными и линейными подключениями, соединениями обмоток нагрузки и источника электропитания.

Схемы подключения

Есть две схемы подключения источников напряжения (генераторов) в сеть:

«треугольником»;
«звездой».

Когда выполняется подключение «звездой», начало обмоток генератора соединены в одной точке. Оно не дает возможности увеличения мощности. А подключение по схеме «треугольник» - это когда обмотки соединяются последовательно, а именно, начало обмотки одной фазы соединяется с концом обмотки другой. Это дает способность в три раза увеличить напряжение.

Для лучшего понимания схем подключения специалисты дают определение, что такое фазные и линейные токи:

линейный ток - это ток, который протекает в подводнике соединения источника электрической энергии и приемника (нагрузки);

фазный ток - это ток, протекающий в каждой обмотке источника электрической энергии или в обмотках нагрузки.

Линейные и фазные токи имеют значение, когда есть несимметричная нагрузка на источник (генератор), это часто встречается в процессе подключения объектов к электроснабжению. Все параметры, относящиеся к линии, - это линейные напряжения и токи, а относящиеся к фазе, - параметры фазных величин.

Из соединения «звезда» видно, что линейные токи имеют такие же параметры, как и фазные. Когда система симметрична, необходимость в нейтральном проводе отпадает, на практике он поддерживает симметрию источника, когда нагрузка несимметрична.

Из-за несимметричности подключаемой нагрузки (а на практике это происходит с включением в цепь осветительных устройств) надо обеспечить независимую работу трем фазам цепи, это можно сделать и в трехпроводной линии, когда фазы приемника соединяются в треугольник.

Специалисты обращают внимание на тот факт, что когда понижается линейное напряжение, изменяются параметры фазного напряжения. Зная значение междуфазное напряжение, можно легко определить величину фазного напряжения.

Как сделать расчет линейного напряжения?

и закон Ома:

Когда выполняется разветвленная система снабжения объекта электроэнергией, иногда есть необходимость вычислить напряжение между двумя проводами «ноль» и «фаза»: IF=IL, что говорит о равности параметров фазных и линейных. Соотношение между фазными проводами и линейными можно найти, используя формулу:

Находящий элемент соотношений напряжений и оценки системы электроснабжения специалистами выполняется по линейным параметрам, когда известно их значение. В системах электроснабжения из четырех проводов выполняется маркировка 380/220 вольт.

Вывод

Используя возможности трехфазной цепи (четырехпроводниковая цепь), можно по-разному выполнять подключения, что дает возможность ее широкого применения. Специалисты считают трехфазное напряжение для подключения универсальным вариантом, так как оно дает возможность подключать нагрузку большой мощности, жилые помещения, офисные здания.

В многоквартирных домах основными потребителями являются бытовые приборы, рассчитанные на сеть 220 В, по этой причине важно сделать равномерное распределение нагрузки между фазами цепи, это достигается включением квартир в сеть по шахматному принципу. Отличается распределение нагрузки частных домов, в них она выполняется по величинам нагрузки на каждую фазу всего домашнего оборудования, токами в проводниках, проходящими в период максимального включения приборов.

" onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
E-mail

Подробности Категория: Электротехника

Трехфазная система переменного тока

Электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток . Генератор трехфазного тока представляет собой как бы три объединенных вместе генератора переменного тока, работающих так, чтобы сила тока (и напряжение) изменялась у них не одновременно, а с отставанием на 1/3 периода. Это осуществляется за счет смещения катушек генераторов на 120° одна относительно другой (рис. справа).

Каждая часть обмотки генератора называется фазой . Поэтому генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из трех частей, называют трехфазными .

Следует отметить, что термин «фаза » в электротехнике имеет два значения: 1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени; 2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).

Некоторое наглядное представление о возникновении трехфазного тока дает установка, изображенная на рис. слева.
Три катушки от школьного разборного трансформатора с сердечниками размещаются по окружности под углом 120° по отношению друг к другу. Каждая катушка соединена с демонстрационным гальванометром . В центре окружности на оси укрепляется прямой магнит. Если вращать магнит, то в каждой из трех цепей «катушка - гальванометр» возникает переменный ток. При медленном вращении магнита можно заметить, что наибольшее и наименьшее значения токов и их направления будут в каждый момент во всех трех цепях различными.

Таким образом, трехфазный ток представляет совместное действие трех переменных токов одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 1/3 периода относительно друг друга.
Каждая обмотка генератора может соединяться со своим потребителем, образуя несвязанную трехфазную систему. Выигрыша от такого соединения нет никакого по отношению к трем отдельным генераторам переменного тока, так как передача электрической энергии осуществляется с помощью шести проводов (рис. справа).

На практике получили два других способа соединения обмоток трехфазного генератора. Первый способ соединения получил название звезды (рис. слева, а), а второй - треугольника (рис. б).

При соединении звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются в один общий узел, а от начал (или концов) идут провода к потребителям. Эти провода называются линейными проводами . Общую точку, в которой соединяются концы фаз генератора (или потребителя), называют нулевой точкой , или нейтралью . Провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, называют нулевым проводом . Нулевой провод применяется в том случае, если в сети создается неравномерная нагрузка на фазы. Он позволяет уравнять напряжения в фазах потребителя.

Нулевой провод , как правило, применяется в осветительных сетях. Даже при наличии одинакового количества ламп равной мощности во всех трех фазах равномерная нагрузка не сохраняется, так как лампы могут включаться, выключаться не одновременно во всех фазах, могут перегорать, и тогда равномерность нагрузки фаз будет нарушена. Поэтому для осветительной сети применяется соединение в звезду, которая имеет четыре провода (рис. справа) вместо шести при несвязанной трехфазной системе.

При соединении в звезду различают два вида напряжения: фазное и линейное . Напряжение между каждым линейным и нулевым проводом равно напряжению между зажимами соответствующей фазы генератора и называется фазным (U ф ), а напряжение между двумя линейными проводами - линейным напряжением (U л ).

Между фазными и линейными напряжениями можно установить соотношение:

U л = √3 . U ф ≈ 1,73 . U ф ,

если рассмотреть треугольник напряжения (рис. слева).

Действительно,

Ил= ^ч-Т^-г-Т^-сойШ^ Сф-л/2 + 2-со5б0° = л/3 -Ц,

На практике широкое распространение получили трехфазные цепи с нейтральными проводами при напряжениях U Л = 380 В; U Ф = 220 В.

Поскольку в нулевом проводе при симметричной нагрузке сила тока равна нулю, то ток в линейном проводе равен току в фазе.
При неравномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходит уравнительный ток относительно малой величины. Поэтому сечение этого провода должно быть значительно меньше, чем у линейного провода. В этом можно убедиться, если включить четыре амперметра в линейные и нулевой провода. В качестве нагрузки удобно использовать обычные электрические лампочки (рис. справа).

При одинаковой нагрузке в фазах ток в нулевом проводе равен нулю и надобность в этом проводе отпадает (например, равномерную нагрузку создают электродвигатели). В этом случае производят соединение в «треугольник», которое представляет собой последовательное соединение друг с другом начал и концов катушек генератора. Нулевой провод в этом случае отсутствует.
При соединении обмоток генератора и потребителей «треугольником » фазные и линейные напряжения равны между собой,
т.е. U Л = U Ф , а линейный ток в √3 раз больше фазного тока I Л = √3 . I Ф

Соединение треугольником применяется как при осветительной, так и при силовой нагрузке. Например, в школьной мастерской станки можно включать в звезду или треугольник. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников электрической энергии.
Принципиально можно соединять треугольником и фазы генератора, но обычно этого не делают. Дело в том, что для создания заданного линейного напряжения каждая фаза генератора при соединении треугольником должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения звездой. Более высокое напряжение в фазе генератора требует увеличения числа витков и усиленной изоляции для обмоточного провода, что увеличивает размеры и стоимость машин. Поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой. Двигатели же иногда в момент пуска включают звездой, а затем переключают на треугольник.

Трёхфазное напряжение – это система электрического питания, где используются три фазные линии, со сдвигом по фазе 120 градусов. Это обеспечивает равномерные условия для многих приложений, повышается эффективность.

Возникновение концепции трёхфазного напряжения

Отцом трёхфазного напряжения считают Доливо-Добровольского в России и Николу Теслу – в остальном мире. События, относящиеся к эпохе возникновения предмета спора, происходили в 80-е годы XIX века. Никола Тесла продемонстрировал первый двухфазный двигатель, работая на компанию, где налаживал электрические установки разнообразного назначения. Заинтересованность явлением электризации шерсти домашнего кота привела учёного к великим открытиям. Прогуливаясь в парке с приятелем, Никола Тесла осознал, что сумеет реализовать на практике теорию Араго о вращающемся магнитном поле, причём понадобятся:

Две фазы.
Сдвиг между ними на угол 90 градусов.

Чтобы показать великое значение открытия, заметим, что трансформатор Яблочкова в указанное время не обрел массовой известности, а опыты Фарадея по магнитной индукции благополучно забыли, записав лишь формулу закона. Мир не хотел знать про:

переменный ток;
фазу;
реактивная мощность.

Генераторы (альтернаторы) и динамо спрямляли напряжение при помощи механического коммутатора. Подобным образом прозябала вся скудная на тот момент отрасль электричества. Эдисон лишь начинал изобретать, никто пока толком не знал про . Кстати, в РФ считают, что устройство изобрёл Лодыгин.

Идея Теслы выглядела революционной, неизвестным оставалось, как получить две фазы с заданным межфазным сдвигом. Молодого учёного мало интересовал вопрос. Он читал про обратимость электрических машин и излучал уверенность, что легко построит генератор, соответствующим образом расположив обмотки. По приводу затруднений не возникало. На начало 80-х годов активно использовался пар, демонстрационную модель предполагалось питать от динамо.

Тесла не задавался необходимостью получить определённую частоту. Исследования не проводились, требовалось просто заставить ротор вращаться. Идея реализовалась через токосъёмные кольца. На тот момент коллекторные двигатели постоянного тока снабжались подобными контактами, вывод Теслы неудивителен. Интереснее объяснить выбор количества фаз.

Преимущество трёх фаз

экспериментаторы в голос утверждают о преимуществе трёх фаз перед двумя, но требуется объяснение. Сразу лезут в голову мысли про КПД, вращающий момент и прочее. Но Тесла рисовал в блокнотике сотни конструкций, очевидно, сумел бы расставить полюса, чтобы добиться нужных параметров. Вывод – дело не в конструкции приборов.

Сейчас напряжение 380 В передаётся лишь по трём проводам. Этого нельзя было добиться в первоначальном варианте Николы Теслы. В 1883 году Эдисон массу сил потратил на попытки использовать трёхжильный провод. Очевидно, слышал о демонстрации, устроенной Николой Теслой, и понял опасность ситуации. В цивилизованном мире основную прибыль получает владелец патента, зачем известному изобретателю вытаскивать на свет способного инженера?

Логика Эдисона проста: пользователи увидят, что трёхжильные кабели более дешёвые, нежели четырёхжильные, и откажутся от использования новинок Николы Теслы. Несложно догадаться, что хитроумный план изобретателя цоколя для лампочек накала провалился. И с треском. А виной стал… Доливо-Добровольский. Система Николы Теслы для создания двух фаз требовала наличия четырёх проводов. Одновременно Доливо-Добровольский предлагал передать больше энергии посредством трёх.

Дело здесь в симметрии. Линейные напряжения 380 В в каждый момент оставляют альтернативу для выбора. К примеру, ток с первой фазы способен утечь на вторую или третью. В зависимости от присутствия подходящего потенциала. В результате получается баланс. Если объединить две фазы системы Николы Тесла, получится винегрет. Как следствие, нейтраль в системе Доливо-Добровольского допустимо убрать, если нагрузка симметричная — как часто происходит на практике.

В результате между проводами получается больший вольтаж, что снижает по каждому проходящий ток при прежней мощности. Причём удаётся порой использовать лишь три линии, сказанное касается большинства предприятий. Очевидны выгоды и при создании местных подстанций: нейтраль вторичной обмотки заземляется тут же, не нужно тянуть лишний провод от гидроэлектростанции. Указанные причины стали преимуществами сетей трёхфазного напряжения, сегодня доминирующие. Провода Теслы легко модернизируются на три фазы.

Причина проигрыша Эдисона

Часто встречается мнение, что система Теслы оказалась лучше, поэтому Эдисон проиграл. Сложно сказать, сколько долларов потерял последний, но Николу обвёл по современным меркам на 4,5 млн. долларов. Инфляция! Авторы склонны считать, что Эдисон получил своё. Никола Тесла умел доказать преимущества постоянного тока. К примеру, последний меньше склонен коронировать на проводах, амплитуда не содержит резких выбросов.

Сегодня доказано, что постоянный ток на дальние расстояния передавать выгоднее. Это исключает из рассмотрения реактивные сопротивления сети – индуктивность и ёмкость. Что значительно снижает нестабильную реактивную мощность. XXI век способен стать вторым рождением постоянного тока для передачи его на дальние расстояния. Но смех вызывает неумение Эдисона передавать энергию. Тесла вправе был помочь, тогда приборы постоянного тока сегодня использовались бы наравне с потребителями переменного. Для коллекторных двигателей это лучше – растут КПД и крутящий момент.

Выходит, постоянный ток выгодно передавать. Эдисон попросту не смог найти правильного решения, пытался взять задачу нахрапом, не погружаясь в тылы. Эдисон был чистым практиком и не умел найти столь ухищрённых решений, как преобразователи. А ведь все генераторы середины XIX века имели встроенный коммутатор для спрямления. Оставалось лишь подключить к линии, а на приёмной стороне провести преобразование. И все! Никола блестяще наказал Эдисона, доказывая наличие в мире некой силы, управляющей ходом истории.

переменный ток избрали по причине наличия мощного средства для передачи. Речь о трансформаторе. Впервые сконструированный в 1831 году (либо раньше) Майклом Фарадеем, этот незаменимый элемент современной техники остался без заслуженного внимания. Интерес к устройству вернул Генрих Румкорф пятнадцатью годами позднее, использовав динамо для получения разряда в искровом промежутке. Повышающий трансформатор значительно усиливал эффект. Это прямиком открыло учёным путь к постановке опытов, но суть преобразования не получила заслуженного внимания.

Вместо этого учёные упорно бились над постоянным током. Создавая для него двигатели, приборы освещения и генераторы. Удивительно, зная об обратимости электрических машин, не придумали раньше, как создать униполярный мотор, стоящий сегодня в ручных миксерах и блендерах. Фактически двигатели бытового назначения однофазные. И лишь маленькая часть работает на постоянном токе.

Укажем неявное преимущество. У постоянного тока выше предел безопасности. Возможным видится сделать промышленные сети безвредным для людей. Рассмотрим утверждение подробнее, доводы не очевидны неискушённому читателю.

Почему постоянный ток безопаснее

Прожжённые электрики говорят, что удар током 220 В не слишком опасен, главное – не попасть под линейное трёхфазное напряжение. Оно выше примерно в корень из трёх раз (в пределах 1,7). Линейным называется напряжение между двумя фазами. За счёт сдвига между ними в 120 градусов получается указанный любопытный эффект. Невежды спрашивают, какая разница при сдвиге 90 градусов. Ответ дан вначале – три фазы образуют симметричную систему. Со сдвигом 90 понадобилось бы четыре.

В результате каждым линейным напряжением питают по полюсу, что существенно упрощает их размножение, когда требуется достичь большой мощности. К примеру, в тяговых двигателях пароходов, где требуется чрезвычайно плавно изменять усилие и приходится применять вращения вала. Случается, трёх и даже шести полюсов оказывается мало. Лишь коллекторному двигателю пылесоса достаточно двух.

Итак, между фазами имеется 308 В. Безопасным выглядит, если повысить частоту линии передач до 700 Гц. Тесла установил, что с указанного значения ярко проявляется скин-эффект, ток не проникает глубоко в тело. Следовательно, не наносит существенных повреждений человеку. Учёный демонстрировал языки молний на теле при гораздо больших напряжениях и говорил, что это полезно для здоровья, здорово очищает кожу.

Частота 700 Гц (или выше) не пущена в обиход — при этом существенно увеличивались потери трансформаторов. На момент принятия решения о номиналах первой ГЭС переменного тока не существовало наработок по изготовлению электротехнических материалов. Подробнее предлагаем прочитать в теме . Нет надобности дублировать информацию. По причине отсутствия нужных материалов потери на перемагничивание сильно росли с увеличением частоты. Сегодня подобное не вызывает затруднений на уровне технологии.

Встаёт сложность – экранирование. В годы первых попыток передачи энергии не знали об излучении. Радио делало первые шаги в 90-х годах XIX века. В действительности рост частоты сопровождается резким повышением выброса энергии в пространство. И провода требовалось экранировать, это дорого, требует наличия мощных диэлектриков. Не факт, что современные сети сумели бы решить задачу.

Тесла предлагал передавать энергию через эфир. Для чего построил башню Ворденклиф. Но… промышленники оказались заинтересованы в продаже меди на изготовление проводов и на этом основании отказали учёному в финансировании. Но главное — грядёт время, когда трёхфазное напряжение уйдёт в небытие или будет получаться из преобразователей, и сам Тесла даст ответ, как это сделать.

Точнее, ответ дадут многочисленные патенты и идеи изобретателя. Недаром записи были немедленно изъяты после смерти учёного и тщательно засекречены. Рекомендуем взяться за изучение . Пора мечтать, что машины станут ездить на растительном масле, не загрязняя окружающую среду отвратительным дымом и гарью. Обратите внимание, что все секреты лежат на поверхности и ждут желающего их раскрыть. Возможно, кто-то из читателей сумеет сделать это первым?

Фазное напряжение и линейное, соединение звездой и треугольником. В разговорах профессиональных электриков можно нередко слышать эти слова. Но даже не всякий электрик знает точное их значение. Так что же означают эти термины? Попробуем разобраться.

На заре развития электротехники энергия электрических генераторов и батарей передавалась потребителям по сетям постоянного тока. В США главным апологетом этой идеи был знаменитый изобретатель Томас Эдисон и крупнейшие на то время энергетические компании, подчиняясь авторитету «гиганта инженерной мысли», беспрекословно внедряли её в жизнь.

Однако, когда встал вопрос о создании разветвлённой электрической сети потребителей, питающейся от расположенного на большом расстоянии генератора, что потребовало создания первой линии электропередачи, победил проект никому тогда неизвестного сербского эмигранта Николы Теслы.

Он кардинально изменил саму идею системы электроснабжения, применив в ней вместо постоянного, генератор и электрические линии переменного тока. что позволило значительно снизить потери энергии, расход материалов и повысить энергоэффективность.

В этой системе использовался созданный Теслой трёхфазный генератор переменного тока, а передача энергии осуществлялась с помощью трансформаторов напряжения, изобретённых русским учёным П. Н. Яблочковым.

Другой русский инженер М. О. Доливо‑Добровольский уже через год не только создал подобную систему электроснабжения в России, но и значительно усовершенствовал её.

У Теслы для генерации и передачи энергии использовались шесть проводов, Добровольский предложил путём видоизменения подключения генератора сократить это количество до четырех.

Экспериментируя над созданием генератора, он попутно изобрёл асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, находящий и поныне самое широкое применение в промышленности.

Понятие фазы существует только в цепях синусоидального переменного тока. Математически такой ток можно представить и описать уравнениями вращающегося вектора, закреплённого одним концом в начале координат. Изменение величины напряжения цепи с течением времени будет представлять собой проекция этого вектора на ось координат.

Значение этой величины зависит от угла, под которым находится вектор к координатной оси. Строго говоря, угол вектора — это и есть фаза.

Значение напряжения измеряется относительно потенциала Земли, всегда равного нулю. Поэтому провод, в котором существует напряжение переменного тока, называют фазным, а другой, заземлённый, — нулевым.

Фазовый угол одиночного вектора не представляет большого практического значения — в электрических сетях он за 1/50 сек совершает полный оборот в 360°. Куда большее применение имеет относительный угол между двумя векторами.

В цепях с так называемыми реактивными элементами: катушками, конденсаторами, он образуется между векторами значений напряжения и тока. Такой угол называют фазовым сдвигом.

Если величины реактивных нагрузок не меняются во времени, то и фазовый сдвиг между током и напряжением будет постоянным. А уже с его помощью можно производить анализ и расчёт электрических цепей.

В XIX веке, когда ещё не было научной теории электричества, и все разработки нового оборудования осуществлялись опытным путем, экспериментаторы заметили, что виток провода, вращающийся в постоянном магнитном поле, создаёт на своих концах электрическое напряжение.

Затем выяснилось, что оно изменяется по синусоидальному закону. Если намотать катушку из многих витков, напряжение пропорционально увеличится. Так появились первые электрические генераторы, которые могли обеспечивать потребителей электрической энергией.

Тесла в генераторе, разрабатываемом для крупнейшей тогда в США Ниагарской гидроэлектростанции, для более эффективного использования магнитного поля, разместил в нем не одну катушку, а три.

За один оборот ротора магнитное поле статора пересекали сразу три катушки благодаря чему отдача генератора увеличилась в корень из трёх раз и от него можно было запитать одновременно трёх различных потребителей.

Экспериментируя с такими генераторами, первые инженеры‑электрики заметили, что напряжения в обмотках изменяются не одновременно. Когда, например, в одной из них оно достигает положительного максимума, в двух других оно будет равным половине отрицательного минимума и так периодически для каждой обмотки, а для математического описания такой системы уже нужна была система трёх вращающихся векторов с относительным углом между ними в 120°.

В дальнейшем оказалось, что если нагрузки в цепях обмоток сильно отличались друг от друга, это значительно ухудшало работу самого генератора. Выяснилось, что в больших разветвлённых сетях выгоднее не тащить к потребителям три различных линии электропередач, а подвести к ним одну трёхфазную и уже на конце её обеспечивать равномерное распределение нагрузок по каждой фазе.

Именно такую схему и предложил Доливо‑Добровольский, когда по одному выводу от каждой из трёх обмоток генератора соединяются вместе и заземляются, вследствие чего их потенциал становится одинаковым и равным нулю, а электрические напряжения снимаются с других трёх выводов обмоток.

Эта схема получила наименование «соединения звездой». Она и поныне является основной схемой организации трёхфазных электрических сетей.

Разберёмся что такое фазное напряжение

Для создания таких сетей требуется провести от генератора к потребителям линию электропередачи, состоящую из трёх проводов фазных и одного нулевого. Конечно, в реальных сетях для уменьшения потерь в проводах на обоих концах линий подключаются ещё и повышающие и понижающие трансформаторы, но реальной картины работы сети это не меняет.

Нулевой провод нужен, чтобы зафиксировать передать к потребителю потенциал общего вывода генератора, ведь именно по отношению к нему создаётся напряжение в каждом фазном проводе.

Таким образом, фазное напряжение образуется и измеряется относительно общей точки соединения обмоток — нулевого провода. В хорошо сбалансированной по нагрузкам трёхфазной сети через нулевой провод течет минимальный ток.

На выходе трёхфазной линии электропередачи имеются три фазных провода: L1, L2, L3 и один нулевой — N. По существующим евростандартам они должны иметь цветовые обозначения:

L1 — коричневый;
L2 — чёрный;
L3 — серый;
N — синий;
Жёлто‑зелёный для защитного заземления.

Такие линии подводятся к большим серьёзным потребителям: предприятиям, городским микрорайонам и т. п. Но маломощным конечным потребителям, как правило, не нужны три источника напряжения, поэтому они подключаются к однофазным сетям, где имеется только один фазный и один нулевой провод.

Равномерным распределением нагрузок в каждой из трёх однофазных линий обеспечивается баланс фаз в трёхфазной системе электроснабжения.

Таким образом, для организации однофазных сетей используется напряжение одного из фазных проводов относительно нулевого. Такое напряжение и называется фазным.

По принятому в большинстве стран стандарту для конечных потребителей оно должно составлять 220 В. На него рассчитывается и выпускается практически все бытовое электрооборудование. В США и некоторых странах Латинской Америки для однофазных сетей принято стандартное напряжение 127 В, а кое‑где и 110 В.

Что такое линейное напряжение сети

Преимущества однофазной сети в том, что один из проводов имеет потенциал, близкий к потенциалу Земли.

Это, во‑первых, помогает обеспечивать электробезопасность оборудования, когда риск поражения электротоком представляет только один, фазный провод.

Во‑вторых, такая схема удобна для разводки сетей, расчета и понимания их работы, проведения измерений. Так, для нахождения фазного провода не нужны специальные измерительные приборы, достаточно иметь индикаторную отвёртку.

Но от трёхфазных сетей можно получить и ещё одно напряжение, если подключить нагрузку между двумя фазными проводами. Оно будет по значению выше фазного напряжения, потому что будет представлять собой проекцию на координатную ось не одного вектора, а двух, расположенных под углом в 120° друг к другу.

Этот «довесок» и будет давать прирост примерно в 73%, или √3–1. По существующему стандарту линейное напряжение в трёхфазной сети должно быть равно 380 В.

Каково основное отличие этих напряжений

Если к такой сети подключить соответствующую нагрузку, например, трёхфазный электродвигатель, он будет давать механическую мощность, значительно большую, чем однофазный такого же размера и веса. Но подключить трёхфазную нагрузку можно двумя способами. Один, как уже было сказано — «звезда».

Если же начальные выводы всех трёх обмоток генератора или линейного трансформатора не соединять вместе, а подключить каждый из них к конечному выводу следующей, создав из обмоток последовательную цепочку, такое соединение называется «треугольником».

Особенность его в отсутствии нулевого провода, и для подключения к таким сетям нужно соответствующее трёхфазное оборудование, у которого нагрузки также соединены «треугольником».

При таком соединении в нагрузке действуют только линейные напряжения 380 В. Один пример: электродвигатель, включённый в трёхфазную сеть по схеме «звезда», при токе в обмотках 3,3 А будет развивать мощность 2190 Вт.

Тот же двигатель, включенный «треугольником», будет в корень из трёх раз мощнее — 5570 Вт за счёт увеличения тока до 10 А.

Получается, что, имея трёхфазную сеть и такой же электродвигатель, мы можем получить значительно больший выигрыш по мощности, чем при использовании однофазных, а просто изменив схему подключения, мы увеличим выходную мощность двигателя ещё втрое. Правда, его обмотки также должны быть рассчитаны на повышенный ток.

Таким образом, основное отличие между двумя видами напряжений в сетях переменного тока, как мы выяснили, — это величина линейного напряжения, которая в 3 раза больше фазного. За величину фазного напряжения принимается абсолютное значение разности потенциалов фазного провода и Земли. Линейное же напряжение — это относительная величина разности потенциалов между двумя фазными проводами.

Ну и в завершении статьи два видео о соединении звездой и треугольником, для тех кто хочет разобраться подробнее.

В настоящее время во всем мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока .

Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода(φ =2π /3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током .

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока . По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики зависимости от времени ЭДС, индуцированных в обмотках якоря генератора трехфазного тока

Как осуществляется подобный генератор легко понять из схемы на рис. 2.

Рис. 2. Три пары независимых проводов, присоединенных к трем якорям генератора трехфазного тока, питают осветительную сеть

Здесь имеются три самостоятельных якоря, расположенных на статоре электрической машины и смещенных на 1/3 окружности (120 о). В центре электрической машины вращается общий для всех якорей индуктор, изображенный на схеме в виде .

В каждой катушке одной и той же частоты, но моменты прохождения этих ЭДС через нуль (или через максимум) в каждой из катушек окажутся сдвинутыми на 1/3 периода друг относительно друга, ибо индуктор проходит мимо каждой катушки на 1/3 периода позже, чем мимо предыдущей.

Каждая обмотка трехфазного генератора является самостоятельным генератором тока и источником электрической энергии. Присоединив провода к концам каждой из них, как это показано на рис. 2, мы получили бы три независимые цепи, каждая из которых могла бы питать те или иные электроприемники, например .

В этом случае для передачи всей энергии, которую поглощают , требовалось бы шесть проводов. Можно однако, так соединить между собой обмотки генератора трехфазного тока, чтобы обойтись четырьмя и даже тремя проводами, т. е. значительно сэкономить проводку.

Первый из этих способов, называется соединением звездой (рис. 3).

Рис. 3. Четырехпроводная система проводки при соединении трехфазного генератора звездой. Нагрузки (группы электрических ламп I, II, III) питаются фазными напряжениями.

Будем называть зажимы обмоток 1, 2, 3 началами, а зажимы 1" , 2" , 3" - концами соответствующих фаз.

Соединение звезд заключается в том, что мы соединяем концы всех обмоток в одну точку генератора, которая называется нулевой точкой или нейтралью , и соединяем генератор с приемниками электроэнергии четырьмя проводами: тремя так называемыми линейными проводами , идущими от начала обмоток 1, 2, 3, и нулевым или нейтральным проводом , идущим от нулевой точки генератора. Такая система проводки называется четырехпроводной .

Напряжения между нулевой точкой и началом каждой фазы называют фазными напряжениями , а напряжения между началами обмоток, т, е. точками 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1, называют линейными . Фазные напряжения обычно обозначают U1 , U2 , U3 , или в общем виде U ф, а линейные напряжения - U12, U23 , U31 , или в общем виде U л.

Между амплитудами или действующими значениями при соединении обмоток генератора звездой существует соотношение U л = √3 U ф ≈ 1,73U ф

Таким образом, например, если фазное напряжение генератора U ф = 220 В, то при соединении обмоток генератора звездой линейное напряжение U л - 380 В.

В случае равномерной нагрузки всех трех фаз генератора, т. е. при приблизительно одинаковых токах в каждой из них, ток в нулевом проводе равен нулю . Поэтому в этом случае можно нулевой провод упразднить и перейти к еще более экономной трехпроводной системе. Все нагрузки включаются при этом между соответствующими парами линейных проводов.

При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе не равен нулю, но, вообще говоря, он слабее, чем ток в линейных проводах. Поэтому нулевой провод может быть тоньше, чем линейные.

При эксплуатации трехфазного переменного тока стремятся сделать нагрузку различных фаз по возможности одинаковой. Поэтому, например, при устройстве осветительной сети большого дома при четырехпроводной системе вводят в каждую квартиру нулевой провод и один из линейных с таким расчетом, чтобы в среднем на каждую фазу приходилась примерно одинаковая нагрузка.

Другой способ соединения обмоток генератора, также допускающий трехпроводную проводку - это соединение треугольником, изображенное на рис. 4.

Рис. 4. Схема соединения обмоток трехфазного генератора треугольником

Здесь конец каждой обмотки соединен с началом следующей, так что они образуют замкнутый треугольник, а линейные провода присоединены к вершинам этого треугольника - точкам 1, 2 и 3. При соединении треугольником линейное напряжение генератора равно его фазному напряжению : U л = U ф.

Таким образом, переключение обмоток генератора со звезды на треугольник приводит к снижению линейного напряжения в √3 ≈ 1,73 раза . Соединение треугольником также допустимо лишь при одинаковой или почти одинаковой нагрузке фаз. Иначе ток в замкнутом контуре обмоток будет слишком силен, что опасно для генератора.

При применении трехфазного тока отдельные приемники (нагрузки), питающиеся от отдельных пар проводов, также могут быть соединены либо звездой, т. е. так, что один конец их присоединен к общей точке, а оставшиеся три свободных конца присоединяются к линейным проводам сети, либо треугольником, т. е. так, что все нагрузки соединяются последовательно и образуют общий контур, к точкам 1, 2, 3 которого присоединяются линейные провода сети.

На рис. 5 показано соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки, а на рис. 6 - при четырехпроводной системе проводки (в этом случае общая точка всех нагрузок соединяется с нулевым проводом).

Рис. 7. Соединение нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки

Практически важно иметь в виду следующее. При соединении нагрузок треугольником каждая нагрузка находится под линейным напряжением, а при соединении звездой - под напряжением, в √3 раз меньшим. Для случая четырехпроводной системы это ясно из рис. 6. Но то же имеет место в случае трехпроводной системы (рис. 5).

Между каждой парой линейных напряжений здесь включены последовательно две нагрузки, токи в которых сдвинуты по фазе на 2 π /3. Напряжение на каждой нагрузке равно соответствующему линейному напряжению, деленному на √3 .

Таким образом, при переключении нагрузок со звезды на треугольник напряжения на каждой нагрузке, а следовательно, и ток в ней повышаются в √3 ≈ 1,73 раза. Если, например, линейное напряжение трехпроводной сети равнялось 380 В, то при соединении звездой (рис. 5) напряжение на каждой из нагрузок будет равно 220 В, а при включении треугольником (рис. 7) будет равно 380 В.

При подготовке статьи использовалась информация из учебника физики под редакцией Г. С. Ландсберга.