Трехфазный ток. Электротехника. Трехфазные электрические цепи Трехфазная симметричная нагрузка

Большинство генераторов переменного тока, а также линий, передающих электроэнергию, используют трехфазные системы. Передача тока осуществляется по трем линиям (или четырем) вместо двух. Трехфазный ток представляет собой систему переменного электротока, где значения токов и напряжений меняются по синусоидальному закону. Частота синусоидальных колебаний тока в России и Европе – 50 Гц.

Почему используют трехфазный ток

Транспортировка электроэнергии от электростанций до отдаленных точек предполагает использование очень длинных проводов и кабелей, имеющих большое сопротивление. Это означает, что часть энергии будет потеряна, рассеиваясь в виде тепла. Уменьшив токи, передаваемые по ЛЭП, можно значительно снизить потери.

Наиболее распространенной формой производства электроэнергии является трехфазная генерация. В промышленности трехфазный переменный ток часто применяется для работы электродвигателей.

Преимущества трехфазной системы:

Возможность наличия фазного и линейного напряжений в трехфазных цепях двух разных значений: высокое – для мощных потребителей, низкое – для остальных;
Сниженные потери при транспортировке энергии, следовательно, использование более дешевых проводов и кабелей;
Трехфазные машины имеют более стабильный крутящий момент, чем однофазные (выше производительность);
Лучшая производительность в трехфазных генераторах;
В некоторых случаях постоянный ток должен получаться из переменного. При этом использование 3 фазного тока является существенным преимуществом, так как пульсация выпрямляемого напряжения значительно ниже.

Что такое трехфазный ток

Трехфазная система переменного тока – это три синусоидальных токовых сигнала, различия между которыми составляют треть цикла или 120 электрических градусов (полный цикл – 360°). Они проходят свои максимумы в регулярном порядке, называемом фазовой последовательностью. Синусоидальное напряжение пропорционально косинусу или синусу фазы.

Три фазы поставляются обычно по трем (или четырем) проводам, а фазные и линейные напряжения в трехфазных цепях представляют собой разности потенциалов между парами проводников. Фазные токи являются токовыми величинами в каждом проводнике.

Схемы трехфазных цепей

В схемной конфигурации «звезда» имеется три фазных провода. Если нулевые точки системы питания и приемника соединены, то получается четырехпроводная «звезда».

В схеме различаются межфазное напряжение, находящееся между проводниками фазы (его еще именуют линейным), и фазное – между отдельными проводниками фазы и N-проводником.

Что такое фазное напряжение, наиболее наглядно определяется с помощью построения векторов – это три симметричных вектора U(А), U(В) и U(С). Здесь же видно, что такое линейное напряжение:

U(АВ) = U(А) – U(В);
U(ВС) = U(В) – U(С);
U(СА) = U(С) – U(А).

Важно! Векторные построения дают представления о сдвиге между согласующимися фазным и межфазным напряжением – 30°.

Следовательно, линейное напряжение для звездной схемы с равномерными нагрузками можно рассчитать так:

Uab = 2 x Ua x cos 30° = 2 x Ua x √3/2 = √3 x Ua.

Аналогично находятся другие показатели фазного напряжения.

Линейное и фазное напряжение, если суммировать векторные величины всех фаз, равны нулю:

U(А) + U(В) + U(С) = 0;
U(АВ) + U(ВС) + U(СА) = 0.

Если к «звезде» подсоединяется электроприемник с сопротивлением, идентичным в каждой фазе:

то можно произвести расчет линейного и фазного токов:

Ia = Ua/Za;
Ib = Ub/Zb;
Ic = Uc/Zc.

Применительно для общих случаев «звездной» системы линейные токовые величины идентичны фазовым.

Обычно предполагается, что источник, питающий электроприемники, симметричен, и только импеданс определяет работу схемы.

Поскольку суммирующий токовый показатель соответствует нулю (закон Кирхгофа), то в случае четырехпроводной системы в нейтральном проводнике ток не течет. Система будет вести себя одинаково, независимо, существует нейтральный проводник или нет.

Для активной мощности трехфазного приемника справедлива формула:

P = √3 x Uф I x cos φ.

Реактивная мощность:

Q = √3 x Uф I x sin φ.

«Y» при асимметричной нагрузке

Это такая схемная конфигурация, где токовая величина одной фазы отличается от другой, либо различны фазовые сдвиги токов по сравнению с напряжениями. Межфазовые напряжения будут оставаться симметричными. По векторным построениям определяется появление сдвига нулевой точки от центра треугольника. Результатом является асимметрия фазных величин напряжений и появление Uo:

Uo = 1/3 (U(А) + U(В) + U(С)).

Несмотря на асимметричную нагрузку, суммирующий токовый показатель нулевой.

Важно! Работа схемы с асимметричной нагрузкой зависит от того, есть или нет N-проводник.

Иначе ведет себя схема, когда подключен N-проводник с незначительным полным сопротивлением Zo = 0. Нулевые точки ИП и электроприемника оказываются гальванически связанными и имеют одинаковый потенциал. Фазное напряжение разных фаз приобретает идентичное значение, а токовая величина в N -проводнике:

Io = I(А) + I(В) + I(С).

При передаче мощности принято использовать трехпроводные системы на уровнях высокого и среднего напряжения. На низком уровне напряжения, где трудно избежать несбалансированных нагрузок, применяются четырехпроводные системы.

Схема «Δ»

Подключая конец каждой фазы электроприемника к началу следующей, можно получить трехфазный ток с последовательно подсоединенными фазами. Полученная схемная конфигурация называется «треугольником». В таком виде она может работать только как трехпроводная.

С помощью векторных построений, понятных даже для чайников, иллюстрируются фазные и линейные напряжения и токи. Каждая фаза электроприемника оказывается подключенной на линейное напряжение между двумя проводниками. Линейное и фазное напряжение идентичны на приемнике электроэнергии.

Межфазовые токи для «треугольника» – I(А), I(В), I(С). Фазные – I(АВ), IВС), I(СА).

Линейные токи находятся из векторных построений:

I(А) = I(АВ) – I(СА);
I(В) = I(ВС) – I(АВ);
I(С) = I(СА) – I(ВС).

Суммирующая токовая величина в симметричной системе соответствует нулю. Среднеквадратичные величины фазных токов:

I(АВ) = I(ВС) = I(СА) = U/Z.

Поскольку фазовый сдвиг между U и I равен 30°, линейный ток в данной конфигурации будет равен:

I(А) = I(АВ) – I(СА) = 2 x I(АВ) x cos 30° = 2 x Iф x √3/2 = √3 x Iф.

Важно! Эффективная величина линейного тока превышает в √3 раз эффективную величину тока фазы.

Трехфазный и однофазный ток

Схемная конфигурация «Y» дает возможность использовать два разных напряжения при питании потребителей бытовой и промышленной сети: 220 В и 380 В. 220 В получается с использованием двух проводников. Один из них –фазный, другой – N-проводник. Напряжение между ними соответствует фазному. Если взять 2 проводника, оба представляющие собой фазы, то напряжение между фазами носит название линейного и равно 380 В. Для подключения используются все 3 фазы.

Основные различия однофазной и трехфазной систем:

Однофазный ток предполагает питание через один проводник, трехфазный – через три;
Для завершения цепи однофазного питания требуется 2 проводника: еще один нейтральный, для трехфазного – 4 (плюс нейтральный);
Наибольшая мощность передается по трем фазам, в отличие от однофазной системы;
Однофазная сеть более простая;
При неисправности фазного провода в однофазной сети питание полностью пропадает, в трехфазной – подается по двум оставшимся фазам.

Интересно. Никола Тесла, первооткрыватель многофазных токов и изобретатель асинхронного двигателя, использовал двухфазный ток с разностью фаз 90°.Такая система пригодна для создания вращающегося магнитного поля больше, чем однофазная, но меньше, чем трехфазная. Двухфазная система поначалу получила распространение в США, но затем полностью исчезла из употребления.

Сегодня почти все электроснабжение основано на низкочастотном трехфазном токе при параллельном использовании индивидуальных фаз. Практически все электростанции имеют генераторы, производящие трехфазный ток. Трансформаторы могут работать с трехфазным или однофазным током. Наличие реактивной мощности в подобных сетях требует установки компенсирующего оборудования.

Видео

Попалась на глаза история о монтаже электрооборудования, а именно двух масляных трансформаторов. Работы были завершены успешно. В итоге имелась следующая схема электроснабжения. Собственно сами трансформаторы, вводные выключатели, секционные разъединители, две секции шин. Успешно, как считали монтажники, прошли пусконаладочные работы . Стали включать оба трансформатора на параллельную работу и получили. Естественно, монтажники утверждали, что произвели проверку чередования фаз с обоих источников и все совпадало. Но, о фазировке не было сказано ни слова. А зря! Теперь давайте разберемся подробно, что же пошло не так.

Что собой представляет чередование фаз?

Как известно, в трехфазной сети присутствует три разноименные фазы. Условно они обозначаются как А, В и С. Вспоминая теорию, можно говорить что синусоиды фаз смещены относительно друг друга на 120 градусов. Так вот всего может быть шесть разных порядков чередования, и все они делятся на два вида – прямое и обратное. Прямым чередованием считается следующий порядок – АВС, ВСА и САВ. Обратный порядок будет соответственно СВА, ВАС и АСВ.

Чтобы проверить порядок чередования фаз можно воспользоваться таким прибором, как фазоуказатель. О том, мы уже рассказывали. Конкретно рассмотрим последовательность проверки прибором ФУ 2.

Как выполнить проверку?

Сам прибор (предоставлен на фото ниже) представляет собой три обмотки и диск, который вращается при проверке. На нем нанесены черные метки, которые чередуются с белыми. Это сделано для удобства считывания результата. Работает прибор по принципу асинхронного двигателя.

Итак, подключаем на выводы прибора три провода от источника трехфазного напряжения . Нажимаем кнопку на приборе, которая расположена на боковой стенке. Увидим, что диск начал вращаться. Если он крутится по направлению нарисованной на приборе стрелки, значит, чередование фаз прямое и соответствует одному из вариантов порядка АВС, ВСА или САВ. Когда диск будет вращаться в противоположную стрелке сторону, можно говорить об обратном чередовании. В таком случае возможен один из таких трех вариантов – СВА, ВАС или АСВ.

Если возвращаться к истории с монтажниками, то все что они сделали – это лишь определение чередования фаз. Да, в обоих случаях порядок совпал. Однако нужно было еще проверить фазировку. А ее невозможно выполнить с помощью фазоуказателя. При включении были соединены разноименные фазы. Чтобы узнать где условно А, В и С, нужно было применить мультиметр или.

Мультиметром измеряется напряжение между фазами питания и если оно равно нулю, то фазы одноименные. Если же напряжение будет соответствовать линейному напряжению, то они разноименные. Это самый простой и действенный способ . Более подробно о том, вы можете узнать в нашей статье. Можно, конечно, воспользоваться осциллографом и смотреть по осциллограмме какая фаза от какой отстает на 120 градусов, но это нецелесообразно. Во-первых, так на порядок усложняется методика, и во-вторых такой прибор стоит немалых денег.

На видео ниже наглядно показывается, как проверить чередование фаз:

Когда нужно учитывать порядок?

Проверить чередование фаз нужно при эксплуатации трехфазных электродвигателей переменного тока . От порядка фаз будет меняться направление вращения двигателя, что иногда бывает очень важно, особенно если на участке находится много механизмов, использующих двигатели.

Также важно учитывать порядок следования фаз при подключении электросчетчика индукционного типа СА4. Если порядок будет обратный возможно такое явление как самопроизвольное движение диска на счетчике. Новые электронные счетчики, конечно, нечувствительны к чередованию фаз, но на их индикаторе появится соответствующее изображение.

Если имеется электрический силовой кабель , с помощью которого необходимо выполнить подключение трехфазной сети питания, и нужен контроль фазировки, выполнить его можно и без специальных приборов. Зачастую жилы внутри кабеля отличаются по цвету изоляции, что сильно упрощает процесс «прозвонки». Так, чтобы узнать где условно находится фаза А, В или С понадобится лишь. На двух концах мы увидим жилы одинакового цвета. Их мы и примем за одинаковые. Подробнее о вы можете узнать из нашей статьи.

В нашем садоводческом товариществе установили трёхфазный электросчётчик с трансформатором тока. Счетчик был новый со всеми пломбами. Однако при полностью отключенной нагрузке диск счётчика медленно вращается, то есть у счётчика обнаружился «самоход». Понятно, платить товариществу за учитываемую счетчиком энергию, которую оно фактически не использовало, не хотелось.

Сначала решили, что счетчик неисправен. Заменяли счетчики несколько раз, но «самоход» оставался. В результате пришли к другому выводу - счетчик не виноват. Стали думать, что же вызывает подобный «самоход»? В заводской инструкции, приложенной к трёхфазному счетчику , записано: подключать счётчик к сети необходимо, соблюдая последовательность чередования фаз, чтобы фаза А сети была бы подключена к первому зажиму счётчика, фаза В - ко второму, а фаза С - к третьему зажиму счётчика.

Последовательность чередования фаз легко установить с помощью фазоуказателя. Таковой всегда имеется на электростанциях, в электрохозяйствах крупных заводов, но откуда ему быть в садоводческих товариществах? Наша попытка заполучить фазоуказатель на прокат на пару дней в крупном учреждении не удалась. Пришлось самим изготовить «Устройство для определения последовательности чередования фаз» , с помощью которого удалось определить эту правильную последовательность. В результате после устранения нарушения последовательности чередования фаз «самоход» счётчика исчез. Стало быть, отпала нужда платить за неиспользованную садоводами энергию.

Устройство для определения последовательности чередования фаз в трехфазной сети

Итак, вышеупомянутое «Устройство для определения последовательности чередования фаз» предназначено для определения фазы, в которой напряжение отстаёт от напряжения в фазе, произвольно взятой для начала отсчёта. Знание этого отставания необходимо для правильного подключения к сети приборов, в которых требуется соблюдать последовательность чередования фаз, например, трёхфазных четырёхпроводных (с нулем) электросчетчиков.

Конструкция устройства достаточно простая (рис. 1). На основании из электроизоляционного материала, например текстолита, размещены два настенных электропатрона с ввинченными в них обычными осветительными лампами накаливания, закрытыми прозрачными кожухами, изготовленными из пластиковой тары от соков, воды и т. д. На основании укреплены также конденсатор и клеммы для подключения проводов.

Одни выводы от ламп и конденсатора спаяны (точка О), другие концы проводов соединены с клеммами А, В и С (рис. 2).

Принцип действия «Устройства для определения последовательности чередования фаз» таков. При подключении «Устройства...» к трехфазной сети из-за наличия конденсатора в каждой фазе изменяется напряжение, что приводит к разному накалу ламп. (В нашем случае к конденсатору подсоединена фаза В.) По величине накала (яркости свечения ламп) и судят о принадлежности оставшихся фаз (проводов) к фазе А или к фазе С.

Здравствуйте, уважаемые гости и постоянные читатели сайта «Заметки электрика».

Несколько дней назад мне позвонил знакомый с просьбой разобраться в ситуации.

У него на объекте работала бригада электромонтажников.

Они занимались установкой двух силовых масляных трансформаторов 10/0,4 (кВ) мощностью 400 (кВА). С каждого трансформатора питались сборные шины 1 и 2 секций 0,4 (кВ). Между сборными шинами 1 и 2 секций был предусмотрен межсекционный автоматический выключатель.

Вот фото двух секций напряжением 400 (В).

При пусконаладочных работах решили попробовать включить оба трансформатора на параллельную работу. При включении произошло, при котором сработала защита сразу на двух вводных автоматических выключателях.

Стали разбираться. Условия включения трансформаторов на параллельную работу были соблюдены, но не все. Пришли к выводу, что не была соблюдена фазировка шин двух секций 400 (В). Бригада монтажников уверяет, что предварительную фазировку провела правильно. Чуть позже выяснилось, что фазировку они проводили с помощью фазоуказателя ФУ-2 на каждой секции и в обоих случаях прибор показал прямую последовательность фаз.

Фазоуказатель ФУ-2

Порядок чередования фаз (следования фаз) в трехфазной системе напряжений можно проверить с помощью переносного индукционного фазоуказателя типа ФУ-2. Вот так он выглядит.

Например, у счетчика СА4-И678 при обратной последовательности фаз начинается «самоход» диска. В современных электронных счетчиках типа СЭТ-4ТМ и ПСЧ-4ТМ при обратном чередовании фаз выдается на экран уведомление.

P.S. В следующих статьях мы поговорим о правильности проведения фазировки. Подписывайтесь на новости сайта, чтобы не пропустить выпуски новых статей.

Нередко при обслуживании электрооборудований необходимо проводить проверку чередования фаз и производить фазировку. Таким чаще всего пользуются при согласовании работы трансформаторов. В нашей статье мы опишем чередование фаз в 3-х фазной сети, необходимые инструменты и способы правильной фазировки.

Вводная история

Представим себе монтаж двух масляных трансформаторов. Электрики провели успешные пусконаладочные работы трансформаторов, вводных выключателей, шин и секционных разделителей. Но, когда попытались запустить трансформаторы параллельно, произошло короткое замыкание . Электромонтеры говорили, что произвели проверку чередования фаз, и все было в порядке. Но фазировку видимо никто не учел, что привело к такой ошибке. Давайте детально рассмотрим суть проблемы данного случая.

Что такое чередование фаз

Трехфазная сеть имеет три фазы, обозначаемые А, В и С. Если вспомнить физику, то это означает, что синусоиды фаз на 120˚ смещены друг от друга. Всего существует шесть типов порядков чередования, которые в свою очередь можно разделить на две группы – прямые и обратные. Прямые чередования выглядят как АВС, ВСА и САВ, а обратные – СВА, ВАС и АСВ. Для проверки чередования фаз используют прибор – фазоуказатель.

Что необходимо для проверки фаз

Фазоуказатель (см. рисунок ниже) состоит из трех обмоток и диска, который при проверке будет вращаться. Чтобы удобно было распознавать результат, на диске нанесены черно-белые метки. ФУ работает так же, как и асинхронный двигатель.

Если мы подключим три провода на выводы, то увидим, что диск начнет вращаться. Если он крутится по часовой стрелке, это означает прямое чередование фаз (АВС, ВСА или САВ).Если диск крутится против часовой стрелки, то это означает обратное чередование(СВА, ВАС или АСВ).

Вернемся к нашей истории с электромонтажниками, они проверили чередование фаз, которое в одном и другом случае совпало. Фазировку было выполнить необходимо, а тут не обойтись без фазоуказателя (ФУ). Электромонтажники соединили разноименные фазы при запуске, а для того, чтобы узнать где именно А, В и С надо было использовать мультиметр или осциллограф.

Прибор мультиметр измеряет напряжение между фазами разных источников питания, достижение отметки ноль означает, что фазы одноименные. В противоположном случае, линейное напряжение будет означать, что фазы разноименные. Такой способ самый быстрый и простой, но можно также использовать осциллограф, который будет показывать какая фаза отстает от другой на 120˚.

В каких случаях учитывают порядок

Проверка чередования фаз необходима при использовании трехфазных электродвигателей переменного тока. От порядка фаз зависит направление вращения двигателя, это очень важное условие, особенно когда несколько механизмов используют двигатели.

Еще один случай, когда необходимо обратить внимание на чередование фаз, это при работе с электросчетчиком индукционного типа СА4. При обратном порядке иногда случается самопроизвольное вращение диска на счетчике. Современные счетчики не настолько чувствительны к чередованию фаз, но у них на индикаторе тоже появится соответствующие данные.

Иногда контроль фазировки можно выполнить и без специальных приборов. Это если подключение трехфазной сети питания выполняется с помощью который можно в компании Югтелекабель. Если жилы внутри кабеля отличаются по цветам, то прозвонка осуществляется гораздо быстрее. Иногда просто нужно снять наружную изоляцию кабеля, чтобы понять, где какая фаза находится (А, В или С). Если на обоих концах жилы одинакового цвета, то они одинаковые.

Не всегда стоит полагаться на цветовую маркировку , не все производители придерживаются таких тенденций, иногда на разных концах кабеля можно встретить разные цвета . Поэтому лучше воспользоваться прозвонкой жил.

8.1.Основные понятия и определения

Электрическое оборудование трехфазного тока (синхронные компенсаторы, трансформаторы, линии электро-передачи) подлежит обязательной фазировке перед первым включением в сеть, а также после ремонта, при котором мог быть нарушен.порядок следования и чередования фаз.

В общем случае фазировка заключается в проверке совпадения по фазе напряжения каждой из трех фаз вклю-чаемой электроустановки с соответствующими фазами напряжения сети.

Фазировка включает в себя три существенно различные операции. Первая из них состоит в проверке и срав-нении порядка следования фаз включаемой электроустановки и сети. Вторая операция состоит в проверке совпадения по фазе одноименных напряжений, т. е. отсутствии между ними углового сдвига. Наконец, третья операция заключается в проверке одноименности (расцветки) фаз, соединение которых предполагается выполнить. Целью этой операции является проверка правильности соединения между собой всех элементов электроустановки, т. е. в конечном счете правильности подвода токопроводящих частей к включающему аппарату.

Фаза. Под трехфазной системой напряжений понимают совокупность трех симметричных напряжений, амплитуды которых равны по значению и сдвинуты (амплитуда синусоиды одного напряжения относительно предшествующей ей амплитуды синусоиды другого напряжения) на один и тот же фазный угол (рис. 8.1, а).

Таким образом, угол, характери-зующий определенную стадию перио-дически изменяющегося параметра (в данном случае напряжения) , называют фазным углом или просто фазой. При совместном рассмотрении двух (и более) синусоидально изменяющихся напряже-ний одной частоты, если их нулевые (или амплитудные) значения наступают не одновременно, говорят, что они сдвинуты по фазе. Сдвиг всегда определяется меж-ду одинаковыми фазами. Фазы обозна-чают прописными буквами А, В, С. Трехфазные системы изображают также вращающимися векторами (рис.8.1, б).

На практике под фазой, трехфазной системы понимают также отдельный участок трехфазной цепи, по ко-торому проходит один и тот же ток, сдвинутый относительно двух других по фазе. Исходя из этого, фазой назы-вают обмотку генератора, трансформатора, двигателя, провод трехфазной линии, чтобы подчеркнуть принадлежность их к определенному участку трехфазной цепи. Для распознавания фаз оборудования на кожухах аппаратов, шинах, опорах и конструкциях.наносят цветные метки в виде кружков, полос и т. д. Элементы оборудования, принадлежащие фазе А, окрашивают в желтый цвет, фазы В-в зеленый и фазы С-в красный. В соответствии с этим фазы часто называют желтой, зеленой и красной: ж, з, к.

Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса фаза - это либо угол, характеризующий состояние синусоидально изменяющейся величины в каждый момент времени, либо участок трехфазной цепи, т. е. однофазная цепь, входящая в состав трехфазной.

Порядок следования фаз. Трехфазные системы напряжений и тока могут отличаться друг от друга порядком следования фаз. Если фазы (например, сети) следуют друг за другом в порядке А, В, С - это так называемый прямой порядок следования фаз (см. § 7.3). Если фазы следуют друг за другом в порядке А, С, В - это обратный порядок следования фаз.

Порядок следования фаз проверяют индукционным фазоуказателем типа И-517 или аналогичным по устройству фазоуказателем типа ФУ-2. Фазоуказатель подключают к проверяемой системе напряжений. Зажимы прибора маркированы, т. е. обозначены буквами А, В, С. Если фазы сети совпадут с маркировкой прибора, диск фазоуказателя будет вращаться в направлении, указанном стрелкой на кожухе прибора. Такое вращение диска соответствует прямому порядку следования фаз сети. Вращение диска в обратном направлении указывает на обратный порядок следования фаз. Получение прямого порядка следования фаз из обратного производится переменой мест двух любых фаз электроустановки.

Иногда вместо термина "порядок следования фаз" говорят "порядок чередования фаз". Во избежание путаницы условимся применять термин "чередование фаз" только в том случае, когда это связано с понятием фазы как участка трехфазной цепи.

Чередование фаз. Итак, под чередованием фаз следует понимать очередность, в которой фазы трехфазной цепи (обмотки и выводы электрических машин, провода линий и т. д.) расположены в пространстве, если обход их кажцый раз начинать из одного и того же пункта (точки) и производить в одном и том же направлении, например сверху вниз, по часовой стрелке и т. д. На основании такого определения говорят о чередовании обозначений выводов электрических машин и трансформаторов, расцветке проводов и сборных шин.

Совпадение фаз. При фазировке трехфазных цепей встречаются различные варианты чередования обозначений вводов на включающем аппарате и подачи на эти вводы напряжения разных фаз (рис. 8.2, а, б). Варианты, при которых не совпадает порядок следования фаз, или порядок чередования фаз электроустановки и сети, при включении выключателя приводят к КЗ.

В то же время возможен единственный вариант, когда совпадает то и другое. Короткое замыкание между соединяемыми частями (электроустановкой и сетью) здесь исключено.

Под совпадением фаз при фазировке как раз и понимают именно этот вариант, когда на вводы выключателя, попарно принадлежащие одной фазе, поданы одноименные напряжения, а обозначения (расцветка) вводов вы-ключателя согласованы с обозначением фаз напряжений (рис. 8.2, в).

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.

Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:

фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
фаза как составная часть многофазной электрической системы.

Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.

Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).

Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

Экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;

Самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

Возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

Уравновешенность симметричных трехфазных систем.

Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.

Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3.


Рис.3	Рис.4

Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).

Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).

Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.

Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.

Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии - линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе . Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; - фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

;

(1)

;

(2)

Обычно при расчетах принимается . Тогда для случая прямого чередования фаз , (при обратном чередовании фаз фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: ; .

Соединение в треугольник

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

Для симметричной системы ЭДС имеем

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов

(5)

В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».

Литература

Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

Небольшое вступление

Попалась на глаза история о монтаже электрооборудования, а именно двух масляных трансформаторов. Работы были завершены успешно. В итоге имелась следующая схема электроснабжения. Собственно сами трансформаторы, вводные выключатели, секционные разъединители, две секции шин. Успешно, как считали монтажники, прошли пусконаладочные работы. Стали включать оба трансформатора на параллельную работу и получили . Естественно, монтажники утверждали, что произвели проверку чередования фаз с обоих источников и все совпадало. Но, о фазировке не было сказано ни слова. А зря! Теперь давайте разберемся подробно, что же пошло не так.

Что собой представляет чередование фаз?

Как выполнить проверку?

Итак, подключаем на выводы прибора три провода от источника трехфазного напряжения. Нажимаем кнопку на приборе, которая расположена на боковой стенке. Увидим, что диск начал вращаться. Если он крутится по направлению нарисованной на приборе стрелки, значит, чередование фаз прямое и соответствует одному из вариантов порядка АВС, ВСА или САВ. Когда диск будет вращаться в противоположную стрелке сторону, можно говорить об обратном чередовании. В таком случае возможен один из таких трех вариантов – СВА, ВАС или АСВ.

Мультиметром измеряется напряжение между фазами разных источников питания и если оно равно нулю, то фазы одноименные. Если же напряжение будет соответствовать линейному напряжению, то они разноименные. Это самый простой и действенный способ. Более подробно о том, вы можете узнать в нашей статье. Можно, конечно, воспользоваться осциллографом и смотреть по осциллограмме какая фаза от какой отстает на 120 градусов, но это нецелесообразно. Во-первых, так на порядок усложняется методика, и во-вторых такой прибор стоит немалых денег.

На видео ниже наглядно показывается, как проверить чередование фаз:

Когда нужно учитывать порядок?

Проверить чередование фаз нужно при эксплуатации трехфазных электродвигателей переменного тока. От порядка фаз будет меняться направление вращения двигателя, что иногда бывает очень важно, особенно если на участке находится много механизмов, использующих двигатели.

Если имеется электрический силовой кабель, с помощью которого необходимо выполнить подключение трехфазной сети питания, и нужен контроль фазировки, выполнить его можно и без специальных приборов. Зачастую жилы внутри кабеля отличаются по цвету изоляции, что сильно упрощает процесс «прозвонки». Так, чтобы узнать где условно находится фаза А, В или С понадобится лишь . На двух концах мы увидим жилы одинакового цвета. Их мы и примем за одинаковые. Подробнее о вы можете узнать из нашей статьи.

Прямое и обратное чередование фаз

Трехфазный переменный ток графически представляет собой три фазы в виде чередующихся синусоид на оси Х, сдвинутых по отношению друг к другу на 120°. Первую синусоиду можно представить как фазу А, следующую синусоиду как фазу B, сдвинутую на 120° относительно фазы А, и третью фазу C, также сдвинутую на 120° по отношению к фазе В.

Графическое отображение сдвига фаз на 120° трехфазной сети

Если фазы имеют порядок АВС, то такое следование фаз называется прямым чередованием. Следовательно, порядок фаз СВА будет означать обратное чередование. Всего возможно три прямых чередования фаз ABС, BCА, CАВ. Для обратного чередования фаз порядок будет выглядеть как CВА, BAC, ACB.

Проверить чередование фаз трехфазной сети можно фазоуказателем ФУ — 2. Он представляет собой небольшой корпус, на котором имеются три зажима для подключения трех фаз сети, алюминиевого диска с черной точкой на белом фоне и три обмотки. Принцип действия у него аналогичен работе асинхронного электродвигателя.

Если подключить фазоуказатель к трем фазам и нажать кнопку на корпусе, то диск начнёт вращаться в одну из сторон. Когда вращение диска совпадает со стрелкой на корпусе, тогда фазоуказатель показывает прямое чередование фаз, вращение диска в обратном направлении указывает на обратное чередование фаз.

Электрическая схема фазоуказателя ФУ-2

В каких случаях необходимо знать порядок чередования фаз. Во-первых, если дом подключен к трехфазной сети и установлен индукционный электросчётчик, тогда нужно соблюдать на нем прямое чередование фаз. При неправильном подключении такого электросчетчика возможен его самоход, что даст неправильные показания в сторону увеличения расхода электроэнергии.

Также, если в доме используются асинхронные электродвигатели, то направление вращения ротора будет зависеть от порядка чередования фаз. Меняя чередование фаз на асинхронном электродвигателе можно изменить направление вращения ротора в нужную сторону.

Что такое фазировка трехфазной сети

Фазировку трех фаз проводят в трансформаторных подстанциях при параллельном подключении трансформаторов. Подключение двух трансформаторов к одной трехфазной сети осуществляется межсекционными автоматическими выключателями. Проверить одноименные фазы фазоуказателем не представляется возможным.

Однако можно определить одноименные фазы мультиметром или любым вольтметром с пределом измерения 500 В. При проведении фазировки, нужно соблюдать все меры безопасности и заранее проверить на работоспособность мультиметр. Перед нахождением одноименных фаз важно определить наличие фазного напряжения относительно «земли» на всех шинах (на случай обрыва).

Проверка на обрыв и нахождение одноименных фаз в трехфазной сети

Далее, работая в резиновых перчатках, замеряют линейные напряжения на шинах разных трансформаторов. Если найдены шины, напряжение между которыми около нуля, то такие шины имеют одноименные фазы и их отмечают. Следом находят остальные две пары одноимённых шин и также отмечают.

Если напряжения между всеми шинами разных трансформаторов ниже линейного 380 В, но значительно отличаются от нуля, то фазировать такие трансформаторы нельзя, т. к. они имеют разные схемы соединения. Найденные одноимённые шины соединяют на разъединителях для параллельной работы.

Отличие фазного и линейного напряжения в трехфазной сети

Когда трансформатор имеет различные напряжения, при одинаковых схемах соединений, их подгоняют переключателем отводов обмоток трансформаторов до номинального значения. Фазировку высоковольтных линий проводят специальными высоковольтными индикаторами УВНФ.