Трехфазный ток - что это такое и как работает
В современном электроснабжении частного дома особую роль играет трехфазный ток. Его выбирают за целый ряд преимуществ относительно однофазного.
Чтобы выбрать вид электроснабжения домовладения, стоит рассмотреть основные вопросы, касающиеся тока из трех фаз, выделить главные преимущества, сравнить особенности данного и однофазного типов.
План статьи:
- Трехфазный ток: что это;
- Принцип работы;
- Из чего состоит трехфазная система;
- Последовательность фаз;
- Преимущество системы;
- Производство электроэнергии;
- Схемы соединения.
Трехфазный ток: что это?
Главная ошибка в рассмотрении этого вида состоит в том, что многие неопытные начинающие электрики или мастера делают вывод из названия, что трехфазный ток – это три однофазные линии, находящиеся в одном кабеле. Это абсолютно не так, ведь каждая однофазная линия имеет свой «ноль», а в кабеле из трех фаз «ноль» общий.
Дополнительно стоит понимать, что каждая из трех фаз не имеет соединения с другими и она не изолирована, у них между собой образуется сложная связь.
Трехфазное электроснабжение – распространенный вид переменного тока, использующееся в производстве, передаче и распределении электрической энергии. Это один из типов многофазной системы с тремя проводами (иногда их количество может достигать четырех с учетом дополнительного нейтрального обратного провода).
Благодаря ряду преимуществ, этот тип электроснабжения является самым распространенным способом передачи электротока, который используют сети по всему миру.
Трехфазная цепь была создана в конце 19 века несколькими людьми. В ней напряжение на каждом проводе на 120о повернуто по фазе относительно каждого другого провода. Поскольку в этой цепи течет переменный электроток, она позволяет легко увеличивать напряжение с помощью трансформаторов для передачи и обратно для распределения с высокой эффективностью.
Трехфазные цепи обычно экономичнее, чем однофазные при одинаковом напряжении от линии к земле, поскольку для передачи нужного количества электроэнергии используется меньше длины проводника.
Трехфазное электроснабжение обычно используется для питания больших асинхронных двигателей, других электродвигателей и прочих тяжелых нагрузок. Незначительные нагрузки часто используют только однофазную цепь из двух проводов, которая может быть получена из трехфазной системы.
Принцип работы
В симметричной системе электроснабжения из трех фаз каждый из проводников пропускает переменный ток с одинаковой частотой и амплитудой напряжения. В таком случае разность фаз составляет одну треть цикла (с отклонением по фазе на 120о) между каждым.
Обычная ссылка подключается к земле и часто к токоведущему проводнику, который называется нейтралью. Разность фаз означает, что напряжение на любом проводнике достигает своего пика через треть цикла после одного из других проводников и на треть цикла раньше оставшегося. Эта разность обеспечивает постоянную передачу мощности на сбалансированную линейную нагрузку.
Оно также позволяет создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателе и образует другие фазные схемы с использованием трансформаторов.
В трехфазной системе, которая питает сбалансированную и линейную нагрузку, мгновенные токи трех проводников суммарно дают ноль. Иначе, ток в каждом проводнике по величине равен сумме токов в двух других, но имеет противоположный знак. Обратный путь для электротока в любой фазе – это два других проводника.
Постоянно передавать мощность и подавлять фазные токи можно при любом количестве фаз (более одного), при этом соотношение емкости к материалу проводника повышается в 2 раза, в сравнении с однофазным электроснабжением.
Трехфазные цепи могут иметь четвертый провод, распространенный в распределительных системах с низким напряжением. Это нейтраль, которая позволяет подавать три отдельных однофазных источника питания с постоянным напряжением и обычно используется для питания нескольких нагрузок, имеющих одну фазу.
Соединения располагаются так, чтобы группа от каждой фазы получала одинаковую мощность, насколько это возможно. Далее по распределительной системе токи хорошо сбалансированы.
Из чего состоит трехфазная система?
Основными составляющими данной цепи являются:
- Трехфазный генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
- Трансформатор напряжения. Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электротока повышают до сотен тысяч вольт. Для этого используют силовые трансформаторы. Конечные же потребители получают электроток после силового понижающего напряжение трансформатора.
- Линии электропередач — один из важных компонентов электрической сети, система энергетического оборудования для передачи электроэнергии посредством токопроводов, кабельных и воздушных линий.
- Приемники, которые могут быть как трехфазными (трехфазные асинхронные двигатели), так и состоять из одной фазы (лампы накаливания).
Последовательность фаз
Проводка для трех фаз имеет цветовое обозначение, которые различаются в зависимости от того, где они используются. Подключение фаз должно осуществляться в правильном порядке, чтобы обеспечить предполагаемое направление вращения трехфазных двигателей.
Сохранение идентичности фаз требуется, когда два источника подключены одновременно. Прямое соединение между двумя разными фазами образует короткое замыкание и приводит к протеканию и потере несбалансированного тока.
Преимущество системы
В сравнении с источником питания переменного тока с одной фазой, использующим два провода (фаза и нейтраль), трехфазный источник питания без нейтрального провода при одинаковом напряжении фаза-земля и токовой мощности на фазу может передавать в 3 раза больше мощности, используя всего в 1,5 раза больше проводов.
Отношение емкости к материалу проводника увеличивается в 3 раза при незаземленной трехфазной и однофазной системах, имеющей центральное заземление. Это приводит к большей эффективности, меньшему весу и более чистому сигналу.
Трехфазные источники питания наделены следующими положительными свойствами:
- Фазные токи могут компенсировать друг друга, суммируясь до нуля в случае линейной сбалансированной нагрузки. Это уменьшает размер нейтрального провода, поскольку по нему протекает небольшой ток или он полностью отсутствует. При сбалансированной нагрузке все фазные провода пропускают одинаковый ток и поэтому могут быть одинакового размера.
- Постоянная передача мощности в линейную сбалансированную нагрузку. В двигателях и генераторах это снижает вибрации.
- Экономичность. Данное преимущество проявляется в передаче электроэнергии на большие расстояния без существенных потерь, меньшей материалоемкости трехфазных трансформаторов и силовых кабелей.
- Относительно ровная система. Это очень важное свойство и преимущество, потому что в неуравновешенной системе образуется неравномерная нагрузка на установку, генерирующую электроток. Это приводит к сокращению ее срока эксплуатации.
- Возможность получения кругового вращательного магнитного поля. Такое поле необходимо для работы электродвигателей и прочего сложного оборудования. Двигатели переменного трехфазного тока имеют более простое устройство, чем одно- или двухфазные.
- Получение двух рабочих напряжений в одной установке. Здесь подразумевается фазное и линейное напряжение.
- Возможность получения двух уровней мощностей. Такое возможно, если сделать соединение «звезда» или «треугольник».
- Резкое уменьшение мерцания световых приборов с использованием люминесцентных ламп. Это можно сделать, если разместить в одном светильнике три лампочки, которые будут питаться от разных фаз.
- Для подключения приборов в трехфазной сети с одинаковой мощностью требуется проводник, имеющий меньшее сечение.
Производство электроэнергии
На электростанции генератор преобразует механическую энергию из трех электротоков переменного вида, по одному от каждой катушки (или обмотки). Обмотки расположены так, что токи имеют одинаковую частоту, но со смещением пиков и впадин их волновых форм для обеспечения трех взаимодополняющих токов с разделением фаз на одну треть цикла (120°).
На электростанции трансформаторы меняют напряжение от генераторов до уровня, который подходит для передачи, чтобы снизить потери энергии.
После преобразований напряжения в сети электропередачи оно полностью преобразуется в стандартное значение перед подачей электротока потребителям.
Схемы соединения
Среди способов соединения в трехфазной сети используются два:
- «Звезда»;
- «Треугольник».
Каждая фазная обмотка генерирующего устройства имеет два вывода. Началом обмотки служит тот, к которому направлена положительная движущаяся сила.
При соединении «звездой» концы фаз соединяются воедино. Такой узел называется нейтральной точкой. Нейтральные точки генератора и нагрузки соединены нейтралью (нулевым проводом), а остальные провода – линейными.
При соединении «треугольником» начало обмотки фазы соединяется с концом следующей так, чтобы они создали замкнутый треугольник.
Токи и напряжения в фазах генератора и нагрузки называются фазными, а между линейными проводами – линейными. Так, фазный ток равен линейному при соединении «звездой», а в «треугольнике» – фазное напряжение соответствует линейному.