Макс Невелов Система распределения электроэнергии
Исходно напряжение всегда является трехфазным. Под “исходно” я подразумеваю генератор на электростанции (тепловой, газовой, атомной), с которого напряжение в много тысяч вольт поступает на понижающие трансформаторы, которые образуют несколько ступеней напряжения. Последний трансформатор понижает напряжение до уровня 0,4 кВ и подаёт его конечным потребителям – нам с вами, в квартирные дома и в частный жилой сектор.
Трехфазное питание – ступени от генератора до потребителя
На рисунке упрощенно показано, как с генератора G напряжение (везде речь идёт про трехфазное) 110 кВ (может быть 220 кВ, 330 кВ или другое) поступает на первую трансформаторную подстанцию ТП1, которая понижает напряжение в первый раз до 10 кВ. Одна такая ТП устанавливается для питания города или района и может иметь мощность порядка от единиц до сотен мегаватт (МВт).
Далее напряжение поступает на трансформатор ТП2 второй ступени, на выходе которого действует напряжение конечного потребителя 0,4 кВ (380В). Мощность трансформаторов ТП2 – от сотен до тысяч кВт. С ТП2 напряжение поступает к нам – на несколько многоквартирных домов, на частный сектор, и т.п.
Такие ступени преобразования уровня напряжения необходимы для того, чтобы уменьшить потери при транспортировке электроэнергии. Подробнее о потерях в кабельных линиях – в другой моей статье.
Напоследок – ещё несколько фото с комментариями.
Электрощит с трехфазным вводом, но все потребители – однофазные.
Трехфазный ввод. Переход на меньшее сечение проводов, чтобы подключить их к счетчику.
Отличия между линейным и фазным напряжением
1. Линейное напряжение – это разность потенциалов между любыми двумя входами трехфазной системы. В трехфазной системе обычно используются три проводника, каждый из которых имеет свою фазу. Линейное напряжение измеряется между двумя фазами. Часто используется обозначение UL.
2. Фазное напряжение – это напряжение между фазным проводником и нулевым проводником в трехфазной системе. Фазное напряжение обычно выражается относительно нулевого проводника. Часто используется обозначение UФ.
Основное отличие между линейным и фазным напряжением заключается в масштабе измерения. Линейное напряжение является большим, чем фазное. Это связано с тем, что в трехфазной системе фазы смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Когда измеряется линейное напряжение между двумя фазами, учитывается этот сдвиг и оно получается больше, чем фазное напряжение.
Линейное и фазное напряжение играют важную роль в электротехнике и электроэнергетике, их правильное измерение необходимо для эффективной работы электроустановок и машин.
Соотношения фазного и линейного напряжения
Соотношение между напряжением линейным и фазным составляет 1,73. То есть при ста процентах мощности ЛН, напряжение фазы будет 58%. То есть, ЛН превышает ФН в 1,73 раза и при этом стабильно.
ФН и ЛН, отличие и соотношение
Напряжение в трёхфазной цепи оценивается по параметрам линейной составляющей. Обычно оно 380 вольт и тождественно 220 вольтам фазной компоненты сети трёхфазного электротока. В электрических сетях, где имеется четыре провода, напряжение 3-фазного тока обозначается 380/220В. Это позволяет подключить к подобной сети оборудование с 1-фазным потреблением электричества 220В и мощных приборов, которые могут работать от 380В.
Универсальной и приемлемой в большинстве случаев является трёхфазная цепь 380/220В 0-вым проводом. Электроприборы, которые функционируют от однофазного напряженья 220В, могут при подсоединении к паре проводов ФН питаться от ЛН.
Электрооборудование, которое запитывается от трёхфазной сети может работать, только если имеется подсоединение одновременно к 3-м выводам различных фаз. Тогда заземление не обязательно, но если изоляционный материал провода будет повреждён, то отсутствие 0-ого значительно увеличивает опасность удара электрическим током.
Важно! При понижении ЛН меняются величины ФН. При уже выясненном значении междуфазного напряжения определить величину ФН труда не составит
Линейные и фазные токи: определение и различия
В электротехнике существует два основных понятия, связанных с передачей электрической энергии: линейные и фазные токи
Разобраться в этих терминах и понять их различия крайне важно при рассмотрении электрических цепей
Определение линейных и фазных токов
Линейный ток (также называемый общим током) представляет собой суммарный ток, проходящий через все элементы электрической цепи. То есть, если у нас есть цепь, включающая несколько устройств или нагрузок, линейный ток будет являться общим током, протекающим через все эти элементы.
Фазный ток – это ток, протекающий через отдельные фазы электрической сети. В трехфазной системе это означает ток, протекающий через каждую из трех фаз, независимо от других фаз.
Различия между линейными и фазными токами
Главное различие между линейными и фазными токами заключается в их величине и способе измерения:
- Линейный ток всегда больше или равен фазному току. Фазный ток является одной из составляющих линейного тока.
- Линейный ток измеряется в амперах, в то время как фазный ток может измеряться как в амперах, так и в амперах на квадратный корень из трех (расчетное обозначение – Iф).
- Для однофазного соединения (когда используется только одна фаза) линейный ток и фазный ток будут одинаковыми.
- В трехфазной сети, где используются три фазы, линейный ток будет в три раза больше, чем фазный. Это связано с угловым сдвигом между фазами и суммированием фазных токов при расчете линейного тока.
Заключение
Линейные и фазные токи играют важную роль в электрической системе и являются основными характеристиками электропередачи. Понимание различий между ними поможет правильно расчеть мощность и энергию в электрических цепях, а также эффективно использовать электрооборудование.
Примеры линейного напряжения!
Линейное напряжение – это напряжение, которое действует между двумя точками схемы или элементами цепи, выраженное в вольтах.
Вот несколько примеров линейного напряжения:
Батарея: Батарея – это источник линейного напряжения. Например, в автомобиле используется автомобильная батарея, которая обеспечивает линейное напряжение для питания различных электрических систем и устройств.
Источник постоянного тока (DC): Источники постоянного тока, такие как источники питания на основе батарей, генератора постоянного тока или блока питания, также предоставляют линейное напряжение.
Солнечная панель: Солнечная панель – это источник линейного напряжения, который генерирует электричество из солнечной энергии. Напряжение, создаваемое солнечной панелью, можно использовать в различных приложениях, например, для зарядки аккумуляторов или питания электроники.
Трансформатор: Трансформатор – это устройство, которое изменяет линейное напряжение переменного тока. Например, трансформаторы используются на электростанциях для повышения или понижения напряжения электрической сети.
Это лишь некоторые примеры линейного напряжения. В реальности, линейное напряжение используется во множестве различных устройств и систем, обеспечивая их электропитанием.
Как измерить
Измерить подобную систему можно мультиметром или применив физические формулы.
ЛН рассчитывается по формуле Кирхгофа: ∑ Ik = 0. Здесь сила тока равняется нулю во всех частях электроцепи, то есть к=1. Используется также закон Ома: I=U/R. Применив обе формулы можно высчитать параметры клейма или электросети.
В системе из несколько линий, потребуется найти напряжение между 0 и фазой IL = IF. Значения IL и IF непостоянные и меняются при разных вариациях подключения. Потому линейные параметры точно такие же, как и фазные.
Фазное
Для того чтобы получить показания подключения фазного вида, потребуется специальное оборудование, например, мультиметр, вольтметр. Для того чтобы измерить токи и напряжения в трёхфазных цепях обычно достаточно знать данные одного линейного тока и одного ЛН.
ФН измеряется при проседании (падении) линейного. Из линейных величин извлекается Квадратный корень из трёх. Полученный показатель и есть параметры ФН.
Линейное
Для расчёта соотношения линейного проводника и фазы применяется формула: Uл=Uф∙√3, Uф — фазовое, Uл — линейное.
Важно! Формула справедлива, только если IL = IF. Когда в цепь добавлены другие отводящие элементы, то для них потребуется сделать персональный расчёт фазового напряжения. Тогда Uф нужно заменить цифровыми величинами самостоятельного клейма
Тогда Uф нужно заменить цифровыми величинами самостоятельного клейма.
Реактивная трёхфазная мощность рассчитывается по формуле: Q = Qа + Qb + Qс. Значение активной мощности можно найти, используя аналогичную формулу: P = Pа + Pb + Pс. Необходимость в подобных расчётах возникает, если к электрической сети подключается промышленная система.
Распространённость сетей с линейным током объясняется их относительной безопасностью и несложностью разведения электропроводки. Электрооборудование присоединено исключительно к одному фазному проводу (по нему проходит ток) и только он может быть опасен, второй — это заземление. ЛН возникает в трёхфазной цепи и даёт увеличение приблизительно на 73%.
Трехфазная цепь электрического питания зданий и промышленных объектов популярна в РФ, так как имеет преимущества — экономичность (по использованию материалов) и способность передачи большего количества электроэнергии по сравнению с однофазной цепью электроснабжения.
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.
Плюсы и минусы
В принципе, в современных частных владениях используются как 1-фазные, так и 3-фазные схемы. В каждом случае есть свои особенности.
Так, в 1-фазных сетях я нашел следующие преимущества:
- Доступность. В большинстве случаев бытовые сети предоставляют напряжение 220 В.
- Безопасность. Угроза поражения исходит только от 1-го проводника, при этом его номинал не такой высокий, как в 3-фазном варианте.
- Упрощенный монтаж. При прокладке проводки и подключении оборудования не обязательно применять профессиональные приспособления – достаточно специального щупа.
Монтаж 1-фазной сети прост и доступен даже не профессионалу
Главный недостаток сводится к ограниченности мощности потребления. Как правило, 10 кВт – это уже предел для 1-фазных цепей. В отличие от сети на 220 вольт электроцепь на 360–380 вольт (или 3 фазы) позволяет подключать столько оборудования, сколько вообще может потребоваться на бытовом уровне. Естественно, с учетом ограничений входного устройства и сечения питающего кабеля.
Кроме того, выделю еще несколько положительных сторон 3-фазной схемы:
- Экономический фактор – для передачи электроэнергии требуется меньше проводов, что особенно актуально для ЛЭП длиной сотни и тысячи километров.
- Трансформаторы характеризуются минимальными размерами магнитопроводной части – по сравнению с аналогами для 1-фазной цепи.
- Для подключения приборов одинаковой мощности в 3-фазной сети требуется проводник с меньшим сечением, чем в 1-фазной.
- Возможность изготовления и функционирования 3-х-фазных асинхронных электродвигателей. Моторы проще, надежнее и мощнее моделей, требующих подключения 1-ой или 2-х фаз.
- При необходимости в цепи можно переключать номинал напряжения, изменять количество подключенных фаз и менять мощность оборудования.
3-х-фазная сеть позволяет равномерно распределять нагрузку по отдельным фазам
- Для каждой люминесцентной лампы в пределах одного осветительного прибора можно подключить отдельную фазу. В результате это существенно понизит мерцание и избавит от стробоскопического явления.
- Равномерное распределение механической нагрузки в энергогенераторе, и увеличение срока его службы.
Недостатки проявляются в том, что для подключения придется приобретать более дорогостоящее электрооборудование. Кроме того, напряжение между любыми двумя фазами в цепи всегда равно 380 вольт, а это само по себе уже смертельно опасно – что при нечаянном контакте с неизолированными частями, что при пробое тока на корпус.
Справка!
Мощность электрооборудования в 3-х-фазной сети по большому счету ограничена площадью сечения питающих проводников. Однако на бытовом уровне для частного потребителя существует предел, контролируемый договором и вводным щитком, например, 15 кВт.
Для подключения оборудования одинаковой мощности в 3-фазной сети требуется провод с меньшим сечением, чем в 1-фазной
Векторная диаграмма напряжений для соединения «звезда»
Схема соединения звездой (рис.1(а)) и соответствующая векторная диаграмма напряжений на обмотках (рис.1(в)) изображены на рис.1. Здесь имеется точка $О$, которая называется точкой одинакового потенциала. Напряжение на каждой обмотке называется фазным (его амплитуда $U_{mf}$). Проводник, который соединен с точкой одинакового потенциала называют нулевым проводом. Проводники, которые соединены со свободными концами обмоток, называются фазными проводами. Получается, что фазные напряжения — это напряжения между нулевым и фазными проводами. Напряжения между фазными проводами называют линейным (его амплитуда $U_{ml}$). Линейное напряжение между проводами 1-2 могут обозначать как $U_{12}$, между проводами 1-3 – $U_{13}$ и так далее.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Рисунок 1.
Векторная диаграмма показывает, что амплитуды $U_{ml}\ $и $U_{mf}$находятся в соотношениях:
Ток, который течет через обмотки генератора называют фазным током ($I_f$), ток который течет в линиях называется током линии ($I_l$). В соединении звездой фазные токи равны токам в линии. Если сопротивления нагрузок не равны нулю, а $R_1=R_2=R_2=R$, то суммарная сила тока через нулевой провод равна нулю:
так как из векторной диаграммы видно, что $\sum\limits_i{U_i=0.}$
Векторная диаграмма напряжений для соединения «треугольник»
Схема соединения обмоток генератора треугольник изображена на рис.2. В этом случае амплитуды напряжений фазного и линейного равны ($U_{mf}=U_{ml}$).
Рисунок 2.
Из векторной диаграммы токов (рис.2(в)) запишем амплитудных значений тока:
В соединении обмоток генератора треугольником ток замыкания в обмотках равен нулю. Однако это справедливо только для основной гармоники. Токи высших гармоник, появляющиеся из-за нелинейности колебаний, в обмотках есть.
Соединение нагрузок тоже может быть в виде звезды и в виде треугольника. На рис. 1 и рис.2 изображены соединения одного типа, как для генератора, так и для нагрузок. Но совсем не обязательно, что соединения обмоток генератора и нагрузок совпадают. Так, можно реализовать четыре возможные комбинации соединения генератора и нагрузок: «звезда» – «звезда», треугольник — треугольник, «звезда» – треугольник, треугольник – «звезда». Каждое из перечисленных соединений имеет свои особенности.
Пример 1
Задание: В чем состоят особенности соединений «звезда» — «звезда» и «звезда» – треугольник?
Решение:
- При соединении «звезда» — «звезда» (рис.1) на всех нагрузках имеется разное напряжение. При одинаковых сопротивлениях ($R_1=R_2=R_3$) (или примерно равных) сила тока по нулевому проводу равна нулю (или очень мала). Теоретически нулевой провод можно убрать, но без него на каждую из пар нагрузок действует линейное напряжение, амплитудное значение которого равно:
\
Это напряжение распределяется между нагрузками в соответствии с величиной их сопротивлений. Такая зависимость напряжений от нагрузок крайне не удобна, поэтому нулевой провод сохраняют.
- При соединении «звезда» – треугольник (рис.3). На каждое сопротивление действует линейное напряжение равное:
\
Это линейное напряжение не зависит от величины сопротивления.
Рисунок 3.
Пример 2
Задание: Определите, чему равно фазное напряжение, если линейное $U_{ml}=220\ В$. Чему будет равно линейное напряжение, если 220 В считать фазным напряжением? Считать, что соединение обмоток генератора – «звезда».
Решение:
В том случае, если обмотки генератора соединены звездой, и это соединение имеет нулевой провод, в линии существует две системы напряжений (линейное и фазное), что является достоинством такого соединения.
Для соединения «звезда» мы имеем соотношение:
\
Следовательно, для фазного напряжение имеем:
\
Если дано фазное напряжение, то:
\
Ответ: 1. $U_{mf}=127\ В.$ $U_{ml}=380\ В.$
Электрические сети. Номинальные напряжения. Допустимые отклонения
Номинальные напряжения электрических сетей, источников и приёмников электрической энергии постоянного и переменного тока промышленной частоты определяются комплексом документов: ГОСТ 23366, ГОСТ 721, ГОСТ 21128, ГОСТ 6962 и ГОСТ 29322.
Ряд стандартных напряжений
Ряд стандартных напряжений установлен ГОСТ 23366 для постоянного и переменного тока промышленной частоты. Напряжение на выводах проектируемого оборудования должно соответствовать значениям этого ряда, за исключением некоторых случаев . Ниже приведены стандартный ряд напряжений для потребителей электрической энергии
. Основной ряд напряжений постоянного и переменного тока потребителей электрической представлен в таблице 1, вспомогательный ряд напряжений переменного тока — в таблице 2, а постоянного тока — в таблице 3.
Таблица 1 — Ряд напряжений постоянного и переменного тока потребителей электрической энергии
| № п/п | U, В | № п/п | U, В |
| 1 | 0,6 | 14 | 1140 |
| 2 | 1,2 | 15 | 3000 |
| 3 | 2,4 | 16 | 6000 |
| 4 | 6 | 17 | 10000 |
| 5 | 9 | 18 | 20000 |
| 6 | 12 | 19 | 35000 |
| 7 | 27 | 20 | 110000 |
| 8 | 40 | 21 | 220000 |
| 9 | 60 | 22 | 330000 |
| 10 | 110 | 23 | 500000 |
| 11 | 220 | 24 | 750000 |
| 12 | 380 | 25 | 1150000 |
| 13 | 660 |
Таблица 2 — Вспомогательный ряд напряжений переменного тока потребителей электрической энергии
| № п/п | U, В |
| 1 | 1,5 |
| 2 | 5 |
| 3 | 15 |
| 4 | 24 |
| 5 | 36 |
| 6 | 80 |
| 7 | 2000 |
| 8 | 3500 |
| 9 | 15000 |
| 10 | 25000 |
| 11 | 150000 |
Таблица 3 — Вспомогательный ряд напряжений постоянного тока потребителей электрической энергии
| № п/п | U, В | № п/п | U, В | № п/п | U, В | № п/п | U, В |
| 1 | 0,25 | 11 | 24 | 21 | 300 | 31 | 5000 |
| 2 | 0,4 | 12 | 30 | 22 | 400 | 32 | 8000 |
| 3 | 4,5 | 13 | 36 | 23 | 440 | 33 | 12000 |
| 4 | 1,5 | 14 | 48 | 24 | 600 | 34 | 25000 |
| 5 | 2 | 15 | 54 | 25 | 800 | 35 | 30000 |
| 6 | 3 | 16 | 80 | 26 | 1000 | 36 | 40000 |
| 7 | 4 | 17 | 100 | 27 | 1500 | 37 | 50000 |
| 8 | 5 | 18 | 150 | 28 | 2000 | 38 | 60000 |
| 9 | 15 | 19 | 200 | 29 | 2500 | 39 | 100000 |
| 10 | 20 | 20 | 250 | 30 | 4000 | 40 | 150000 |
Стандартный ряд напряжений для источников и преобразователей (например: генератор, трансформатор и т.п.) электрической энергии
. Ряд напряжений для переменного тока приведен в таблице 4, для постоянного — в таблице 5.
Таблица 4 — Ряд напряжений переменного тока источников и преобразователей электрической энергии
| № п/п | U, В | № п/п | U, В |
| 1 | 6 | 15 | 10500 |
| 2 | 12 | 16 | 13800 |
| 3 | 28,5 | 17 | 15750 |
| 4 | 42 | 18 | 18000 |
| 5 | 62 | 19 | 20000 |
| 6 | 115 | 20 | 24000 |
| 7 | 120 | 21 | 27000 |
| 8 | 208 | 22 | 38500 |
| 9 | 230 | 23 | 121000 |
| 10 | 400 | 24 | 242000 |
| 11 | 690 | 25 | 347000 |
| 12 | 1200 | 26 | 525000 |
| 13 | 3150 | 27 | 787000 |
| 14 | 6300 | 28 | 1200000 |
Таблица 5 — Ряд напряжений постоянного тока источников и преобразователей электрической энергии
| № п/п | U, В | № п/п | U, В |
| 1 | 4,5 | 8 | 230 |
| 2 | 6 | 9 | 460 |
| 3 | 12 | 10 | 600 |
| 4 | 28,5 | 11 | 1200 |
| 5 | 48 | 12 | 3300 |
| 6 | 62 | 13 | 6600 |
| 7 | 115 |
При выборе напряжения следует отдавать предпочтение основному ряду.
Номинальное напряжение электрооборудования до 1000 В
Номинальное напряжение оборудования до 1000 В регламентировано стандартом ГОСТ 21128. Ряд номинальных напряжений приведён в таблице 6 .
Таблица 6 — Номинальное напряжение источников, преобразователей, систем электроснабжения, сетей и приёмников до 1000 В
| Род и вид тока | Номинальное напряжение, В | |
| источников и преобразователей | систем электроснабжения, сетей и приёмников | |
| Постоянный | 6; 12; 28,5; 48; 62; 115; 230; 460 | 6; 12; 27; 48; 60; 110; 220(230); 440 |
| Переменный: | ||
| однофазный | 6; 12; 28,5; 42; 62; 115; 230 | 6; 12; 27; 40; 60; 110; 220(230) |
| трёхфазный | 42; 62; 230; 400; 690 | 40; 60; 220(230); 380(400); 660(690); (1000) |
Примечание:
В скобках указаны значения напряжения для электрических сетей согласно
Номинальное напряжение электрооборудования свыше 1000 В
Номинальное напряжение электрооборудования свыше 1000 В регламентировано ГОСТ 721. Ряд номинальных напряжений приведён в таблице 7 .
Таблица 7 — Номинальные междуфазные напряжения для сетей напряжением свыше 1000 В
| Сети и приёмники, кВ | Генераторы и синхронные компенсаторы, кВ | Трансформаторы и автотрансформаторы без РПН, кВ | Трансформаторы и автотрансформаторы с РПН, кВ | Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования, кВ | ||
| Первичные обмотки | Вторичные обмотки | Первичные обмотки | Вторичные обмотки | |||
| (6) | (6,3) | (6) и (6,3)* | (6,3) и (6,6) | (6) и (6,3)* | (6,3) и (6,6) | (7,2) |
| 10 | 10,5 | 10 и 10,5* | 10,5 и 11,0 | 10,0 и 10,5* | 10,5 и 11,0 | 12,0 |
| 20,0 | 21,0 | 20,0 | 22,0 | 20,0 и 21,0* | 22,0 | 24,0 |
| 35 | — | 35 | 38,5 | 35 и 36,75 | 38,5 | 40,5 |
| 110 | — | — | 121 | 110 и 115 | 115 и 121 | 126 |
| (150)* | — | — | (165) | (158) | (158) | (172) |
| 220 | — | — | 242 | 220 и 230 | 230 и 242 | 252 |
| 330 | — | 330 | 347 | 330 | 330 | 363 |
| 500 | — | 500 | 525 | 500 | — | 525 |
| 750 | — | 750 | 787 | 750 | — | 787 |
| 1150 | — | — | — | 1150 | — | 1200 |
Примечание:
1. Напряжения указанные в скобках не рекомендуются для вновь проектируемых сетей и электроустановок; 2. Напряжения, обозначенные «*» для трансформаторов и автотрансформаторов, присоединяемых непосредственно к шинам генераторного напряжения электростанций или к выводам генератора;
Линейное и фазное напряжение – отличие и соотношение
В этой краткой статье, не вдаваясь в историю сетей переменного тока, разберемся в соотношениях между фазными и линейными напряжениями. Ответим на вопросы о том, что такое фазное напряжение и что такое линейное напряжение, как они соотносятся между собой и почему эти соотношения именно таковы.
Ни для кого не секрет, что сегодня электроэнергия от генерирующих электростанций подается к потребителям по высоковольтным линиям электропередач с частотой 50 Гц. На трансформаторных подстанциях высокое синусоидальное напряжение понижается, и распределяется по потребителям на уровне 220 или 380 вольт. Где-то сеть однофазная, где-то трехфазная, однако давайте разбираться.
Действующее значение и амплитудное значение напряжения
Прежде всего отметим, что когда говорят 220 или 380 вольт, то имеют ввиду действующие значения напряжений, выражаясь математическим языком – среднеквадратичные значения напряжений . Что это значит?
Это значит, что на самом деле амплитуда Um (максимум) синусоидального напряжения, фазного Umф или линейного Umл, всегда больше этого действующего значения. Для синусоидального напряжения его амплитуда больше действующего значения в корень из 2 раз, то есть в 1,414 раза.
Так что для фазного напряжения в 220 вольт амплитуда равна 310 вольт, а для линейного напряжения в 380 вольт амплитуда окажется равной 537 вольт. А если учесть, что напряжение в сети никогда не бывает стабильным, то эти значения могут быть как ниже, так и выше. Данное обстоятельство всегда следует учитывать, например выбирая конденсаторы для трехфазного асинхронного электродвигателя.
Фазное сетевой напряжение
Обмотки генератора соединены по схеме «звезда», и объединены концами X, Y и Z в одной точке (в центре звезды), которая называется нейтралью или нулевой точкой генератора. Это четырехпроводная трехфазная схема. К выводам обмоток A, B и C присоединяются линейные провода L1, L2 и L3, а к нулевой точке — нейтральный провод N.
Напряжения между выводом A и нулевой точкой, B и нулевой точкой, С и нулевой точкой, – называются фазными напряжениями, их обозначают Ua, Ub и Uc, ну а поскольку сеть симметрична, то можно просто написать Uф — фазное напряжение.
В трехфазных сетях переменного тока большинства стран стандартное фазное напряжение равно приблизительно 220 вольт — напряжение между фазным проводом и нейтральной точкой, которая обычно заземляется, и ее потенциал принимается равным нулю, потому она и называется еще нулевой точкой .
Линейное напряжение трехфазной сети
Напряжения между выводом A и выводом B, между выводом B и выводом C, между выводом C и выводом A, – называются линейными напряжениями, то есть это напряжения между линейными проводниками трехфазной сети. Их обозначают Uab, Ubc, Uca, или можно просто написать Uл.
Стандартное линейное напряжение в большинстве стран равно приблизительно 380 вольт. Легко заметить в данном случае, что 380 больше 220 в 1,727 раза, и, пренебрегая потерями, ясно, что это квадратный корень из 3, то есть 1,732. Безусловно, напряжение в сети все время в ту или другую сторону колеблется в зависимости от текущей загруженности сети, но соотношение между линейными и фазными напряжениями именно таково.
Откуда взялся корень из 3
В электротехнике часто применяют векторный метод изображения синусоидально изменяющихся во времени величин напряжений и токов.
График зависимости величины проекции от времени есть синусоида. И если амплитуда напряжения — это длина вектора U, то проекция, которая меняется со временем — это текущее значение напряжения, а синусоида отражает динамику напряжения.
Так вот, если теперь изобразить векторную диаграмму трехфазных напряжений, то получится, что между векторами трех фаз одинаковые углы по 120°, и тогда если длины векторов — это действующие значения фазных напряжений Uф, то чтобы найти линейные напряжения Uл, необходимо вычислить РАЗНОСТЬ любой пары векторов двух фазных напряжений. Например Ua – Ub.
Выполнив построение методом параллелограмма, увидим, что вектор Uл = Uа + (-Ub), и в результате Uл = 1,732Uф. Отсюда и получается, что если стандартные фазные напряжения равны 220 вольт, то соответствующие линейные будут равны 380 вольт.
Особенности трехфазных систем электропитания
Итак, ключевым недостатком однофазных систем переменного напряжения является неравномерность генерации и транспортировки энергии (Рисунок 5). И этой особенности лишены трехфазные системы, которые сейчас используются во всем мире.
Трехфазную систему электроснабжения можно упрощенно представить в виде трех одинаковых систем, напряжения в которых сдвинуты по фазе на треть периода – 120 градусов или 2π/3 радиан. Получить трехфазное напряжение можно, например, с помощью трех отдельных однофазных генераторов переменного напряжения, роторы которых расположены на одном валу, но повернуты на 120°. Однако наилучший эффект будет в случае, когда все три обмотки будут расположены на общем магнитопроводе статора генератора (Рисунок 10). В таком устройстве при равномерном вращении ротора с постоянным магнитом в каждой обмотке будет генерироваться переменное синусоидальное напряжение, сдвинутое по фазе на 120° по отношению к напряжению других обмоток.
 | |
| Рисунок 10. | Принцип работы трехфазного генератора. |
В простейшем случае каждую обмотку можно подключить к своему потребителю и получить три изолированные и практически независимые системы электропитания. Однако в этом случае теряются все преимущества трехфазного напряжения, поэтому все три обмотки соединяют вместе. Различают два способа соединения: «треугольником», когда начало одной обмотки соединяется с концом другой, и «звездой», когда начала обмоток соединяются вместе, а соединительные провода подключаются к концам обмоток (Рисунок 11). Достоинства и недостатки каждого из способов соединения взаимно компенсируют друг друга, поэтому энергетики, за исключением «последней мили», одинаково часто используют оба способа. Более того, трехфазная система позволяет смешивать оба типа соединений, например, обмотки генератора могут быть соединены по схеме «треугольник», а потребители – по схеме «звезда».
 | |
| Рисунок 11. | Схемы соединения в трехфазной сети. |
Ключевыми преимуществами трехфазной системы являются наименьшая стоимость линий электропередач, поскольку для передачи энергии необходимы три провода с меньшим суммарным сечением, чем при использовании двух проводов, а также равномерная скорость передачи энергии. Несмотря на то, что мощность в каждой обмотке генератора пульсирует с удвоенной частотой напряжения, общая мощность всех трех обмоток в любой момент времени постоянна (при условии, что все обмотки имеют одинаковые нагрузки). Это обстоятельство значительно упрощает конструкцию генераторов и электродвигателей – основных потребителей электрической энергии в промышленности. Кроме этого, трехфазное оборудование оказывается меньше, легче, чем однофазное той же мощности []. Например, трехфазные трансформаторы за счет использования общего для всех трех фаз магнитопровода оказываются меньше, легче и дешевле трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.
Теперь становится понятно, почему во всем мире трехфазные системы электропитания имеют наибольшую популярность – передавать энергию с меньшими затратами человек пока еще не научился. Однако все, что было рассмотрено выше, интересует больше энергетиков – это их область. Специалистов в области электроники и информационных технологий, а также простых пользователей бытовых электроприборов больше интересует «последняя миля» глобальной энергосистемы – домашняя и офисная электропроводка, ведь именно с ней связано бóльшая часть реальных проблем, которые приходится решать самостоятельно. Поэтому давайте разбираться дальше.
