Главная | Контакты



Главная > Технологии

Трехфазные цепи или в чем отличие фазы от ноля?

Автор - Atomik

Понятия ФАЗА и НОЛЬ вытекают из темы ТРЕХФАЗНЫЕ (в дальнейшем - ) ЦЕПИ, потому рассмотрим их подробно.

Что это такое вообще? А вот что:
Если соединить несколько однофазных цепей (состоят из генератора, нагрузки и двух проводов линии: прямого и обратного), токи в которых имеют одну частоту, но сдвинуты относительно друг друга по фазе, то можно получить такое условие, когда сумма токов в обратных проводах будет равна нулю. Тогда можем объединить все обратные провода в один и отказаться от них, тем самым сэкономив на материале провода (можно купить еще вискаса!(К черту вискас - осетрину давай! Здесь и далее прим. Кота.)). Эта возможность и дала основание для распространения многофазных цепей, в частности при производстве и передаче электроэнергии применяются почти исключительно 3Ф цепи. Кстати, все основные звенья 3Ф цепей (3Ф генератор, 3Ф трансформатор и 3Ф двигатель) были разработаны русским инженером Доливо-Добровольским еще в 1880-е годы! Причина распространения 3Ф систем также в том, что 3Ф генератор, 3Ф трансформатор и 3Ф двигатель наиболее просты по конструкции, экономичны и надежны в работе по сравнению с другими.

3Ф система электрических цепей - совокупность трех однофазных цепей, в которых действует ЭДС одной и той же частоты, но сдвинуты на угол 120° одна от другой. Отдельную цепь из этих трех называют ФАЗА.
ФАЗА, это участок, по оторому течет один и тот же ток.
3Ф система ЭДС является симметричной, если эти ЭДС сдвинуты относительно друг друга на 120° и имеют равные амплитуды. 3Ф генераторы на электростанциях создают именно симметричную систему ЭДС.

3Ф нагрузка является симметричной, если комплексные сопротивления всех трех ее ФАЗ равны. Если к симметричной нагрузке приложена симметричная система ЭДС, будет иметь место 3Ф симметричная система токов.

Одни выводы фазных обмоток генератора условно называют начала и обозначают на схемах ABC, а другие - концы и обозначают XYZ.

Порядок, в котором ЭДС фаз генератора проходят через одинаковые значения называется чередования фаз.

Формула
Формула

Сумма ЭДС симметричной системы в любой момент времени равна 0.

Способов соединения ФАЗ в 3Ф цепях два: треугольником и звездой.
Соединение звезда, это соединение, при котором концы XYZ фазных обмоток генератора соединяют в общий узел, называемый НЕЙТРАЛЬНАЯ или НУЛЕВАЯ точка генератора (N или O). Соединение звездой показано на рисунке №1.
Соединение ФАЗ генератора в звезду:

Соединение ФАЗ генератора в треугольник, это такое соединение, при котором начало одной ФАЗЫ было соединено с концом следующей.

При отсутствии нагрузки, (т.е. при разомкнутых выводах генератора) в обмотках генератора, соединенных в треугольник, ток не течет т.к. сумма симметричных ЭДС дает "0".
Исходя из этого возможно только четыре соединения генератора с приемником:
1. треугольник - треугольник
2. треугольник - звезда
3. звезда - треугольник
4. звезда - звезда

Но, это было бы правдой, если бы не нейтральная (нулевая) точка, возникающая при соединении звездой. Ведь средние точки можно тоже соединить. Получаем еще один способ:
5. звезда - звезда, с нейтралью. (Y+Yn) Он-то нам и нужен! Вот это соединение:

Тут я много чего понаписал, объясняю:

Комплексное (с точкой) Ua, Ub, Uc - фазные напряжения.
Комплексное Uab, Ubc, Uca - линейные напряжения.
Комплексный Ia, Ib, Ic - Линейные токи (показывают от генератора к приемнику).
Комплексное In - показывают от приемника к генератору, по сути нейтраль (тот самый НОЛЬ в розетке) является обратным проводом.

А теперь самое интересное (в свое время меня поразило)
По второму закону Кирхгофа:

Uab = Ua - Ub
Ubc = Ub - Uc
Uca = Uc - Ua
Из этого следует, что:
Uab + Ubc + Uca = 0 ! (в симметричном режиме)
По первому закону Кирхгофа:
Ia + Ib + Ic = In
В симметричном режиме In = 0
Следовательно в симметричном режиме нейтраль не нужна!

Если внимательно рассмотреть векторную диаграмму, представленную на рисунке, то станет ясен вопрос, который тревожит очень многих: почему именно 220В, а не 200 или 250 и т.д. Или в общем виде: "почему шкала стандартных напряжений приемников выглядит, как 127, 220, 380, 660". А вот почему.
Посмотрим снова на рисунок №4, что мы видим? Рассмотрим вектор напряжения Uab.
Uab = Ua*cos30° + Ub*cos30° = 2 Uф*cos30° = sqrt3*Uф
Uл = sqrt3*Uф
, это разность потенциалов между проводом линии и нейтралью.
, это Напряжение между двумя линейными проводами (межфазное).

Теперь возьмем, к примеру, 220 вольт как Uф, вычисляя Uл получим 381,05 Вольт Возьмем эти за Uф 381,05 и снова вычислим, получим 659,99 вольт. И так далее. Вот откуда эти мистические цифры - из углов сдвига ФАЗ и математики!
Итак, при симметричной нагрузке нейтраль не нужна, так, как тока в ней все равно не будет. Тогда 3Ф система буде трехпроводной, что дает экономию на материале 50% по сравнению с однофазной (при одной и той же передаваемой мощности). На практике 3Ф нагрузка встречается (3Ф двигатель), однако даже в такой 3Ф цепи все равно возможен несиметричный режим, который, к примеру может быть вызван обрывом одной из фаз, или там несимметричный КЗ (между двумя фазами).
При несимметричной нагрузке и отсутствии нейтрали потенциал нейтральной точки нагрузки не будет равен нулю. Его можно определить по методу двух узлов находя смещение нейтрали:

Формула

Из схемы без нейтрали (рисунок №-1) видно, что в соответствии со вторым законом Кирхгофа фазные напряжения не будут равны ЭДС истояника на величину смещения нейтрали.

Формула

ВД для несимметричного режима без нейтрали:

При отсутствии нейтрали нарушается симметрия фазных напряжений. При любом изменении в одной из фаз точка n будет двигаться по плоскости перетаскивая за собой вектора фазных напряжений. Короче - дело дрянь. По этому поводу мне как-то сказали: хочешь увидеть фейерверк - перережь нейтральный провод в доме напротив :) В результате при изменении нагрузки только одной из фаз изменяются все три фазных непряжения. Работа фаз не будет назависимой, это недопустимо, так как потребители, вкдюченные в разные фазы рассчитаны на работу при определенном Uф.

Для устранения такой зависимости одной фазы от другой, т.е. для обеспечения симметрии фазных напряжений при несимметричной нагрузке и предназначен нейтральный провод.

Формула

Несмотря на отсутствие разности потенциалов на нейтрали по ней будет протекать ток, вызванный несимметрией нагрузки. Короче "лишний ток" стекает по нейтрали.
Почему нейтраль называют землей? Потому, что на электростанции нулевая точка генератора заземлена, т.е. буквально провод закопан в землю. Это сделано для страховки.
Ну, а если кого-то заинтересует вопрос: "Как же это все работает на практике?", то вот упрощенная схема питания наших с вами квартир от электростанции.

От 3Ф генератора энергия идет к 3Ф трансформатору (тот, что у нас на подстанции) а от него уже поступает к нам в розетки на стене (на схеме потребители обозначены символом резисторов и подписаны, как 3Ф нагрузка)

И в завершение, пройдемся по главному из данной темы. Итак, выводы:
а) ФАЗА и НОЛЬ совершенно разные вещи! (Теперь мы знаем, что НОЛЬ, в общем может быть и не нужен, соединим все обратные провода из розеток по три штуки в одну точку и все, главное, чтоб нагрузка симметричная была, но вот ФАЗА нужна обязательно... Значит различия все-таки есть :)
б) ФАЗА фактически есть участок, по которому течет один и тот же ток. В розетке, же, на стене, это провод по которому ток к нам идет от генератора. (в отличие от НОЛЯ по которому тот стекает обратно к генератору, в его нулевую точку) Можно также сказать, что это один из трех переменных токов, вырабатываемых 3Ф генератором.
в) НОЛЬ (он же нейтраль) фактически есть провод, соединяющий нулевую точку генератора и нулевую точку нагрузки.
г) НОЛЬ буквально заземлен, но на электростанции.
д) Преимущество схемы YN в том, что она дает возможность подключения на 2 напряжения: между двумя линейными проводами и между фазой и нейтралью. ТАД (3Ф асинхронный двигатель U1 = 380/220)
е) При соединении фаз нагрузки в треугольник, каждая фаза находится под линейным напряжением, а при соединении в звезду под напряжением в раз меньше.
ж) При любой схеме соединения, в случае симметричного режима расчет 3Ф цепи сводится к расчету одной из фаз.
з) На практике указывают линейные напряжения и токи, поскольку не всегда есть доступ для приборов к нейтральной точке приемника.

Материал взят с сайта: http://radiokot.ru/articles/09/

Главная > Технологии