Трехфазные электрические цепи широко используются в промышленности и быту. Знание основных элементов таких цепей, а также понимание различий между линейными и фазными токами поможет при выборе, монтаже и эксплуатации трехфазного электрооборудования.
Основы трехфазных цепей
Трехфазной называется электрическая цепь, состоящая из трех взаимосвязанных цепей (фаз) переменного тока, электродвижущие силы (ЭДС) которых сдвинуты по фазе на 120°.
Источником ЭДС в трехфазных цепях чаще всего является трехфазный генератор (или трехфазный трансформатор).
Основные преимущества трехфазных цепей:
- Выше КПД по сравнению с однофазными цепями
- Равномерное распределение мощности по фазам
- Возможность увеличения или уменьшения напряжения
Трехфазные цепи используются для питания мощных двигателей, насосов, компрессоров, а также в системах промышленного и бытового электроснабжения.
Элементы трехфазной цепи
К основным элементам трехфазной цепи относятся:
- обмотки источника (генератора или трансформатора)
- линейные провода
- обмотки приемника (двигателя, трансформатора)
- нейтральный (нулевой) провод
- точка соединения нейтральных проводов (нулевая точка)
Обмотки генератора называются фазными . Их начала обозначают заглавными буквами латинского алфавита, например А, В, С.
Линейные провода соединяют фазные обмотки источника и приемника. Они проводят фазные токи, но получили такое название из-за особенностей взаимного расположения.
В нейтральном проводе протекает ток, являющийся разностью фазных токов. Он компенсирует несимметричную нагрузку в цепи.
Нулевая точка образуется при соединении концов обмоток генератора. К ней иногда подключают нейтральный провод.
Фазные и линейные величины
Основными параметрами трехфазной цепи являются фазные и линейные токи и напряжения. Рассмотрим их определения:
- Фазный ток (Иф) - ток в отдельно взятой фазе цепи.
- Линейный ток (Ил) - ток в линейном проводе между двумя фазными проводами.
- Фазное напряжение (Уф) - напряжение между фазным и нейтральным проводами.
- Линейное напряжение (Ул) - напряжение между двумя фазными проводами.
Фазные и линейные величины зависят от схемы соединения элементов цепи. Рассмотрим особенности при двух основных схемах - звезде и треугольнике.
Соединение звездой
При соединении звездой фазные обмотки источника и приемника соединяются таким образом, что один конец каждой фазы подключается к общей точке - нейтрали . Такая схема напоминает звезду, отсюда и название.
Для соединения звездой характерны следующие соотношения между фазными и линейными величинами:
- Ул = √3·Уф
- Ил = Иф
То есть при одинаковых фазных токах линейное напряжение превышает фазное в √3 раз.
Линейный проводник при соединении звездой
При соединении звездой роль линейного проводника выполняет провод между фазами. По нему протекает линейный ток, равный фазному.
Проводник, соединяющий нейтральные точки источника и приемника, называется нейтральным.
Расчет мощности при звезде
Для расчета полной мощности трехфазной цепи, соединенной звездой, используется следующая формула:
где Рф - фазная мощность, Вт; Уф - фазное напряжение, В; Иф - фазный ток, А.
Из формулы видно, что при равных фазных напряжениях и токах полная мощность в три раза больше фазной.
Достоинства и недостатки звезды
К достоинствам соединения звездой относятся:
- Возможность независимой работы фаз
- Простота схемы
Недостатком является необходимость четвертого провода - нейтрального.
Соединение треугольником
При соединении треугольником фазные обмотки последовательно соединяются в замкнутый контур, образуя треугольник. Конец одной фазы соединяется с началом другой.
Для соединения треугольником характерны следующие соотношения:
- Ул = Уф
- Ил = √3 · Иф
То есть фазные и линейные напряжения равны, а линейный ток в √3 раз больше фазного.
Особенности линейного тока в треугольнике
При соединении треугольником линейный ток в трехфазной цепи протекает по замкнутому контуру, образованному фазными обмотками. Его величина в √3 раз больше фазного тока.
Расчет мощности треугольника
Полная мощность трехфазной цепи, соединенной треугольником, рассчитывается по формуле:
где Рф - фазная мощность, Вт; Уф - фазное напряжение, В; Иф - фазный ток, А.
Из формулы видно, что полная мощность в 3 раза больше фазной, как и при соединении звездой.
Плюсы и минусы треугольника
К достоинствам схемы треугольник относятся:
- Отсутствие нейтрального провода
- Большая симметричность фаз
Недостатком является зависимость работы фаз друг от друга.
Выбор схемы соединения
При проектировании и монтаже трехфазной цепи важно правильно выбрать схему соединения ее элементов - звезду или треугольник. Этот выбор зависит от ряда факторов.
Нагрузка цепи
Если нагрузка симметрична, выгоднее применять соединение треугольником, так как оно не требует дополнительного провода.
При несимметричной нагрузке предпочтительна звезда, так как нейтральный провод компенсирует дисбаланс.
Уровень напряжения
Для повышения напряжения используют соединение треугольником, а для понижения - звезду.
Надежность системы
Схема звезда обеспечивает независимую работу фаз, что важно для ответственных потребителей. В треугольнике авария на одной фазе приведет к отключению всей цепи.
Стоимость монтажа
Соединение звездой требует дополнительного провода и затрат на нейтральную шину. Зато позволяет использовать кабели меньшего сечения при тех же токовых нагрузках.
Контроль параметров цепи
Для контроля режимов работы трехфазной цепи необходимо периодически измерять значения фазных и линейных токов и напряжений. Это позволит выявить возможные неисправности на ранней стадии.
Приборы для измерений
Для измерения параметров трехфазной цепи используются следующие приборы:
- Амперметры и вольтметры
- Ваттметры
- Частотомеры
- Мегаомметры
Амперметры и вольтметры могут быть как однофазными, так и трехфазными для одновременного контроля параметров во всех фазах.
Порядок измерений
- Измерить сопротивление изоляции мегаомметром
- Проверить отсутствие напряжения на всех фазах
- Подключить приборы к соответствующим фазам и линейным проводам
- Включить цепь и снять показания
Регистрация данных
Результаты измерений заносят в протокол, в котором должны быть указаны:
- Дата и время проведения замеров
- Тип прибора и его номер
- Расположение точки измерения
- Показания приборов по каждой из фаз и линий
Сравнение текущих и предыдущих значений позволяет оценить техническое состояние цепи.
Правила безопасной работы
При монтаже и обслуживании трехфазного электрооборудования необходимо соблюдать правила техники безопасности, так как неправильные действия могут привести к поражению электрическим током.
Опасность поражения током
Основную опасность при работе с трехфазными цепями представляет прикосновение к элементам, находящимся под высоким напряжением – открытым токоведущим частям, оголенным или с поврежденной изоляцией проводам.
Средства защиты
Для обеспечения безопасности необходимо использовать средства индивидуальной защиты – диэлектрические перчатки и боты, инструменты с изолированными рукоятками. Работы должны выполняться только квалифицированным персоналом.
Меры предосторожности
Перед началом работ следует убедиться в отсутствии напряжения, заземлить оборудование, вывесить плакаты, оградить зону проведения работ. Необходимо соблюдать требования маркировки, предупредительных знаков и надписей на оборудовании.
