Для чого потрібна трифазна мережа

Трифазна система електропостачання - окремий випадок багатофазних систем електричних ланцюгів змінного струму, в яких діють створені загальним джерелом синусоїдальні ЕРС однакової частоти, зрушені один щодо одного в часі на певний фазовий кут.

Один із варіантів багатофазної системи електропостачання – трифазна система змінного струму. У ній діють три гармонійні ЕРС однієї частоти, створювані одним загальним джерелом напруги. Дані ЕРС зрушені по відношенню один до одного в часі (по фазі) на той самий фазовий кут, що дорівнює 120 градусів або 2*пі/3 радіан.

Першим винахідником шестипровідної трифазної системи був Нікола Тесла, проте чималий внесок у її розвиток зробив і російський фізик-винахідник Михайло Осипович Доливо-Добровольський, який запропонував використовувати лише три або чотири дроти, що дало значні переваги, і було наочно продемонстровано в експериментах з асинхронними електродвигунами.

У трифазної системі змінного струму кожна синусоїдальна ЕРС перебуває у своїй фазі, беручи участь у безперервному періодичному процесі електризації мережі, тому дані ЕРС іноді називають просто «фазами», як і передавальні дані ЕРС провідники: перша фаза, друга фаза, третя фаза. Фази зрушені одна щодо одної на 120 градусів, а відповідні провідники прийнято позначати латинськими літерами L1, L2, L3 або A, B, C.

Така система дуже економічна, коли йдеться про передачу електричної енергії проводами на великі відстані. Трифазні трансформатори менш матеріаломісткі.

Силові кабелі вимагають менше провідного металу (як правило використовується мідь), оскільки струми у фазних провідниках, порівняно з однофазними, мають менші діючі величини, якщо порівнювати з однофазними ланцюгами аналогічної потужності, що передається.

Трифазна система дуже врівноважена, і надає рівномірне механічне навантаження на енергогенеруючу установку (генератор електростанції), чим продовжує термін її служби.

За допомогою трифазних струмів, що пропускаються через обмотки електричних споживачів — різних установок і двигунів, легко отримати вихрове магнітне поле, що обертається, необхідне для роботи двигунів та інших електроприладів.

Синхронні та асинхронні трифазні двигуни змінного струму мають простий пристрій, і набагато економічніші за однофазні та двофазні, а тим більше — класичні двигуни постійного струму.

З трифазною мережею в одній установці можна отримати відразу дві робочі напруги - лінійну і фазну, що дозволяє мати два рівні потужності в залежності від схеми з'єднання обмоток - "трикутник" (англомовний варіант "дельта") або "зірка".

Що стосується живлення систем освітлення, то приєднавши три групи ламп - до різних фаз мережі кожну, можна значно знизити мерехтіння і позбутися шкідливого стробоскопічного ефекту.

Перелічені переваги таки обумовлюють широке застосування саме трифазної системи електропостачання у великій світовій електроенергетиці сьогодення.

Зірка

З'єднання за схемою "зірка" передбачає з'єднання кінців фазних обмоток генератора в одну загальну "нейтральну" точку (нейтраль - N), як і кінців фазних висновків споживача.

Провіди, що з'єднують фази споживача з відповідними фазами генератора, називаються в трифазній мережі лінійними проводами. А провід, що з'єднує між собою нейтралі генератора та споживача - нейтральним дротом (усвідомлюється «N»).

За наявності нейтралі трифазна мережа виходить чотирипровідною, а якщо нейтраль відсутня — трипровідною. В умовах, коли опори в трьох фазах споживача дорівнюють один одному, тобто за умови, що Za = Zb = Zc, навантаження буде симетричним. Це ідеальний режим для трифазної мережі.

За наявності нейтралі фазними називаються напруги між будь-яким фазним проводом і нейтральним проводом. А напруги між будь-якими двома фазними проводами називаються лінійними напругами.

Якщо мережа має схему з'єднання «зірка», то в умовах симетричного навантаження співвідношення між фазними та лінійними струмами та напругами можуть бути описані такими співвідношеннями:

Видно, що лінійні напруги зрушені по відношенню до відповідних фазних на кут 30 градусів (пі/6 радіан):

Потужність при з'єднанні «зірка» в умовах симетричного навантаження з урахуванням відомих фазних напруг можна визначити за формулою:

Про важливість нейтралі та «перекос фаз»

Хоча при абсолютно симетричному навантаженні живлення споживачів можливе по трьох проводах лінійними напругами навіть без нейтралі, проте якщо навантаження на фазах не суворо симетричні, нейтраль завжди обов'язкова.

Якщо ж при несиметричному навантаженні нейтральний провід обірветься, або його опір з якоїсь причини значно зросте, відбудеться «перекіс фаз», і тоді навантаження на трьох фазах можуть опинитися під різними напругами - від нуля до лінійного - залежно від розподілу опорів навантажень фаз у момент обриву нейтралі.

Адже навантаження номінально розраховані строго на фазні напруги, значить щось може вийти з ладу.

Проблема гармонік кратних третьої

Найбільш часто побутова та інша техніка оснащується сьогодні імпульсними блоками живлення, причому без вбудованої схеми корекції коефіцієнта потужності.

Коли таких споживачів до мережі підключено багато, виникає високий струм третьої гармоніки основної частоти напруги живлення.

Проблема особливо актуальна в офісних будинках, де розміщено на невеликому просторі багато різної оргтехніки.

Трикутник

З'єднання за схемою «трикутник» передбачає з боку генератора з'єднання кінця провідника першої фази з початком провідника другої фази, кінця провідника другої фази з початком провідника третьої фази кінця провідника третьої фази з початком провідника першої фази - виходить замкнута фігура - трикутник.

Лінійні та фазні напруги та струми при симетричному навантаженні, стосовно з'єднання «трикутник», співвідносяться наступним чином:

Потужність трифазного ланцюга при з'єднанні трикутником, в умовах симетричного навантаження, визначається наступним чином:

У наведеній нижче таблиці відображені стандарти фазних і лінійних напруг для різних країн:

Провідники різних фаз трифазної мережі, а також нейтральні та захисні провідники традиційно маркують власними кольорами.

Так роблять для того, щоб запобігти ураженню електричним струмом та забезпечити зручність обслуговування мереж, полегшити їх монтаж та ремонт, а також зробити стандартизованим маркування фазування обладнання: порядок чергування фаз часом дуже важливий, наприклад для завдання напряму обертання асинхронного двигуна, режиму роботи керованого трифазного випрямляча і т. д. У різних країнах колірне маркування різне, у деяких збігається.

Раніше ЕлектроВести писали, що німецька енергетична компанія E.ON підписала контракт з виробником автомобілів BMW на встановлення та експлуатацію однієї з найбільших мереж зарядки електромобілів у Німеччині, яка включатиме понад 4,1 тис. нових зарядних станцій.