Trojfázový striedavý prúd

V súčasnosti je to najbežnejší systém trojfázového striedavého prúdu na celom svete.

Trojfázový elektrický obvod sa nazýva systém pozostávajúci z troch obvodov, v ktorých pracujú striedavé prúdy, EMF rovnakej frekvencie, navzájom fázovo posunuté o 1/3 periódy (φ=2π/ 3). Každý jednotlivý obvod takéhoto systému sa stručne nazýva jeho fáza a systém troch fázovo posunutých striedavých prúdov v takýchto obvodoch sa jednoducho nazýva trojfázový prúd.

Takmer všetky generátory inštalované v našich elektrárňach sú generátory trojfázového prúdu... V podstate každý takýto generátor je spojením v jednom elektrickom stroji troch alternátorov, navrhnutých tak, aby indukované v nich EMF posunuté voči sebe o jednu tretinu periódy, ako je znázornené na obr. 1.

Ryža. 1. Grafy časovej závislosti EMF indukovanej vo vinutiach kotvy generátora trojfázového prúdu

Ako je takýto generátor implementovaný, je ľahké pochopiť z obvodu na obr. 2.

Ryža. 2. Tri páry nezávislých vodičov pripojených k trom kotvám generátora trojfázového prúdu napájajú osvetľovaciu sieť

Na statore elektrického stroja sú tri nezávislé kotvy, ktoré sú odsadené o 1/3 kruhu (120O). Induktor spoločný pre všetky armatúry sa otáča v strede elektrického stroja znázorneného na schéme vo formulári permanentný magnet.

V každej cievke je vyvolané striedavé EMF rovnakú frekvenciu, ale časy, kedy tieto emf prechádzajú cez nulu (alebo cez maximum) v každej z cievok, budú posunuté o 1/3 periódy voči sebe navzájom, pretože induktor prechádza každou cievkou o 1/3 periódy neskôr z predchádzajúceho.

Každé vinutie trojfázového generátora je nezávislý generátor prúdu a zdroj elektrickej energie. Pripojením vodičov na konce každého z nich, ako je znázornené na obr. 2 by sme dostali tri nezávislé obvody, z ktorých každý by mohol napájať napríklad určité elektrické prijímače elektrické lampy.

V tomto prípade na prenos všetkej energie, ktorá sa absorbuje elektrické prijímače, bude potrebných šesť drôtov. Vinutia generátora trojfázového prúdu je však možné pripojiť tak, aby zvládli štyri alebo dokonca tri vodiče, teda výrazne šetrili kabeláž.

Prvý z týchto spôsobov sa nazýva hviezdicové zapojenie (obr. 3).

Ryža. 3. Štvorvodičový systém zapojenia pri pripojení trojfázového generátora s hviezdou. Záťaže (skupiny elektrických lámp I, II, III) sú napájané fázovým napätím.

Vývody cievok 1, 2, 3 budeme nazývať začiatkom a vývody 1′, 2′, 3′ koncami príslušných fáz.

Spojenie hviezd spočíva v tom, že konce všetkých vinutí pripojíme k jednému bodu generátora, ktorý sa nazýva nulový bod alebo neutrál, a generátor pripojíme k prijímačom elektriny štyrmi vodičmi: tromi tzv. drôty prichádzajúce zo začiatku vinutia 1, 2, 3 a neutrálny alebo neutrálny drôt idúci z nulového bodu generátora. Tento systém zapojenia sa nazýva štvorvodičový.

Napätia medzi nulovým bodom a začiatkom každej fázy sa nazývajú fázové napätia a napätia medzi začiatkom vinutia, teda bodmi 1 a 2, 2 a 3, 3 a 1, sa nazývajú čiarové... Fáza napätia zvyčajne znamenajú U1, U2, U3, alebo vo všeobecnosti Uf a sieťové napätie — U12, U23, U31, alebo vo všeobecnosti Ul.

Medzi amplitúdami alebo strednými hodnotami fázové a sieťové napätie pri spojení vinutí generátora s hviezdou je pomer Ul = √3Uf ≈ 1,73Ue

Napríklad, ak je fázové napätie generátora Uf = 220 V, potom pri pripájaní vinutí generátora do hviezdy je sieťové napätie Ul - 380 V.

V prípade rovnomerného zaťaženia troch fáz generátora, to znamená s približne rovnakými prúdmi v každej z nich, je prúd v neutrálnom vodiči nulový... Preto v tomto prípade môžete odstrániť neutrálny vodič a prejsť na ešte ekonomickejší trojvodičový systém. V tomto prípade sú všetky záťaže zapojené medzi zodpovedajúce páry líniových vodičov.

Pri nevyváženej záťaži nie je prúd v nulovom vodiči nulový, ale vo všeobecnosti je menší ako prúd v linkových vodičoch. Preto môže byť neutrálny vodič tenší ako linkový vodič.

Pri prevádzke trojfázového striedavého prúdu sa snažia o čo najrovnomernejšie zaťaženie rôznych fáz.Preto sa napríklad pri usporiadaní osvetľovacej siete veľkého domu so štvorvodičovým systémom zavedie do každého bytu nulový vodič a jeden z lineárnych tak, že v priemere má každá fáza približne rovnakú naložiť.

Iný spôsob pripojenia vinutí generátora, ktorý umožňuje aj trojvodičové zapojenie, je zapojenie do trojuholníka znázornené na obr. 4.

Ryža. 4. Schéma zapojenia vinutí trojfázového generátora s trojuholníkom

Tu je koniec každej cievky spojený so začiatkom ďalšej, takže tvoria uzavretý trojuholník a vodiče vedenia sú spojené s vrcholmi tohto trojuholníka - body 1, 2 a 3. Pri spojení s trojuholníkom, sieťové napätie generátora sa rovná jeho fázovému napätiu: Ul = Ue.

Preto prepínanie vinutí generátora z hviezdy do trojuholníka vedie k zníženiu sieťového napätia v √3 ≈ 1,73 krát... Zapojenie do trojuholníka je tiež prípustné len pri rovnakom alebo takmer rovnakom fázovom zaťažení. V opačnom prípade bude prúd v uzavretej slučke vinutia príliš silný, čo je pre generátor nebezpečné.

Pri použití trojfázového prúdu môžu byť samostatné prijímače (záťaže) napájané samostatnými pármi vodičov zapojené aj do hviezdy, to znamená tak, že jeden ich koniec je spojený so spoločným bodom a ostatné tri voľné konce sú pripojené k líniovým vodičom siete alebo trojuholníkom, to znamená, že všetky záťaže sú zapojené do série a tvoria spoločný obvod, do bodov 1, 2, 3, z ktorých sú pripojené lineárne vodiče siete.

Na obr. 5 je znázornené hviezdicové zapojenie záťaže s trojvodičovým vedením a na obr.6 — so štvorvodičovým systémom vedenia (v tomto prípade je spoločný bod všetkých záťaží pripojený k nulovému vodiču).

Na obr. 7 znázorňuje schému zapojenia záťaže do trojuholníka pre trojvodičový elektroinštalačný systém.

Ryža. 5. Hviezdicové zapojenie záťaže s trojvodičovým systémom zapojenia

Ryža. 6. Hviezdicové zapojenie záťaže so štvorvodičovým rozvodom

Ryža. 7. Trojvodičové zapojenie záťaže do trojuholníka

V praxi je dôležité zvážiť nasledovné. Keď sú záťaže pripojené do trojuholníka, každá záťaž je pod sieťovým napätím a keď je zapojená do hviezdy, je pod napätím √3 krát nižším. Pre prípad štvorvodičového systému je to zrejmé z obr. 6. Ale rovnako je to aj s trojvodičovým systémom (obr. 5).

Medzi každým párom sieťových napätí sú tu sériovo zapojené dve záťaže, ktorých prúdy sú fázovo posunuté o 2π/3. Napätie v každej záťaži sa rovná zodpovedajúcemu sieťovému napätiu vydelenému √3.

Pri prepínaní záťaží z hviezdy do trojuholníka sa teda napätie na každej záťaži, a teda aj prúd v nej, zvýši o √3 ≈ 1,73-krát. Ak je napríklad sieťové napätie trojvodičovej siete 380 V, potom pri zapojení do hviezdy (obr. 5) bude napätie každej zo záťaží rovné 220 V a pri pripojení k trojuholníka (obr. 7) bude rovné 380 V.

Pri príprave článku boli použité informácie z učebnice fyziky, ktorú upravil G.S. Landsberg.