Vlastnosti třífázového proudu

Vynikající ruský inženýr-vynálezce Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolsky kromě asynchronního motoru vynalezl třífázová elektrická síť, který by takový motor mohl pohánět.

Třífázový systém se skládá ze tří samostatných elektrických obvodů, ve kterých pracují sinusové EMF stejné frekvence, které jsou zase vzájemně posunuty o 120° a vytvořené jedním zdrojem energie. Zdrojem energie je nejčastěji třífázový generátor.

Výhodou třífázového obvodu je jeho vyváženost. To znamená, že celkový okamžitý výkon třífázového obvodu zůstává konstantní po celou dobu EMF.

Třífázový generátor střídavého proudu má tři nezávislá vinutí, která jsou mezi sebou posunuta o úhel 120°. Stejně jako vinutí jsou počáteční fáze EMF posunuty o 120°. Rovnice popisující změnu EMF v každém z vinutí jsou následující:

Vektorový diagram EMF v počátečním časovém okamžiku představuje tři vektory, jejichž délka je rovna hodnotě amplitudy EMF Em a úhel mezi nimi je 120°. Pokud otočíte vektory proti směru hodinových ručiček, vzhledem k pevné ose, pak projdou v pořadí Ea, Eb, Ec, toto pořadí se nazývá прямой sekvence.

Ve skutečnosti by každá jednotlivá fáze mohla být spojena samostatnými vodiči, ale v tomto případě by výsledkem byl šestivodičový odpojený systém. To by bylo z ekonomického hlediska krajně nerentabilní, protože by se přece jen jednalo o nadspotřebu materiálu. Aby se tomu zabránilo, byly vynalezeny propojené spojovací systémy.

Hvězdné spojení

Když jsou vinutí spojena hvězdou, všechny tři fáze mají jeden společný bod – nulu. Navíc může být takový systém třívodičový nebo čtyřvodičový. V druhém případě se používá neutrální vodič. Neutrální vodič není potřeba, pokud je systém symetrický, to znamená, že proudy ve fázích takového systému jsou stejné. Ale pokud je zátěž asymetrická, pak jsou fázové proudy různé a v neutrálním vodiči se objeví proud, který se rovná vektorovému součtu fázových proudů

Také nulový vodič může fungovat jako jedna z fází, pokud selže, zabrání se tak selhání celého systému. Je však třeba vzít v úvahu, že nulový vodič není určen pro takové zatížení a aby se šetřil kov a izolace, vyrábí se na nižší proudy než ve fázích.

V třífázových obvodech existují tzv. fázová a lineární napětí a proudy.

Fázové napětí je potenciální rozdíl mezi nulovým bodem a vodičem vedení. To znamená, jednoduše řečeno, fázové napětí je napětí na fázi.

Síťové napětí je rozdíl potenciálů mezi dráty vedení.

Při spojení do hvězdy jsou fázové a síťové napětí ve vztahu jako

A fázové a lineární proudy se symetrickou zátěží jsou stejné

Můžeme tedy dojít k závěru, že v symetrickém třífázovém obvodu, kdy jsou fáze spojeny hvězdou, se napětí navzájem liší faktorem 1,72 a lineární a fázový proud jsou stejné.

Delta připojení

V zapojení do trojúhelníku je konec jednoho vinutí spojen se začátkem druhého. Vznikne tak uzavřená smyčka.

V takovém zapojení je každá fáze pod lineárním napětím, to znamená, že lineární a fázová napětí jsou stejná

A fázové a lineární proudy spolu souvisí

Podobným způsobem vyvodíme závěr pro trojúhelníkové zapojení: v symetrickém třífázovém obvodu, když jsou fáze spojeny trojúhelníkem, se proudy od sebe liší 1,72 krát a lineární a fázové napětí jsou stejné.

Touto publikací navazujeme na řadu publikací věnovaných základům elektrotechniky. V něm budeme hovořit o třífázových střídavých sítích.

Nejprve si připomeňme, jaká je fáze sinusoidy. Už jsme si řekli, že jde vlastně o časový posun sinusovky. Pokud vezmeme více zdrojů a každému přiřadíme různé posuny, dostaneme vícefázový systém obvodů. V tomto případě se pro zjednodušení každý obvod nazývá fáze. Fáze jsou zpravidla označeny písmeny (fáze A, fáze B atd.). Proč jsou vůbec potřeba vícefázové obvody? Abyste to pochopili, musíte opustit svět schematických symbolů a vstoupit do skutečného světa. Představme si, že máme cívku, která obtéká střídavý proud. Vytváří také střídavé magnetické pole. Nyní vedle ní umístěte stejnou cívku, ale obtékanou proudem s posunutou fází.

Pak magnetické pole dosáhne svého maxima nejprve na jedné cívce a poté na druhé. Protože jedno pole je nerozeznatelné od druhého, tato časová prodleva vytváří efekt pohybu pole v prostoru. To je velmi důležitý bod: pomocí stacionárních vodičů jsme byli schopni získat pohybující se magnetické pole. Nyní, když to víme, pojďme zjistit, proč jsou vícefázové obvody zpravidla třífázové.

Ve skutečnosti je vše jednoduché: tři jsou minimální počet cívek, se kterými můžete získat rovnoměrně rotující magnetické pole. K tomu je potřeba je umístit s posunem o 120° v prostoru a přivést na ně napětí, posunuté v čase o 120°.

V elektromechanice se mimochodem dělí takto: elektrické stupně a mechanické stupně a obecně se navzájem nerovnají. Ale teď o tom nebudeme mluvit; to už není předmět elektrotechniky, ale elektromechaniky, elektrických strojů. Teď si to jen potvrdíme třífázový obvod – jedná se o obvod, ve kterém jsou tři fáze vzájemně posunuté o 120°. Mimochodem, toto je velmi vhodné znázornit na vektorovém diagramu ve formě symetrické trojice vektorů. V praxi se obvykle zobrazuje pouze fázový vektor A, protože zbytek je přesně stejný, pouze posunutý. Zdrojem třífázového napětí je obvykle třífázový generátor. V podstatě se jedná o stejné tři cívky, o kterých jsme hovořili výše, mezi nimiž se otáčí magnet.

Vyvolává v nich EMF, posunuté v čase. Dále je zajímavá otázka: jak přenést toto třífázové napětí? Tahání šesti drátů je stále příliš plýtvání, proto jsou vinutí navzájem spojena buď hvězdou nebo trojúhelníkem.

Nejprve uvažujme hvězdicové spojení. V tomto případě jsou začátky všech vinutí volné a konce jsou spojeny.

Jak je vidět z obrázku, jsou zde vidět dvě různá napětí: mezi začátky sousedních vinutí a na každém jednotlivém vinutí. Napětí mezi konci vinutí se nazývá síťové napětí, protože je to napětí mezi dvěma vedeními přenosu energie. Napětí mezi začátkem vinutí a společným bodem se nazývá fázové napětí, protože je to napětí na jedné fázi. Vztah mezi amplitudami lineárních a fázových napětí lze odvodit buď algebraicky, se znalostí zákonitostí změny napětí v každé fázi, nebo geometricky z trojúhelníku vektorů. Tak či onak, poměr mezi nimi je roven odmocnině 3x. Mimochodem, když vynásobíte 220 odmocninou ze 3, dostanete 380. Proto se někdy říká, že jednofázové napětí v našich domech je 220 voltů a třífázové napětí je 380. Ve skutečnosti je to totéž: tři fáze jednoduše vstupují do domu a již jedna po druhé odcházejí do bytů. Kromě napětí se rozlišují také lineární a fázové proudy.

Vedením protéká lineární proud, fází prochází fázový proud. Při spojení hvězdou se lineární a fázový proud shodují.

Druhá možnost zapojení fáze delta. V tomto případě je začátek každé fáze spojen s koncem následující. V tomto případě již není nulový vodič, existují pouze tři lineární. Napětí, fázové a lineární, jsou stejné. Ale proudy už tam nejsou. Lineární proud je 3krát větší než fázový proud. Stejný vztah jako u napětí připojení do hvězdy.

Každý typ fázového připojení má své výhody a nevýhody a liší se v různých průmyslových odvětvích.

Někde je důležitá přítomnost nulového vodiče u hvězdy, jinde se cení uzavřený obvod v trojúhelníku, jinde má smysl přecházet z jednoho zapojení do druhého. Ale to jsou zcela specifické otázky a jsou nad rámec této řady publikací.

S třífázovými obvody souvisí další velmi důležitá věc, a to již z oblasti obvodového designu třífázový most nebo Larionovský most. Velmi zhruba lze říci, že veškerá výkonová elektronika je postavena kolem Larionova mostu tak či onak. V publikaci o polovodičích jsme již hovořili o jednofázovém diodovém můstku sestávajícím ze 4 diod, přidáme k nim další dvě a spojíme je do 2 skupin: katoda a anoda. Podívejme se nejprve na výsledky jeho práce a poté rozebereme princip fungování.

Je vidět, že výsledné napětí je celkem kvalitní usměrněné napětí. Někdy se nazývá šestipulzní, protože v jedné periodě původního napětí má 6 period usměrněného napětí.

Pojďme se nyní podívat na jeho práci. Pravidlo je velmi jednoduché: ze všech diod horní, tedy katodové skupiny, vede ta, na kterou je přivedeno největší kladné napětí, a ze spodní anoda, ta, na kterou je přivedeno největší záporné napětí. .

Podívejme se na časový interval od π/6 do π/2.

Zde je nejvíce kladná fáze A, nejzápornější fáze je B. To znamená, že diody 1 a 4 se otevírají V tomto případě je na jeden pól zátěže přivedeno kladné napětí a na druhý záporné napětí.

Posouváme se dále v čase, úsek π/2 až π/6.

Nejpozitivnější je stále fáze A, ale nejnegativnější je nyní fáze C. Dioda 6 se otevře, dioda 4 zavírá, má zespodu velké napětí z fáze C a shora už není tak velké napětí z fáze B. Pro zátěž, jak vidíte, se nic nemění. U ní je napětí stále stejného znaménka a přibližně stejné hodnoty.

Jdeme dále a vidíme, že v intervalu od 5π/6 do 3π/2 je vše úplně stejné, jen nejpozitivnější fáze je B a ve spodní části se fáze C a A nahrazují.

Nakonec, nezměněné po zbývající období periody, získáme kladné napětí z fáze C a záporné napětí z A a B. Fáze se navzájem nahrazují a zátěžové napětí je konstantní, i když pulzující. Jeho průměrnou hodnotu lze odvodit matematicky, ale v praxi se obvykle používá koeficient 2,34.

Stejně jako v případě jednofázového obvodu můžete diody nahradit tranzistory, tedy řízenými spínači. Pokud nyní přivedeme konstantní napětí a rozepneme spínače stejným způsobem, jako byly rozepnuty usměrňovací diody, pak dostaneme třífázové střídavé napětí. Ukazuje se, že je to střídač.

Tady je to stále přípojnice, teď nebudeme mluvit o sběrnici, jen uvidíme, že tvar napětí se ukázal být víceméně podobný tomu, co potřebujeme. Můžete s ním dále pracovat: filtrovat, vyhlazovat a tak dále. Mimochodem, pokud zkombinujete obě tato zařízení (usměrňovač a invertor), získáte frekvenční měnič. Ve skutečnosti můžeme na výstupu vytvořit jakoukoli sinusoidu, která není nijak spojena s původními. Tím příběh o třífázových obvodech končí. V příštím příspěvku, který tuto sérii uzavře, si povíme o kvalitě napájení.

Tagy

• elektrotechnika
• třífázové obvody