Отличие трехфазного тока от однофазного, мощность переменного тока в трехфазной цепи

Преимущества и недостатки

Как и все материальное, трехфазный ток имеет свои плюсы и минусы. К положительным моментам применения систем с тремя или четырьмя проводами относится:

экономичность. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используют жилы из цветных металлов, имеющих небольшие удельные сопротивления. Вольтаж делят пропорционально количеству кабелей. За счет распределения нагрузок инженеры могут уменьшить количество проводов и их сечение, что при стоимости редких материалов дает заметную экономию;
эффективность. Параметры мощности трехфазных трансформаторов на порядок выше однофазных при меньших размерах магнитопровода;

Трансформатор 3-фазного тока

простота. При одновременном подключении потребителей к трехфазной системе генерируется дополнительное электромагнитное поле. Эффект сдвига фаз позволил создать простые и надежные бесколлекторные электродвигатели, ротор которых выполнен по принципу обычной болванки и устанавливается на шариковые подшипники. Асинхронные электроприводы с короткозамкнутым ротором широко применяются в качестве силовых агрегатов. Главным преимуществом таких моторов является возможность менять направления вращения оси путем переключения на разные фазные провода;
вариативность. В цепях с несколькими фазами существует возможность получать разные напряжения. Пользователь сможет менять мощность нагревателя или сервопривода, переключившись с одного кабеля на другой;
уменьшение стробоскопического эффекта. Он достигается за счет независимого подключения разных ламп к отдельным фазам.

Наравне с достоинствами трехфазный ток имеет свои недостатки. Они включают в себя:

сложность подключения. Для подведения трехфазной сети к частному или промышленному зданию необходимо получить специальное разрешение и технические условия от локальной компании по энергосбыту. Это мероприятие достаточно затратное и хлопотное. Даже при выполнении всех условий положительный результат не всегда гарантирован;
применения усиленных систем безопасности. В трехфазной сети подается напряжение 380 В, поэтому необходимы дополнительные устройства защиты от поражения электрическим током и короткого замыкания, которое может привести к пожару. В таких случая на входе ставят еще один трехполюсный автоматический выключатель с большими номинальными характеристиками. Он поможет избежать возгорания в случае замыкания цепи;
необходимость монтажа вспомогательных модулей для ограничения перенапряжения в распределительном щите. Он необходим на случай обрыва нулевого кабеля, что приведет к увеличению напряжения в одной из фаз.

Переход на трехфазный ток целесообразен для владельцев помещений, площадь которых больше 100 кв. метров. Это относится к частным домам и к производственным зданиям. Такая схема подключения позволит перераспределять равномерно нагрузку по всем потребителям и избежать скачков напряжения.

Элементы и детали

Детально схема отопления двухэтажного дома состоит из следующих деталей:

Котел, где происходит генерация тепла. Необходимая производительность – сто ватт на квадратный метр (стены в комнате не превышают трех метров в высоту). Предусмотрен запас (до 50 процентов). Необходим для того, чтобы отапливать жилплощадь, даже если имеются неучтенные потери тепловой энергии. Котлы работают на дизтопливе, угле, торфе, газе, электричестве, дровах. Самыми удобными в быту считаются газовый и электрический (средняя цена – около 50 тысяч рублей). Такие агрегаты стоят дороже тех, которые топят дровами (средняя цена – порядка 30 тысяч рублей), зато они отличаются высокой производительностью, не требуют больших затрат в период эксплуатации. Газ для котла подключается с помощью баллона или системы газопровода. Материал изготовления – чугун, сталь. Монтируют на пол или на стену. Напольное оборудование требует отдельного подсобного помещения, оснащенного дымоходом, настенное функционирует без хода для дыма и подсобки. Схему отопления 2 х этажного частного дома разрабатывают с одноконтурным оборудованием – только для обеспечения тепла; двухконтурным – для обогрева и подачи горячей воды пользователю. В двухконтурном агрегате имеются насос для циркуляции и бак.

Двухконтурный котел состоит из насоса и бака

Носители тепла в системе. Ими выступают вода, электролиты или антифриз. Если в строении живут постоянно, то целесообразнее использовать воду. В таком случае отопительную систему нельзя останавливать в холодное время года. Если здание используется от случая к случаю (дача, временное жилье), то применяют антифриз или электролит. Теплоноситель определяют на этапе разработки схемы для дома.

Приборы для обогрева. Радиаторы или батареи изготавливают из стали, алюминия, чугуна или смешанных материалов. Чем шире батарея, тем больше ее теплоотдача. Чтобы эксплуатировать радиатор было удобнее, он должен иметь воздухоотвод, чтобы выпустить воздух, который попал внутрь; терморегуляторный вентиль, чтобы обеспечить равномерный теплосъем; вентиль запорного типа, чтобы обслуживать агрегат было проще. Как провести отопление – соединить батареи можно односторонним, диагональным или нижним проводом. При определении числа батарей в помещении учитывают:
площадь комнаты;
мощность секции (указана в паспорте оборудования);
имеются ли пластиковые окна;
есть ли потери тепла на наружных стенах;
чем утеплена крыша;
какова высота потолков.
Трубопровод. Он необходим, чтобы передавать, распределять и возвращать носитель тепла в котел. Контур – замкнутый. Он обеспечивает герметичность. Трубы делают из стали или полипропилена. Внутри имеются шероховатости, чтобы задерживать носитель тепла на одном месте в течение определенного периода времени (от 30 минут до 12 часов).
Расширительный бачок. Позволяет избежать возможного разрушения из-за скачка напора или выделения газов. Внутри – мембрана, разделяющая бачок на две камеры: водяную, воздушную. Оборудование должно быть утеплено минеральной ватой, например, чтобы избежать теплопотерь, «размораживания».
Запорная арматура. Учитывается при разработке схемы разводки отопления. Позволяет отсоединить участок трубопровода, чтобы провести реставрацию.
Арматура для предохранения. Если отключилось электричество или превышен объем газов, арматура остановит систему или ее участок до полного устранения неполадки. Состоит из клапанов, вентилей, воздухоотвода.
Арматура для регулирования, чтобы выравнивать показатели. Состоит из вентилей, крана.
Коллектор распределения. В схеме отопления двухэтажного дома нужен, чтобы ликвидировать теплопотери, распределить нагрузку. На нем устанавливают приборы для обеспечения безопасности – от манометров до датчиков.

Коллектор распределения поможет сэкономить на счетах за тепло

Насос для циркуляции теплоносителей. Без него при отоплении двухэтажного частного дома своими руками тепло не дойдет до 2-го этажа здания. Чем больше площадь строения, тем большей мощности насос должен быть установлен внутри.

Измерение мощности ваттметром

Мощность потребления трехфазного тока измеряют, используя ваттметры. Это может быть специальный ваттметр, для 3-х фазной сети, либо однофазный, включенный по определенной схеме. Современные приборы учета электроэнергии часто выполняются по цифровой схемотехнике. Такие конструкции отличаются высокой точностью измерений, большими возможностями оперирования с входными и выходными данными.

Трехфазный цифровой ваттметр

Варианты измерений:

Соединение «звезда» с нулевым проводником и симметричная нагрузка – измерительный прибор подключается к одной из линий, считанные показания умножаются на три.
Несимметричное потребление тока в соединении «звезда» – три ваттметра в цепи каждой фазы. Показания ваттметров суммируются;
Любая нагрузка и соединение «треугольник» – два ваттметра, подключенных в цепь любых двух нагрузок. Показания ваттметров также суммируются.

Схемы измерения

На практике всегда стараются выполнить нагрузку симметричной. Это, во-первых, улучшает параметры сети, во-вторых, упрощает учет электрической энергии.

Электрический счетчик

При любой схеме подключения необходим прибор учета расхода электроэнергии. 3-фазный счетчик может подключаться непосредственно к сети (прямое включение) или через трансформатор напряжения (полукосвенное), где показания прибора умножаются на коэффициент.

Важно соблюдать порядок подключения, где нечетные номера – это питание, а четные – нагрузка. Цвет проводов указывается в описании, а схема размещается на задней крышке прибора

Вход и соответствующий выход 3-фазного счетчика обозначаются одним цветом. Наиболее распространен порядок присоединения, когда сначала идут фазы, а последний провод – ноль.

3-фазный счетчик прямого включения для дома обычно рассчитан на мощность до 60 кВт.

Перед выбором многотарифной модели следует согласовать вопрос с энергоснабжающей компанией. Современные устройства с тарификаторами дают возможность подсчитывать плату за электроэнергию в зависимости от времени суток, регистрировать и записывать значения мощности во времени.

Температурные показатели приборов выбираются как можно шире. В среднем они составляют от -20 до +50 °С. Срок эксплуатации приборов достигает 40 лет с межповерочным интервалом 5-10 лет.

Счетчик подключается после вводного трех- или четырехполюсного автоматического выключателя.

Расчет трехфазной цепи, соединенной звездой

Трехфазную цепь, соединенную звездой, удобнее всего рассчитать методом двух узлов. На рис. 7.5 изображена трехфазная цепь при соединении звездой. В общем случае сопротивления фаз нагрузки неодинаковы (ZA ≠ ZB ≠ ZC )

Нейтральный провод имеет конечное сопротивление ZN . В схеме между нейтральными точками источника и нагрузки возникает узловое напряжение или напряжение смещения нейтрали. Это напряжение определяется по формуле (6.2).

Рис.6. 5

(6.2)

Фазные токи определяются по формулам (в соответствии с законом Ома для активной ветви):

(6.3)

Ток в нейтральном проводе

(6.4)

Частные случаи. 1. Симметричная нагрузка. Сопротивления фаз нагрузки одинаковы и равны некоторому активному сопротивлению ZA = ZB = ZC = R. Узловое напряжение

потому что трехфазная система ЭДС симметрична, .

Напряжения фаз нагрузки и генератора одинаковы:

Фазные токи одинаковы по величине и совпадают по фазе со своими фазными напряжениями. Ток в нейтральном проводе отсутствует

В трехфазной системе, соединенной звездой, при симметричной нагрузке нейтральный провод не нужен.

На изображена векторная диаграмма трехфазной цепи для симметричной нагрузки. 2. Нагрузка несимметричная, RA< RB = RC, но сопротивление нейтрального провода равно нулю: ZN = 0. Напряжение смещения нейтрали

рис. 6.6

Фазные напряжения нагрузки и генератора одинаковы

Фазные токи определяются по формулам

Вектор тока в нейтральном проводе равен геометрической сумме векторов фазных токов.

На рис. 6.7 приведена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной звездой, с нейтральным проводом, имеющим нулевое сопротивление, нагрузкой которой являются неодинаковые по величине активные сопротивления. Рис. 6.7 3. Нагрузка несимметричная, RA< RB = RC, нейтральный провод отсутствует,

В схеме появляется напряжение смещения нейтрали, вычисляемое по формуле:

Система фазных напряжений генератора остается симметричной. Это объясняется тем, что источник трехфазных ЭДС имеет практически бесконечно большую мощность. Несимметрия нагрузки не влияет на систему напряжений генератора. Из-за напряжения смещения нейтрали фазные напряжения нагрузки становятся неодинаковыми. Фазные напряжения генератора и нагрузки отличаются друг от друга. При отсутствии нейтрального провода геометрическая сумма фазных токов равна нулю.

На рис. 6.8 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи с несимметричной нагрузкой и оборванным нейтральным проводом. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений нагрузки. Нейтральный провод с нулевым сопротивлением в схеме с несимметричной нагрузкой выравнивает несимметрию фазных напряжений нагрузки, т.е. с включением данного нейтрального провода фазные напряжения нагрузки становятся одинаковыми. Рис. 6.8

Порядок приведения однофазных нагрузок к условной трехфазной мощности

Нагрузки распределяются по фазам с наибольшей равномерностью и определяется величина неравномерности (Н)

, (7)

При Н > 15 % и включении на фазное

напряжение:

где Р
у(3)
— условная приведенная трехфазная мощность, кВт;
Рмф(1
) – однофазная нагрузка наиболее загруженной фазы, кВт.

При Н >15 % и включении на линейное

напряжение:

для одного электроприемника:

Ру(3)
= Рнб.ф.(1)
(9)

для нескольких электроприемников:

Однофазные

электроприемники, включенные на фазные и междуфазные напряжения и распределенные по фазам с неравномерностью не выше 15 % (Н ≤ 15 %), учитывают как трехфазные той же суммарной мощности (сумма всех однофазных нагрузок).

Примечание.

Расчет электроприемников повторно-кратковременного режима производится после приведения к длительному режиму.

При включении электроприемников на фазное напряжение:

, (11)

где Sпв

– паспортная мощность, кВА;

Рном.ф

– номинальная мощность максимально нагруженной фазы, кВт.

При включении на линейное напряжение нагрузки отдельных фаз однофазных электроприемников определяются как полусуммы двух плеч, прилегающих к данной фазе (рис.1).

(12) (13)

(14)

Из полученных результатов выбирается наибольшее значение Рф. нб.

При включении однофазных нагрузок на фазное напряжение нагрузка каждой фазы определяется суммой всех подключенных нагрузок на эту фазу (рис. 2).

Пример 2:
Три однофазных сварочных трансформатора с указанными ниже паспортными данными включены на напряжение 380 В. Определить условную трехфазную номинальную мощность Рном.у, если:
Решение.
Номинальные приведенные мощности трансформаторов:
Рном.1
=S1∙∙cosφ1= 80∙

= 28 кВт;
Рном.2
= 30∙∙0,53 = 13 кВт;
Рном.3
= 32∙

∙0,54 = 14 кВт.
Нагрузка наиболее нагруженной фазы при включении трансформаторов на соответствующие фазы:

Неравномерность загрузки фаз:

Ннаиболее нагруженной фазой является фаза А: Ра
= Рном.ф=21 кВт.
Условная трехфазная номинальная мощность: Рном.у
= 3Ра= 3∙ 21= 63 кВт.

Расчет трехфазной цепи, соединенной звездой

Рис.6. 5

(6.2)

Фазные токи определяются по формулам (в соответствии с законом Ома для активной ветви):

(6.3)

Ток в нейтральном проводе

(6.4)

потому что трехфазная система ЭДС симметрична, .

Напряжения фаз нагрузки и генератора одинаковы:

В трехфазной системе, соединенной звездой, при симметричной нагрузке нейтральный провод не нужен.

рис. 6.6

Фазные напряжения нагрузки и генератора одинаковы

Фазные токи определяются по формулам

Вектор тока в нейтральном проводе равен геометрической сумме векторов фазных токов.

В схеме появляется напряжение смещения нейтрали, вычисляемое по формуле:

Определение условной трехфазной мощности, создаваемой в трехфазной сети однофазными ЭП

Сегодня очень важная тема для проектировщиков, в которой я представлю свою обновленную программу. При расчете электрических нагрузок приходится приводить мощность однофазных ЭП к условной трехфазной мощности согласно РТМ 36.18.32.4-92.

Если вы не знакомы с моей программой для расчета электрических нагрузок, то сперва советую ознакомиться с тем, что было ранее.

В предыдущей версии программы условную трехфазную мощность необходимо было считать на калькуляторе и держать в голове все условия приведения мощности однофазных ЭП к условной трехфазной мощности.

Как я уже упоминал, сейчас я занимаюсь переработкой своих программ и решил расширить функционал программы по расчету электрических нагрузок.

По сравнению со старой программой, здесь я изменил цветовое оформление, добавил расчет тока для двигателей и разработанную мной форму расчета условной трехфазной мощности, создаваемой в трехфазной сети однофазными электроприемниками.

Последовательность расчета лучше всего рассмотреть на примере.

Допустим, нам требуется посчитать расчетную мощность, потребляемый ток, коэффициент мощности электрического щита, к которому подключены следующие трехфазные и однофазные ЭП:

Наименование ЭП

3Р/1Р

Количество, шт.

Р, кВт

cosϕ

Как определить условную трехфазную мощность, создаваемую в трехфазной сети однофазными ЭП?

В РТМ 36.18.32.4-92 по этому поводу сказано лишь следующее:

3.2.1.7. При наличии группы однофазных ЭП, которые распределены по фазам с неравномерностью не выше 15% по отношению к общей мощности трехфазных и однофазных ЭП в группе, они могут быть представлены в расчете как эквивалентная группа трехфазных ЭП с той же суммарной номинальной мощностью.

В случае превышения указанной неравномерности номинальная мощность эквивалентной группы трехфазных ЭП принимается равной тройному значению мощности наиболее загруженной фазы.

Остальное приходится додумывать самому, т.к. четких указаний по расчету не приводится. А как быть, когда разные коэффициенты использования и коэффициенты мощности, мощности ЭП отличаются значительно друг от друга?

После всех размышлений и общения со своими коллегами, я пришел к выводу, что однофазные ЭП следует приводить к трехфазной мощности с учетом эффективного числа ЭП и в результате мы должны получить эквивалент не одного, а N-го количества трехфазных ЭП, которые соответствуют мощности однофазных электроприемников нашего щита.

Внешний вид обновленной программы:

Расчет вводного устройства.

Расчет вводного устройства

Расчет распределительного щита.

Определение условной трехфазной мощности, создаваемой в трехфазной сети однофазными ЭП.

Порядок расчета электрических нагрузок, в том числе и определение условной трехфазной мощности я расскажу в своем очередном видеоролике.

Жду ваших замечаний и предложений.

P.S. Я этой программой пользуюсь и при расчете административных зданий.

Условия получения программы смотрите на странице МОИ ПРОГРАММЫ.

Почему обычно три фазы, а не четыре

Таким вопросом задаются практически все начинающие электрики. По сути, количество фаз не ограничено. Их может быть 1, 2, 3, 4 и даже 10. Однако широкое применение получили трехфазные системы. Это связано с тем, что такой цепи достаточно для решения большинства задач.

Такие системы в большей степени используют для силовых установок на производстве. Вращение ротора составляет 360 градусов, а сдвиг по фазам составляет 120 градусов. Его вполне достаточно, чтобы раскрутить якорь до нужных оборотов и получить с двигателя нужную мощность. Увеличение количества фаз лишь повысит стоимость самой установки, поскольку потребует установки дополнительных катушек и подведения лишних кабелей.

Важно! Добавление фаз к существующим трем не повышает КПД агрегата, не увеличивает его мощность. С точки зрения рациональности, это лишь добавляет стоимость установок при сохранении прежних параметров работы

Трехфазная система переменного тока

Сети трёхфазной системы рассчитаны на питание от подстанций, подающих напряжение по четырём проводам: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где функционируют ЭДС, имеющие синусоидальные формы и равную частоту. Они произведены одним и тем же источником, но имеют угол сдвига между фаз в 120 градусов (2π/3).

Ещё электротехник М.О. Доливо-Добровольский, проводя изучение работы асинхронных двигателей, представил четырёхпроводную систему в качестве рабочей для питания такого типа машин и агрегатов. Каждый провод, образующий отдельную цепь внутри этой системы, называют «фазой». Структуру трёх смещённых по фазе переменных токов именуют трёхфазным током.

Четырёхпроводная схема питания

Важно! В подобной структуре фазное напряжение равно 220 В – это то, что покажет прибор при измерении между фазным и нулевым проводниками. Величина линейного напряжения составит 380 В при проведении измерения между двумя фазными тоководами

Понятие трехфазной цепи

Итак, трехфазная электрическая цепь, это цепь, в ветвях которой существуют три ЭДС изменяющиеся во времени по гармоническому закону (синусоидальному закону) с одинаковой частотой, но имеющих фазовый сдвиг друг относительно друга на угол равный 2π/3 (120).

Для получения трехфазного гармонического сигнала используют трехфазные синхронные генераторы, в трех статорных (якорных) обмотках которых и индуктируются эти ЭДС.

При указанных ниже на рисунке положительных направлениях ЭДС (от концов фаз x, y, z к их началам a, b, c):

ЭДС будут изменяться согласно приведенным ниже выражениям:

еа = Еam sin ωt,

Ниже показаны графики изменения этих величин во времени:

При совмещении вектора ЭДС Еа с осью действительных величин комплексной плоскости:

Получим выражения для ЭДС представленные в комплексной форме:

Также следует отметить, что ЭДС Еа принято направлять вверх вертикально при построении векторных диаграмм, что, в свою очередь, соответствует повороту на 90 комплексной плоскости против часовой стрелки. При этом могут не указывать оси мнимых и действительных величин:

Используя положительное направления и обладая информацией о законах изменения ЭДС или имея соответствующие графики, можно определить действительные направления и мгновенные значения ЭДС в любой момент времени. Так, например, при t = 0, ea = 0, a:

В случае, когда еb < 0, а ec > 0, то при t = 0 ЭДС ес и еb будут направлены в разные стороны.

Если посмотреть на график б), где представлен трехфазный гармонический сигнал, можно увидеть, что максимального значения первой достигнет фаза А, после нее фаза В, и только потом фаза С. Данная последовательность достижения фазами своих максимальных (амплитудных) значений носит название прямой последовательности чередования фаз. Если бы ротор синхронного генератора вращался в обратную сторону, то чередования фаз было бы обратным С-В-А, и это была бы обратная последовательность чередования фаз. Именно от этой последовательности напрямую зависит направления вращения как трехфазных асинхронных электромашин, так и трехфазных синхронных машин. Расчеты и анализ трехфазных цепей, как правило, проводят в предположении, что система имеет прямое чередование фаз.

Измерение мощности

Измерять мощность трёхфазных цепей позволяют ваттметры, специальные приборы, предназначенные для этой цели. Их количество и способы подключения зависят от конкретной электрической цепи: её характеристик и схемы подключения нагрузок. Трёхфазные сети различают по количеству подводящих проводов и распределением нагрузки по фазам, а именно:

трёхпроводная система;
четырёхпроводная система;
равномерная нагрузка;
асимметричная нагрузка.

Симметричная нагрузка

Если система состоит из четырёх проводов (3 фазы и «ноль»), а нагрузка равномерно распределена между фазами, то для того, чтобы узнать суммарную величину мощности, достаточно иметь один прибор для измерения. Токовую обмотку ваттметра последовательно подключают в один из линейных проводов, а между линейным и нулевым проводами включается обмотка напряжения измерительного устройства. Этот вид подключения даёт возможность узнать количество ватт на одной фазе. А поскольку нагрузка в системе распределяется равномерно, то результирующую мощность трёхфазной сети находят умножением полученных показаний на количество фаз, то есть на 3.

Неравномерное распределение потребителей

Цепи с несимметричной нагрузкой на фазах требуют использования нескольких ваттметров для определения мощностной характеристики. В системе, состоящей из четырёх проводов, нужно подключить три прибора таким образом, чтобы обмотки напряжений каждого были включены между нулевым проводом и одной из фаз. Общий результат находится путём суммирования отдельных показаний каждого ваттметра.

Трёхпроводная система потребует минимум двух ваттметров для определения мощности всей цепи. С входным токовым зажимом и оставшимся свободным линейным проводом соединяются обмотки напряжений каждого отдельного ваттметра. Полученные показания складывают и получают значение этой величины для трёхфазной цепи. Эта схема подключения измерительных приборов основана на первом законе Кирхгофа.

Подобные нюансы очень важны при проектировании трёхфазной сети для частного сектора. А также их стоит учитывать при правильном обслуживании уже действующих систем электропитания.

Особенности подключения питания к частному дому

Многие считают, что трехфазная сеть в доме повышает потребляемую мощность. На самом деле лимит устанавливается электроснабжающей организацией и определяется факторами:

возможностями поставщика;
количеством потребителей;
состоянием линии и оборудования.

Для предупреждения скачков напряжения и перекоса фаз их следует нагружать равномерно. Расчет трехфазной системы получается примерным, поскольку невозможно точно определить, какие приборы в данный момент будут подключены. Наличие импульсных приборов в настоящее время приводит к повышенному энергопотреблению при их пуске.

Распределительный электрощит при трехфазном подключении берется больших размеров, чем при однофазном питании. Возможны варианты с установкой небольшого вводного щитка, а остальных — из пластика на каждую фазу и на надворные постройки.

Подключение к магистрали реализуется по подземному способу и по воздушной линии. Предпочтение отдают последней благодаря небольшому объему работ, низкой стоимости подключения и удобству ремонта.

Сейчас воздушное подключение удобно делать с помощью самонесущего изолированного провода (СИП). Минимальное сечение алюминиевой жилы составляет 16 мм2, чего с большим запасом хватит для частного дома.

СИП крепится на опорах и стене дома с помощью анкерных кронштейнов с зажимами. Соединение с главной воздушной линией и кабелем ввода в электрощит дома производится ответвительными прокалывающими зажимами. Кабель берется с негорючей изоляцией (ВВГнг) и проводится через металлическую трубу, вставленную в стену.

Трехфазный и однофазный ток

Схемная конфигурация «Y» дает возможность использовать два разных напряжения при питании потребителей бытовой и промышленной сети: 220 В и 380 В. 220 В получается с использованием двух проводников. Один из них –фазный, другой – N-проводник.

Напряжение между ними соответствует фазному. Если взять 2 проводника, оба представляющие собой фазы, то напряжение между фазами носит название линейного и равно 380 В. Для подключения используются все 3 фазы.

Распределение напряжений в однофазной и трехфазной системах

Основные различия однофазной и трехфазной систем:

Однофазный ток предполагает питание через один проводник, трехфазный – через три;Для завершения цепи однофазного питания требуется 2 проводника: еще один нейтральный, для трехфазного – 4 (плюс нейтральный);Наибольшая мощность передается по трем фазам, в отличие от однофазной системы;Однофазная сеть более простая;При неисправности фазного провода в однофазной сети питание полностью пропадает, в трехфазной – подается по двум оставшимся фазам.

Интересно.Никола Тесла, первооткрыватель многофазных токов и изобретатель асинхронного двигателя, использовал двухфазный ток с разностью фаз 90°.Такая система пригодна для создания вращающегося магнитного поля больше, чем однофазная, но меньше, чем трехфазная. Двухфазная система поначалу получила распространение в США, но затем полностью исчезла из употребления.

Сегодня почти все электроснабжение основано на низкочастотном трехфазном токе при параллельном использовании индивидуальных фаз.

Практически все электростанции имеют генераторы, производящие трехфазный ток. Трансформаторы могут работать с трехфазным или однофазным током. Наличие реактивной мощности в подобных сетях требует установки компенсирующего оборудования.

Как осуществляется работа генератора

Устройство действует, превращая энергию вращения в энергию электричества. Электромашина, используя вращение МП, генерирует электрический ток. В тот момент, когда проволочная обмотка (катушка) крутится в МП, силовые линии магнитного поля пронизывают витки обмотки.

Внимание! В результате этого процесса электроны совершают перемещение в сторону плюсового полюса магнита. При этом ток движется, наоборот, в сторону отрицательного магнитного полюса

Не важно, что вращается при механическом воздействии, обмотка или магнитное поле, – ток будет течь, пока вращение выполняется. Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:

Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:

неподвижные магниты и подвижный (вращающийся) якорь;
неподвижный статор и магнитные полюса, которые вращаются.

В устройствах первой конструкции возникает потребность отбора большого тока при высоком напряжении. Для этого приходится использовать щётки (скользящие по контактным кольцам контакты).

Второе строение генератора проще и более востребовано. Здесь ротор – подвижный элемент, состоит из магнитных полюсов. Статор – неподвижная часть, собрана из пакета изолированных между собой листов железа и вложенной в пазы обмотки статора.

Информация. У ротора тело собрано из сплошного железа и имеет магнитные полюса в виде наконечников. Наконечники набираются из отдельных листов. Их форма подобрана с учётом того, чтобы генерируемый ток по форме был близок к синусоиде.

Полюсные сердечники имеют катушки возбуждения. На катушки подаётся постоянный ток. Подача осуществляется через графитовые щётки на кольца контакта, находящиеся на валу.

На схемах 3-х фазный генератор рисуют в виде трёх обмоток, угол между которыми равен 1200.

Существует несколько способов возбуждения генераторов, а именно:

независимый – с помощью аккумулятора;
от возбудителя – при помощи дополнительного генератора, закреплённого на одном валу;
благодаря самовозбуждению – собственным выпрямленным током.

Сюда же относится магнитное возбуждение, подаваемое от магнитов постоянной природы.

Трёхфазный генератор переменного тока

Преимущества и недостатки трехфазной системы электроснабжения

Не секрет, что трехфазное электроснабжение частного дома стает всё более актуально, и это связанно не только с величиной напряжения. Давайте разберёмся во всех преимуществах 380 Вольт и вот их перечень:

Подключение самых распространённых в быту и на производстве асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. При подключении к однофазной цепи теряется их мощность, крутящий момент, а также КПД. Ведь они первоначально были рассчитаны на три фазы. Применение таких электромашин в частном доме может понадобиться при обустройстве точильного, сверлильного или деревообрабатывающего станка и других видов техники. Владелец, который обладает навыками работы на таком оборудовании, всегда найдёт ему применение. На даче всегда пригодится мощный насос, поэтому провести 380 Вольт и тут не помешает.
Подключив три фазы, владелец частного дома получает, по большому счёту, сразу три независимые однофазные сети, которыми может распоряжаться по своему усмотрению. Для этого того чтобы получить однофазное напряжение 220 Вольт, нужно подключить один провод к фазе, а другой к нулю. Оно будет называться фазным. Напряжение между двумя фазами равняется 380 Вольт и называется линейное.
При поломке или аварийной ситуации на распределительной подстанции может отгореть одна или даже две фазы. При этом у владельца частного дома с тремя фазами как минимум освещение и холодильник будет работать. При этом нужно помнить, что для трёхфазных двигателей работа на две фазы повлечёт за собой неминуемый выход его из строя.

Учтите, и тут есть свои подводные камни. Трехфазная сеть нужна в том случае, если недостаточно мощности однофазной сети. И даже если однофазной недостаточно не нужно спешить подключать три фазы, лучше уточнить о возможности увеличения лимита мощности для однофазной сети — эта процедура намного проще, чем согласование и подключение трех фаз. Три фазы в обязательном порядке подключают в том случае, если нужно запитать трехфазные электродвигатели, которые не могут работать в однофазном режиме, либо в случае одновременного использования большого количества электроприборов, оборудования, например, если в доме большое хозяйство, налажено какое-то мелкое производство.

Также следует отметить еще несколько недостатков трехфазной системы электроснабжения. Один из минусов — необходимость равномерного распределения нагрузок по каждой из фаз. Второй недостаток — большая сложность в подключении, приобретении другого щитка, защитных аппаратов и т.д. Третий недостаток — большая опасность с точки зрения поражения током, так как в доме будет не только однофазное напряжение 220 В, но и линейное — 380 В

Как видите, преимущества питания потребителя от сети 380 Вольт не всегда очевидны. Теперь стоит разобраться, какие документы нужны для подключения трехфазной сети. Об этом мы сейчас и поговорим.

Определение расчетных нагрузок с учетом однофазных приемников

Лекция №6.

Определение расчетных нагрузок с учетом однофазных приемников.

На промышленных предприятиях наряду с трехфазными приемниками электроэнергии имеют место стационарные и передвижные приемники однофазного тока, подключаемые на фазное или линейное напряжение. При проектировании стремятся распределить мощности однофазных приемников по фазам трехфазной сети равномерно. Однако это не всегда удается. Считается, что распределение по фазам однофазных приемников выполнено, если суммарная номинальная мощность, остающаяся нераспределенной равномерно по фазам, не превышает 15% общей нагрузки узла системы электроснабжения (общей мощности трехфазных и однофазных приемников, распределенных по фазам равномерно). Если неравномерность превышает 15%, то определяют условную трехфазную номинальную мощность Рном. у

неравномерно распределенных приемников.

При числе неравномерно распределенных по фазам однофазных приемников менее четырех Рном. у

определяют упрощенными способами:

При включении однофазных приемников на фазные напряжения Рном. у

принимают равной утроенному значению номинальной мощности
Рном. м.ф
максимально загруженной фазы

Рном. у=3 Рном. м.ф

;

При включении однофазных приемников на линейное напряжение условную трехфазную номинальную мощность определяют:

а) при одном приемнике

Рном. у= ,

б) при двух-трех приемниках, включенных на разные линейные напряжения трехфазной сети

Рном. у=3рном. л

где рном. л

– номинальная мощность приемника наиболее загруженной фазы.

Если число неравномерно распределенных приемников более четырех, то условно трехфазную номинальную мощность определяют как утроенное значение номинальной мощности наиболее загруженной фазы. При этом наиболее загруженной фазой считают фазу, имеющую наибольшую среднюю нагрузку от однофазных приемников. Среднюю нагрузку каждой фазой при смешанном включении однофазных приемников (наиболее общий случай), когда часть приемников включена на фазное, с часть – на линейное напряжение, определяют суммированием однофазных нагрузок данной фазы (фаза-нуль) и однофазных нагрузок, включенных на линейное напряжение, приведенных к этой фазе и фазному напряжению с помощью коэффициентов приведения.

Формулы приведения однофазной нагрузки к трехфазной:

где Рс. м

– средняя активная нагрузка за наиболее загруженную смену,

Рн. АС

– максимальная линейная нагрузка,

r(АС)А

– коэффициент приведения линейной нагрузки к фазе А.

Формулы приведения реактивной мощности аналогичны.

Выбирается наиболее загруженная фаза и по ее нагрузке определяется трехфазная условная нагрузка:

Рс. м.у=3Рс. м.ф и

;
Qс. м.у=3Qс. м.ф
,

где Рс. м.ф и
Qс. м.ф
средние активные и реактивные нагрузки максимально загруженной фазы.

При совместной работе на трехфазную сеть однофазных и трехфазных приемников электроэнергии расчетную нагрузку узла системы электроснабжения определяют по формулам:

;

при эффективном числе приемников

;

при эффективном числе приемников

где n1,
m1
– число приемников трехфазного тока с переменным и практически постоянным графиком нагрузок;

n2,
m2
— число приемников однофазного тока с переменным и практически постоянным графиками нагрузок.

Определение пиковых нагрузок.

При проектировании систем электроснабжения в качестве пиковой нагрузки рассматривают пиковый ток.

Пиковый ток группы приемников, работающих при отстающем токе, определяют как арифметическую сумму наибольшего из пусковых токов двигателей, входящих в группу, и расчетного тока всей группы приемников за вычетом расчетного тока двигателя, имеющего наибольший пусковой ток:

где iп.max

– наибольший из пусковых токов двигателей группы приемников, определяемый по паспортным данным;

– расчетный ток группы приемников;

Kи. а

– коэффициент использования, характерный для двигателя, имеющего наибольший пусковой ток;

Iном.max

– номинальный ток двигателя (приведенный к ПВ=1) с наибольшим пусковым током.

Если число приемников электроэнергии в группе невелико и их установленные мощности значительно отличаются друг от друга, то при наличии в этой группе мощных синхронных двигателей пиковый ток определяют по формуле:

где Рср. м,
Qср. м
– соответственно средние активные и реактивные нагрузки приемников рассматриваемой группы за наиболее загруженную смену;

рср. м,
qср. м
– средние нагрузки пускаемого двигателя за наиболее загруженную смену;

Км

– коэффициент максимума для групп приемников, исключая пускаемый двигатель, может быть принят равным коэффициенту максимума по активной мощности, найденному для всей группы.

В качестве наибольшего пикового тока одного приемника принимают: для двигателей – пусковой ток, для печных и сварочных трансформаторов – пиковый ток, который принимают по паспортным данным. При отсутствии паспортных данных пусковой ток асинхронных с короткозамкнутым ротором и синхронных двигателей принимают равным 5-кратному номинальному току, пусковой ток двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором – 2-2,5-кратному номинальному, пиковый ток печных и сварочных трансформаторов – не менее 3-кратного номинального (без приведения к ПВ=1).

При самозапуске группы двигателей в качестве пускового тока принимают сумму пусковых токов этих двигателей.

Алгоритм определения расчетных электрических нагрузок.

1. Определение расчетной электрической нагрузки группы ЭП (используется метод упорядоченных диаграмм).

Группы собираются по 10-12 ЭП в группе исходя из ки

и
cosj
. Далее для группы определяют
nэф
затем находим расчетную нагрузку
Рр
для группы ЭП. Затем S для вех групп и находят
РрS
,
QрS
,
SрS
.

2 Определение расчетных электрических нагрузок потребителей (цехов).

(либо по кс

, либо статическим).

Если в цехе нагрузки разных напряжений, то Рр

определяется для потребителей каждого напряжения раздельно.

3 При определении на более высоких уровнях Рр

необходимо сначала учесть
DРр
,
DQр
– потери в трансформаторах.

Для определения потерь мощности в цеховых трансформаторах используются упрощенные формулы:

Прежде надо просуммировать все нагрузки по цехам.

4 Определение Рр

на уровне РП.

Основная задача: каждую реактивную мощность можно взять с высоковольтных источников и будем использовать СД как источники Q

Если будем использовать СД, то берем Qн

СД – это мощность источника, тогда:

QРП=Qp-QнСД

5 Определение расчетной нагрузки предприятия в целом.

крм

– коэффициент разновременности максимума.

РР0

– расчетная нагрузка освещения.

Qэ1

– наиболее экономичная реактивная мощность для передачи из энергосистем в систему электроснабжения предприятия в режиме max нагрузок.

Qэ1=0,3Рр

Qp-(Qэ1+QСД)=Qку.

Qку –

мощность компенсирующих устройств, т. е. та мощность, которую мы должны получить из дополнительных источников реактивной мощности.

— мощность получаемая из системы.

Qку

=0 – дополнительных компенсирующих устройств не требуется.

Qку<

0 более чем на 10% то экономически необоснованно применение лишних КУ.

Qку

>0 в пределах 10%, то можно не устанавливать источники реактивной мощности. Если больше, то надо установить КУ.

Разброс в 10% можно объяснить тем, что при расчетах не учитывались Qзар

КЛЭП.

Получить текст

Схемы трехфазных цепей

Обмотки генератора или трансформатора в трёхфазных цепях можно соединить между собой по двум схемам:

звезда;
треугольник.

Соединения выполняются на клеммнике (борно) агрегата или трансформатора, куда выводятся концы обмоток.

Соединение перемычками обмоток

Присоединение нагрузки к генератору (трансформатору) можно произвести по следующим схемам:

присоединение «звезда – звезда» с использованием нулевого проводника;
подключение «звезда – звезда» без использования нулевого провода;
подсоединение «звезда – треугольник»;
схема «треугольник – треугольник»;
соединение «треугольник – звезда».

Внимание! Такое разнообразие схем вызвано тем, что собственные обмотки генератора и собственные обмотки нагрузки могут быть соединены по-разному. При различных типах сопряжения получаются разные соответствия между фазными и линейными значениями

Соединение может быть выполнено на заводе при сборке генератора, к месту подсоединения питающего кабеля уже выведены вторые концы обмоток. Информация о схеме соединения обмоток наносится на прикреплённую к статору машины табличку.

На электрических двигателях, трансформаторах или иных потребителях также производят необходимые манипуляции по переключению выводов обмоток. На картинке, приведённой ниже, красным маркером отмечены концы обмоток, соединённые перемычкой. Синим маркером – фазы питания.

Соединения на борно двигателя

Соединение звездой

Буквенное обозначение начала обмоток – «А», «В», «С», концов – «X», «Y», «Z». Нулевая точка маркируется как «О». У каждой обмотки есть два конца. При соединении «звезда» все три одноименных вывода обмоток (начала) соединяются между собой в одну точку «О». К свободным концам подключается нагрузка.

Схема соединения обмоток «звездой»

Соединение треугольником

При выполнении этого присоединения на борно ставятся перемычки, включающие обмотки в следующей последовательности:

конец «А» – с началом «В»;
конец «В» – с началом «С»;
конец «С» – с началом «А».

Графическое изображение катушек становится похожим на треугольник, отсюда пошло название.

Когда хотят использовать подключаемый асинхронный двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, то его обмотки соединяют в треугольник. В этом случае фазные напряжения совпадают (Uл = Uф), линейный ток будет вычисляться по формуле:

Iл = √3*Iф.

Подключая в качестве нагрузки двигатель, необходимо учесть ряд нюансов:

достигается увеличение мощности в 1,5 раза;
повышается значение пускового тока, по сравнению с рабочим в 7 раз из-за тяжёлого запуска;
резкое увеличение нагрузки на валу электромашины будет вызывать резкое увеличение тока.

Из-за всего этого есть риск возникновения перегрева машины, что не происходит при соединении обмоток нагрузки по схеме «звезда». Там двигатель не расположен к перегреванию, и его пуск осуществляется плавно.

Включение обмоток по схеме «треугольник»

При двух видах включения обмоток различают и дают определение двум видам токов: линейному и фазному. Запомнить различия просто:

ток, протекающий через проводник, который соединяет источник с приёмником, называется линейным;
ток, движущийся по обмоткам источника или нагрузки, называется фазным.

Стоит обратить внимание на формулы мощности при различных схемах соединения источника с нагрузкой. Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:

Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:

P = 3*Uф*Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ,

где:

Uф – фазное напряжение;
Uл – линейное напряжение;
Iф – фазный ток;
Iл – линейный ток;
cosϕ – сдвиг фаз.

Мощность тока при схеме «треугольник» вычисляется по формуле:

P = 3* Uф* Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ.

К сведению

Обращать внимание на линейный и фазный токи необходимо тогда, когда генератор (источник) нагружается несимметрично при подключении нагрузки

Соединения в трёхфазной цепи

Подбираем номинал автоматического выключателя

Применив формулу I = P/209, получим, что при нагрузке с мощностью 1 кВт ток в однофазной сети будет 4,78 А. Напряжение в наших сетях не всегда равно в точности 220 В, поэтому не будет большой ошибкой силу тока считать с небольшим запасом как 5 А на каждый киловатт нагрузки. Сразу же видно, что в удлинитель, промаркированный «5 А», утюг мощностью 1,5 кВт включать не рекомендуется, так как ток будет в полтора раза превышать паспортную величину. А еще сразу можно «проградуировать» стандартные номиналы автоматов и определить, на какую нагрузку они рассчитаны:

6 А – 1,2 кВт;
8 А – 1,6 кВт;
10 А – 2 кВт;
16 А – 3,2 кВт;
20 А – 4 кВт;
25 А – 5 кВт;
32 А – 6,4 кВт;
40 А – 8 кВт;
50 А – 10 кВт;
63 А – 12,6 кВт;
80 А – 16 кВт;
100 А – 20 кВт.

С помощью методики «5 ампер на киловатт» можно оценить силу тока, возникающую в сети при подключении бытовых устройств. Интересуют пиковые нагрузки на сеть, поэтому для расчета следует использовать максимальную потребляемую мощность, а не среднюю. Эта информация содержится в документации на изделия. Вряд ли стоит самому рассчитывать этот показатель, суммируя паспортные мощности компрессоров, электродвигателей и нагревательных элементов, входящих в устройство, так как есть еще такой показатель, как коэффициент полезного действия, который придется оценивать умозрительно с риском сильно ошибиться.

При проектировании электропроводки в квартире или загородном доме не всегда доподлинно известны состав и паспортные данные электрооборудования, которое будет подключаться, но можно воспользоваться ориентировочными данными обычных для нашего быта электроприборов:

электросауна (12 кВт) — 60 А;
электроплита (10 кВт) — 50 А;
варочная панель (8 кВт) — 40 А;
электроводонагреватель проточный (6 кВт) — 30 А;
посудомоечная машина (2,5 кВт) — 12,5 А;
стиральная машина (2,5 кВт) — 12,5 А;
джакузи (2,5 кВт) — 12,5 А;
кондиционер (2,4 кВт) — 12 А;
СВЧ-печь (2,2 кВт) — 11 А;
электроводонагреватель накопительный (2 кВт) — 10 А;
электрочайник (1,8 кВт) — 9 А;
утюг (1,6 кВт) — 8 А;
солярий (1,5 кВт) — 7,5 А;
пылесос (1,4 кВт) — 7 А;
мясорубка (1,1 кВт) — 5,5 А;
тостер (1 кВт) — 5 А;
кофеварка (1 кВт) — 5 А;
фен (1 кВт) — 5 А;
настольный компьютер (0,5 кВт) — 2,5 А;
холодильник (0,4 кВт) — 2 А.

Как подключить проходной выключатель: схемы подключения

Расчет сечения кабеля по мощности: практические советы от профессионалов

Потребляемая мощность осветительных приборов и бытовой электроники невелика, в целом суммарную мощность осветительных приборов можно оценить в 1,5 кВт и автомата на 10 А на группу освещения достаточно. Бытовая электроника подключается к тем же розеткам, что и утюги, дополнительные мощности резервировать для нее нецелесообразно.

Если просуммировать все эти токи, цифра получается внушительная. На практике, возможности подключения нагрузки ограничивает величина выделенной электрической мощности, для квартир с электрической плитой в современных домах она составляет 10 -12 кВт и на квартирном вводе стоит автомат номиналом 50 А. И эти 12 кВт надо распределить, учитывая то, что самые мощные потребители сосредоточены на кухне и в ванной комнате. Проводка будет доставлять меньше поводов для беспокойства, если разбить ее на достаточное количество групп, каждая со своим автоматом. Для электроплиты (варочной панели) делается отдельный ввод с автоматом на 40 А и устанавливается силовая розетка с номинальным током 40 А, ничего больше туда подключать не надо. Для стиральной машины и другого оборудования ванной комнаты делается отдельная группа, с автоматом соответствующего номинала. Эту группу обычно защищают УЗО с номинальным током на 15% большим, чем номинал автоматического выключателя. Отдельные группы выделяют для освещения и для настенных розеток в каждой комнате.

На расчет мощностей и токов придется потратить некоторое время, но можно быть уверенным, что труды не пропадут даром. Грамотно спроектированная и качественно смонтированная электропроводка – залог комфорта и безопасности вашего жилища.