Трифазне електричне коло та трифазні електроприймачі

Трифазним електричним колом називають сукупність трьох однофазних кіл, у яких діє трифазна система електрорушійних сил (ЕРС), що генерується трифазними генераторами змінного струму. Окремі обмотки трифазного генератора називають фазами. У конструкції статора трифазного генератора фазні обмотки зсунуті у просторі на 120⁰. Оскільки у просторі генератора діє єдиний обертовий магнітний потік, то він індукує в обмотках трифазну систему ЕРС, початкові фази яких зсунуті у часі на третину періоду (на 120 електричних градусів. Миттєві значення трифазної системи ЕРС записуються такими рівняннями:

e_A = E_m sin ωt; e_B = E_m sin (ωt-120⁰); e_C= E_m sin (ωt+120⁰),

де E_m – амплітудне значення змінної ЕРС; ω – колова частота змінного струму; t – поточний час.

Сума ЕРС фаз генератора дорівнює нулю:

e_A+ e_B+ e_C= E_m sin ωt+ E_m sin (ωt-120⁰)+ E_m sin (ωt+120⁰)=0.

До кожної фазної обмотки генератора приєднують трифазні електроприймачі з електричним опором фаз відповідно Z_A, Z_B і Z_C.. Обмотки фаз генераторів сполучають за схемою “зірка”, а фази приймачів електричної енергії чи трансформаторів – за схемою “трикутник” або “зірка”.

У з’єднання за схемою “зірка” початки обмоток трьох фаз вільні чи сполучені з фазами лінії електропередавання, а кінці – сполучені між собою у спільну електричну точку, яку називають нейтральною точкою. Вивід початку обмотки наливають лінійним. Сказане стосується також обмоток трифазних трансформаторів, електричних двигунів, фаз інших електроприймачів.

Схема з’єднання, у якій початок обмотки наступної фази приєднано до кінця обмотки попередньої фази і таким чином трифазні обмотки творять замкнене коло, називається з’єднанням у “трикутник”. Так само можуть з’єднуватися фази приймачів електроенергії, трансформаторів та двигунів. Проводи лінії електропередавання у цьому разі приєднують до вершин трикутника, які стають лінійними виводами.

Трифазні електричні кола бувають трипровідними та чотирипровідними.

Трифазні електричні мережі класифікують за значеннями лінійної напруги, які визначені стандартом. В Україні є електромережі з такими стандартними значеннями лінійних напруг: 400, 660, 6000, 10000, 35000, 110000, 220000, 330000, 500000, 750000 В. Номінальними напругами трифазних електроприймачів також вважають лінійні напруги.

На рис. 2.2 наведена схема трифазного чотирипровідного кола. У цьому колі три проводи лінії електропередавання є фазними проводами і позначаються А, В й С ( у міжнародній системі їх позначають L1, L2, L3), а четвертий (нульовий) провід – це провід, що сполучений з нейтральною точкою 0 обмотки генератора чи трансформатора (у міжнародній системі - N).

Рис. 2.2. Чотирипровідне коло трифазного струму	Рис. 2.3. Трипровідне коло трифазного струму

У чотирипровідному колі напруга на обмотці фази генератора та на опорах навантаження, що вимірюється між лінійним і нейтральним виводом називається фазною напругою. У симетричному колі значення фазних напруг різних фаз рівні між собою: U_A=U_B=U_C=U_Ф. Напруга між лінійними виводами чи між проводами різних фаз лінії називається лінійною напругою. Лінійна напруга у раз більша від фазної: U_AB=U_BC=U_CA=U_Л = U_Ф. Струми, що проходять у фазах генератора і приймача називаються фазними струмами, а струми у проводах лінії – лінійними. Як видно з рис. 2.1 фазні та лінійні струми у чотирипровідній мережі рівні між собою. За умови симетрії трифазного кола сума струмів фаз і струм у нульовому проводі дорівнюють нулю: і_А+і_В+і_С=і₀=0. Симетричним називається трифазне електричне коло у якому модулі опорів фаз навантаження та їх характер однакові (комплекси опорів фаз рівні між собою): Z_AB=Z_BC=Z_CA .

Трипровідне коло може бути утворене з чотирипровідного, якщо зі схеми вилучити нульовий (нейтральний) провід. У такій схемі нейтральні точки обмоток генератора та навантаження не з’єднують між собою. Трипровідне коло виникає й тоді, коли опори фаз приймача з’єднані за схемою “трикутник” (наприклад, як на рис. 2.3). У цій схемі в фазах навантаження проходять фазні струми і_АВ, і_ВС та і_СА, а у проводах лінії – лінійні струми і_А, і_В та і_С. Між діючими значеннями цих струмів у симетричному колі існує таке співвідношення:

І_А=І_В=І_С=І_Л= І_АВ= І_ВС= І_СА= І_Ф..

До фазних опорів навантаження прикладається лінійна напруга, яка у схемі з’єднання “трикутник” дорівнює напрузі на фазі - фазній напрузі. Між діючими значеннями напруг існує таке співвідношення: U_AB=U_BC=U_CA=U_Л=U_Ф.

У трифазному електричному колі потужність визначається як сума потужностей, що споживається приймачами окремих фаз, або сума потужностей фаз генератора (трансформатора):

- активна потужність ;

- реактивна потужність ;

- повна потужність .

Коефіцієнт потужності кожної фази приймача електричної енергії можна визначити зі співвідношення опорів фаз:

.

Трифазні кола класифікують за значенням лінійної напруги, які визначені стандартом. У наступних розділах подані сучасні стандартні конструкції трифазних мереж напругою нижче 1000 В.