Třífázový proud, výhody třífázového proudu při použití

Výhody třífázového proudu jsou zřejmé pouze elektrotechnickým specialistům. Co je to třífázový proud, je pro běžného člověka velmi vágní. Vyjasněme nejistotu.

Třífázový střídavý proud

Většina lidí, s výjimkou specializovaných elektrikářů, má velmi mlhavou představu o tom, co je takzvaný „třífázový“ střídavý proud, a jsou často zmateni, co se týče síly proudu, napětí a elektrického potenciálu. stejně jako moc.

Zkusme tomu dát počáteční pochopení jednoduchým jazykem. Abychom toho dosáhli, pojďme k analogii. Začněme tím nejjednodušším – tokem stejnosměrného proudu ve vodičích. Dá se to přirovnat k vodnímu toku v přírodě. Voda, jak víme, vždy teče z vyššího bodu na povrchu do nižšího. Vždy volí nejekonomičtější (nejkratší) cestu. Analogie s tokem proudu je kompletní. Navíc množství vody protékající za jednotku času určitým úsekem toku bude podobné síle proudu v elektrickém obvodu. Výška libovolného bodu koryta řeky vzhledem k nulovému bodu – hladině moře – bude odpovídat elektrickému potenciálu kteréhokoli bodu v řetězci. A rozdíl ve výšce libovolných dvou bodů na řece bude odpovídat napětí mezi dvěma body okruhu.

Pomocí této analogie si snadno v duchu představíte zákony toku stejnosměrného elektrického proudu v obvodu. Čím vyšší je napětí – výškový rozdíl, tím větší je rychlost proudění a tím i množství vody protékající řekou za jednotku času.

Vodní tok, stejně jako elektrický proud, zažívá při svém pohybu odpor koryta – po kamenitém korytě bude voda prudce proudit, měnit směr, mírně se ohřívat (bouřlivé toky ani při velkých mrazech nezamrzají kvůli k ohřevu z odporu koryta). V hladkém kanálu nebo potrubí bude voda proudit rychle a v důsledku toho za jednotku času projde kanálem mnohem více vody než klikatým a skalnatým kanálem. Odpor proti proudění vody je přesně stejný jako elektrický odpor v obvodu.

Nyní si představte uzavřenou láhev s trochou vody. Pokud začneme touto lahví otáčet kolem příčné osy, pak voda v ní bude proudit střídavě od hrdla ke dnu a naopak. Tato myšlenka je analogií střídavého proudu. Zdálo by se, že stejná voda teče tam a zpět, tak co? Tento střídavý proud vody je však schopen vykonávat práci.

Kde se vzal koncept střídavého proudu?

Ano, od té doby, co se lidstvo naučilo, že pohyb magnetu v blízkosti vodiče způsobuje elektrický proud ve vodiči. Je to pohyb magnetu, který způsobuje proud, pokud je magnet umístěn vedle drátu a nepohybuje se, nezpůsobí žádný proud ve vodiči. Dále chceme přijímat (generovat) proud ve vodiči, abychom jej v budoucnu mohli použít k nějakému účelu. Za tímto účelem vytvoříme cívku z měděného drátu a začneme v její blízkosti pohybovat magnetem. Magnet lze v blízkosti cívky libovolně posouvat – posouvat s ním po přímce tam a zpět, ale abyste s magnetem nehýbali rukama, je vytvoření takového mechanismu technicky náročnější, než s ním jen začít otáčet v blízkosti cívky, podobně jako otáčení láhve s vodou z předchozího příkladu. Právě tímto způsobem jsme – z technických důvodů – získali sinusový střídavý proud, který se dnes používá všude. Sinusovka je časově rozšířený popis rotace.

Později se ukázalo, že zákony toku střídavého proudu v obvodu se liší od toku stejnosměrného proudu. Například pro tok stejnosměrného proudu se odpor cívky jednoduše rovná ohmickému odporu vodičů. A pro střídavý proud se odpor cívky drátu výrazně zvyšuje v důsledku výskytu takzvané indukční reaktance. Stejnosměrný proud neprochází nabitým kondenzátorem, kondenzátor je otevřený obvod. A střídavý proud je schopen volně protékat kondenzátorem s určitým odporem. Dále bylo zjištěno, že střídavý proud lze pomocí transformátorů přeměnit na střídavý proud jiných napětí nebo proudů. Stejnosměrný proud se k takové transformaci nehodí, a pokud zapneme jakýkoli transformátor do sítě stejnosměrného proudu (což je absolutně nemožné), nevyhnutelně se spálí, protože stejnosměrnému proudu bude vzdorovat pouze ohmický odpor. drátu, který je vyroben co nejmenší, a primárním vinutím poteče v režimu zkratu velký proud.

Všimněte si také, že elektromotory mohou být navrženy tak, aby fungovaly na stejnosměrný i střídavý proud. Rozdíl mezi nimi je však tento: stejnosměrné elektromotory jsou obtížnější na výrobu, ale umožňují plynule měnit rychlost otáčení pomocí konvenčního reostatu, který reguluje sílu proudu. A střídavé elektromotory jsou mnohem jednodušší a levnější na výrobu, ale otáčejí se pouze jednou rychlostí, určenou konstrukcí. Obojí se proto v praxi hojně využívá. Podle účelu. Pro účely řízení a regulace se používají stejnosměrné motory a střídavé motory jako elektrárny.

Dále se návrhová myšlenka vynálezce generátoru posunula přibližně tímto směrem – pokud je nejvhodnější použít rotaci magnetu vedle cívky pro generování proudu, proč místo toho neumístit několik cívek kolem rotujícího magnetu jedné cívky generátoru (tam je kolem tolik místa)?

Okamžitě získáte něco, co vypadá jako několik generátorů poháněných jedním rotujícím magnetem. Kromě toho se střídavý proud v cívkách bude lišit ve fázi – maximální proud v následujících cívkách bude poněkud zpožděn ve srovnání s předchozími. To znamená, že současné sinusoidy, pokud jsou znázorněny graficky, budou jakoby posunuty mezi sebou. Touto důležitou vlastností je fázový posun, o kterém budeme hovořit níže.

Přibližně tímto způsobem vynalezl americký vynálezce Nikola Tesla nejprve střídavý proud a poté systém generování třífázového proudu se šesti dráty. Umístil tři cívky kolem magnetu ve stejných vzdálenostech v úhlech 120 stupňů, pokud je osa rotace magnetu brána jako střed úhlů.

(Počet cívek (fází) může být ve skutečnosti libovolný, ale pro získání všech výhod, které systém generování vícefázového proudu poskytuje, stačí minimálně tři).

Dále ruský elektroinženýr Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolsky vyvinul vynález N. Tesly, nejprve navrhl tří- a čtyřvodičový systém pro přenos třífázového střídavého proudu. Navrhl připojit jeden konec všech tří vinutí generátoru k jednomu bodu a přenášet elektřinu pouze čtyřmi dráty. (Úspory na drahých neželezných kovech jsou značné). Ukázalo se, že při symetrickém zatížení každé fáze (stejný odpor) je proud v tomto společném vodiči nulový. Protože při sečtení (algebraicky, s přihlédnutím ke znaménkům) fázově posunutých proudů o 120 stupňů se navzájem ruší. Tento společný vodič se nazýval neutrální. Protože proud v něm vzniká pouze při nerovnoměrném zatížení fází a numericky je malý, mnohem menší než fázové proudy, bylo možné použít drát menšího průřezu jako „nulový“ drát než pro fázi. dráty.

Ze stejného důvodu (fázový posun o 120 stupňů) se ukázaly třífázové transformátory jako materiálově mnohem méně náročné, protože v magnetickém jádru transformátoru dochází k vzájemné absorpci magnetických toků a lze ji vyrobit s menším příčným sekce.

Dnes je třífázový napájecí systém realizován čtyřmi vodiči, tři z nich se nazývají fáze a jsou označeny latinskými písmeny: u generátoru – A, B a C, u spotřebitele – L1, L2 a L3. Nulový vodič je označen 0.

Napětí mezi nulovým vodičem a kterýmkoli z fázových vodičů se nazývá fáze a ve spotřebitelských sítích je 220 voltů.

Mezi fázovými vodiči je také napětí a mnohem vyšší než fázové napětí. Toto napětí se nazývá lineární a ve spotřebitelských obvodech je 380 voltů. Proč je větší než fáze? Ano, to vše je způsobeno fázovým posunem o 120 stupňů. Pokud je tedy na jednom vodiči například v daném okamžiku potenciál plus 200 voltů, pak na druhém fázovém vodiči ve stejném okamžiku bude potenciál mínus 180 voltů. Napětí je rozdíl potenciálů, to znamená, že bude + 200 – (-180) = +380 V.

Vyvstává otázka: pokud nulovým vodičem neprotéká žádný proud, je možné jej úplně odstranit. Může. A získáme třívodičový napájecí systém. S připojením spotřebitelů v takzvaném „trojúhelníku“ – mezi fázovými vodiči. Je však třeba poznamenat, že při nerovnoměrném zatížení na stranách „trojúhelníku“ bude generátor vystaven destruktivnímu zatížení, takže tento systém lze použít s velkým počtem spotřebitelů, když se nerovnoměrné zatížení vyrovná. Tímto způsobem se provádí přenos elektřiny z velkých elektráren při vysokém fázovém a síťovém napětí (stovky tisíc voltů). Proč se používá tak vysoké napětí? Odpověď je jednoduchá – snížit tepelné ztráty v drátech. Protože ohřev vodičů (ztráta energie) je úměrný druhé mocnině protékajícího proudu, je žádoucí, aby protékající proud byl minimální. Abyste přenášeli požadovaný výkon při minimálním proudu, musíte zvýšit napětí. Takto se označují vedení pro přenos energie (PTL), např. PTL – 500 – jedná se o vedení pro přenos energie o napětí 500 kilovoltů.

Mimochodem, ztráty v drátech elektrického vedení lze dále snížit použitím vysokonapěťového stejnosměrného přenosu (přestane fungovat kapacitní složka ztrát působících mezi dráty), i takové experimenty byly provedeny, ale takový systém nebyl přesto se rozšířily, zřejmě kvůli větším úsporám drátů s třífázovým generovacím systémem.

Závěry: výhody třífázového systému

Na konci článku si shrňme – jaké výhody poskytuje třífázový systém výroby a napájení?

1. Úspora počtu vodičů potřebných k přenosu elektřiny. Vzhledem ke značným vzdálenostem (stovky a tisíce kilometrů) a skutečnosti, že se na dráty používají barevné kovy s nízkým elektrickým odporem, jsou úspory poměrně značné.
2. Třífázové transformátory se stejným výkonem jako jednofázové transformátory mají výrazně menší velikosti magnetického jádra. To vám umožní získat značné úspory.
3. Je velmi důležité, že třífázový elektrický přenosový systém vytváří, když je spotřebič připojen na tři fáze, jakési rotující elektromagnetické pole. Opět kvůli fázovému posunu. Tato vlastnost umožnila vytvořit extrémně jednoduché a spolehlivé třífázové elektromotory, které nemají komutátor a rotor je ve skutečnosti jednoduchý „přířez“ v ložiskách, ke kterému není třeba připojovat žádné vodiče. (Ve skutečnosti má konstrukce rotoru nakrátko své vlastní charakteristiky a vůbec nejde o polotovar) Jedná se o tzv. třífázové asynchronní elektromotory s rotorem nakrátko. Dnes velmi rozšířené jako elektrárny. Pozoruhodnou vlastností takových motorů je schopnost změnit směr otáčení rotoru na opačný směr pouhým přepnutím libovolných dvou fázových vodičů.
4. Možnost získání dvou provozních napětí v třífázových sítích. Jinými slovy, změňte výkon elektromotoru nebo topné instalace pouhým přepnutím přívodních vodičů.
5. Schopnost výrazně omezit blikání a stroboskopický efekt lamp používajících zářivky umístěním tří lamp do lampy, napájených z různých fází.

Díky těmto výhodám se ve světě rozšířily třífázové napájecí systémy.

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