Напряжение при подключении звездой и треугольником. В чём отличие соединений асинхронных двигателей: звездой и треугольником? Запуск трехфазного электродвигателя с переключением со звезды на треугольник

Асинхронный двигатель питается от трехфазной сети переменного тока. Для работы может использоваться соединение треугольником и звездой. Для того чтобы все смогло стабильно работать, необходимо применять созданные для этого специальные перемычки, будь то соединение звездой или треугольником. Это наиболее удобные варианты для соединения и, соответственно, имеющие высокую степень надежности.

Отличия соединений

Для начала следует выяснить, в чем разница звезды и треугольника. Если подойти к подобному вопросу с точки зрения электротехники, то первый вариант дает возможность двигателю работать более плавно и мягко. Но есть один момент : двигатель не сможет выйти на полную мощность, которая представлена в характеристиках технического плана.

Соединение треугольником дает возможность двигателю в скором времени достичь максимальной мощности. Следовательно, на полную мощность применяется КПД устройства. Однако, есть серьезный недостаток, который заключается в больших пусковых токах.

Борьба с такими явлениями, как высокие показатели пусковых токов, состоит в подключении к схеме реостата пуска. Это дает возможность осуществить гораздо более плавный пуск двигателя и улучшить его рабочие характеристики.

Подключение звездой

Соединение звездой заключается в том, что концы всех 3 обмоток воссоединяются в общую точку под названием нейтраль. Если в наличии имеется нейтральный провод, то такая схема считается четырехпроводной, при его отсутствии - она трехпроводная.

Начало у выводов закрепляется к определенным фазам сети питания. Напряжение, которое приложено к этим фазам, равняется 380 вольтам или 660 вольтам. К основным плюсам такой схемы следует отнести:

• Безостановочная работа двигателя на протяжении длительного времени и с устойчивостью.
• Благодаря понижению мощности оборудования повышаются надежность и время эксплуатации для схемы звезда.
• Пуск привода электрического типа благодаря такому соединению обладает повышенной плавностью.
• Есть возможность для влияния на параметры кратковременной перегрузкой.
• При работе корпус у оборудования не станет доступен для перегрева.

Имеется оборудование с соединением обмоток внутри. Поскольку на колодку подобного оборудования ставят только три вывода, то прочие методы соединения не могут быть применимы. Такое исполнение не требует наличия квалифицированных специалистов.

Схема треугольником

Вместо схемы звезда можно использовать соединение треугольником, суть которого в соединении концов и начал обмоток последовательным образом. Конец у обмотки фазы С замыкает цепь и создает целый контур. За счет такой формы получающаяся схема будет более эргономичной.

На каждой из обмоток имеется линейное напряжение 220 или 380 вольт. Из основных достоинств схемы имеются :

1. Мощность электрических двигателей достигает наивысшего значения.
2. Применение соответствующего реостата для более плавного пуска.
3. Значительно увеличенный момент вращения.
4. Высокие показатели тяговых усилий.

Применяют треугольник в таких механизмах, где требуются весомые пусковые нагрузки и энергия для мощных механизмов. Значительный момент вращения достигается ростом показателей ЭДС самоиндукции. Вызвано такое явление большими токами протекания.

Комбинация из звезды и треугольника

Если конструкция сложного типа, то используют комбинированный метод звезды и треугольника. Использование подобного способа ведет к тому, что сильно возрастает мощность. Но в случае, когда двигатель не может подойти по техническим характеристикам, все будет перегреваться и сгорит.

Чтобы снизить линейное напряжение в обмотках статора, следует применить схему звезда. После снижения протекающего тока начнется увеличение частоты. Схема релейно-контактного типа помогает переключить треугольник на звезду.

Именно эта комбинация выдает наибольшую надежность и значительную продуктивность применяемого оборудования без опасений в плане выхода из строя. Эта схема эффективна для двигателей, где задействована облегченная схема пуска. Но при понижении пускового тока и неизменном моменте ее применять не стоит. Альтернативой служит фазный ротор с реостатом для пуска.

Ток во время пуска двигателя в 7 раз превосходит рабочий ток. Мощность в полтора раза выше при соединении треугольником, пуск с высокой плавностью при этом получается с помощью проводов частотного типа.

Метод воссоединения звездой требует учета того момента, что нужно исправлять перекосы фаз, иначе есть риск выхода оборудования из строя.

Линейные и фазные напряжения при треугольнике равняются между собой. Если требуется включить двигатель в бытовую сеть, то нужен фазосдвигающего вида конденсатор. Таким образом, использование схемы треугольником или звездой зависит от конструкции двигателя и требований бытовой сети. Потому следует внимательно смотреть на показатели двигателя и необходимые параметры, которые требуется увеличить для более эффективной работы конструкции.

При создании любого прибора важно не только подобрать необходимые детали, но и верно их все соединить. И в рамках данной статьи будет рассказано про соединение звездой и треугольником. Где это применяется? Как схематически данное действие выглядит? На эти, а также другие вопросы и будут даны ответы в рамках статьи.

Что собой представляет трёхфазная система электроснабжения?

Она является частным случаем многофазных систем построения электрических цепей для переменного тока. В них действуют созданные с помощью общего источника энергии синусоидальные ЭДС, обладающие одинаковой частотой. Но при этом они сдвинуты относительно друг друга на определённую величину фазового угла. В трехфазной системе он равняется 120 градусам. Шестипроводная (часто ещё называемая многопроводной) конструкция для переменного тока была изобретена в своё время Николой Теслой. Также значительный вклад в её развитие внёс Доливо-Добровольский, который первым предложил делать трёх- и четырепроводные системы. Также он обнаружил ряд преимуществ, которые имеют трехфазные конструкции. Что же собой представляют схемы включения?

Схема звезды

Так называют соединение, при котором концы фаз обмоток генератора соединяют в общую точку. Её называют нейтралью. Концы фаз обмоток потребителя также соединяются в одну общую точку. Теперь к проводам, которые их соединяют. Если он находится между началом фаз потребителя и генератора, его называют линейным. Провод, который соединяет нейтрали, обозначают как нейтральный. Также от него зависит название цепи. Если есть нейтральный, схема называется четырёхпроводной. В ином случае она будет трёхпроводной.

Треугольник

Это тип соединения, в котором начало (Н) и конец (К) схемы находятся в одной точке. Так, К первой фазы подсоединён у Н второй. Её К соединяется с Н третьей. А её конец соединён с началом первой. Такую схему можно было бы назвать кругом, если не особенность её монтирования, когда более эргономичным является размещение в виде треугольника. Чтобы узнать все особенности соединения, ознакомитесь с ниже приведёнными видами соединений. Но до этого ещё немного информации. Чем отличается соединение звездой и треугольником? Разница между ними заключается в том, что по-разному соединяются фазы. Также существуют определённые отличия в эргономичности.

Виды

Как можно понять из рисунков, существует довольно много вариантов реализации включения деталей. Сопротивления, которые возникают в таких случаях, называют фазами нагрузки. Выделяют пять видов соединений, по которым может быть подключен генератор к нагрузке. Это:

1. Звезда-звезда. Вторая используется с нейтральным проводом.
2. Звезда-звезда. Вторая используется без нейтрального провода.
3. Треугольник-треугольник.
4. Звезда-треугольник.
5. Треугольник-звезда.

А что это за оговорки в первом и втором пунктах? Если вы уже успели задаться этим вопросом, прочитайте информацию, которая идёт к схеме звезды: там есть ответ. Но здесь хочется сделать небольшое дополнение: начала фаз генераторов обозначаются с применением заглавных букв, а нагрузки - прописными. Это относительно схематического изображения. Теперь по опыту использования: когда выбирают направление протекания тока, в линейных проводах делают так, чтобы он был направлен со стороны генератора к нагрузке. С нулевыми поступают полностью наоборот. Посмотрите, как выглядит схема соединения звезда-треугольник. Рисунки очень хорошо наглядно показывают, как и что должно быть. Схема соединения обмоток звезда/треугольник представлены в разных ракурсах, и проблем с их пониманием быть не должно.

Преимущества

Каждая ЭДС работает в определённой фазе периодического процесса. Для обозначения проводников используют латинские буквы A, B, C, L и цифры 1, 2, 3. Говоря про трехфазные системы, обычно выделяют такие их преимущества:

1. Экономичность при передаче электричества на значительные расстояния, которое обеспечивает соединение звездой и треугольником.
2. Малая материалоёмкость трехфазных трансформаторов.
3. Уравновешенность системы. Данный пункт является одним из самых важных, поскольку позволяет избежать неравномерной механической нагрузки на электрогенерирующую установку. Из этого вытекает больший срок службы.
4. Малой материалоёмкостью обладают силовые кабели. Благодаря этому при одинаковой потребляемой мощности в сравнении с однофазными цепями уменьшаются токи, которые необходимы, чтобы поддерживать соединение звездой и треугольником..
5. Можно без значительных усилий получить круговое вращающееся магнитное поле, что необходимо для работоспособности электрического двигателя и целого ряда других электротехнических устройств, работающих по похожему принципу. Это достигается благодаря возможности создания более простой и одновременно эффективной конструкции, что, в свою очередь, вытекает из показателей экономичности. Это ещё один значительный плюс, который имеет соединение звездой и треугольником.
6. В одной установке можно получить два рабочих напряжения - фазное и линейное. Также можно сделать два уровня мощности, когда присутствует соединение по принципу «треугольника» или «звезды».
7. Можно резко уменьшать мерцание и стробоскопический эффект светильников, работающих на люминесцентных лампах, пойдя по пути размещения в нём устройств, питающихся от разных фаз.

Благодаря вышеуказанным семи преимуществам трехфазные системы сейчас являются наиболее распространёнными в современной электронике. Соединение обмоток трансформатора звезда/треугольник позволяет подобрать оптимальные возможности для каждого конкретного случая. К тому же неоценимой является возможность влиять на напряжение, передающееся по сетям к домам жителей.

Заключение

Данные системы соединения являются самыми популярными благодаря своей эффективности. Но следует помнить, что работа идёт с высоким напряжением, и необходимо соблюдать крайнюю осторожность.

Для работы электрического прибора, двигателя, трансформатора в трехфазной сети необходимо соединить обмотки по определенной схеме. Наиболее распространенными схемами соединения являются треугольник и звезда, хотя могут применяться и другие способы соединения.

Что представляет собой соединение обмоток звездой?

Трехфазный двигатель или трансформатор имеет 3 рабочих , независимых друг от друга обмоток. Каждая обмотка имеет два вывода — начало и конец. Соединение «звезда» подразумевает собой, что все концы трех обмоток соединяются в один узел, часто называемый нулевой точкой. Отсюда выходит и понятие — нулевая точка.

Начало каждой обмотки соединяются непосредственна с фазами питающей сети. Соответственно начало каждой обмотки соединяется с одной из фаз А, В, С. Между любыми двумя началами обмоток прилаживается фазное напряжение питающей сети, зачастую 380 или 660 В.

Что представляет собой соединение обмоток в треугольник?

Соединение обмоток в треугольник заключается в соединении конца каждой обмотки с началом следующей. Конец первой обмотки, соединяется с началом второй. Конец второй — с начало третей. Конец третей обмотки создает электрический контур, поскольку замыкает электрическую цепь.


При таком соединении к каждой обмотки прилаживается линейное напряжение, обычно равное 220 или 380 В. Такое соединение физически реализуется с помощью металлических перемычек, которые должны быть предусмотрены заводской комплектацией электрического оборудования.

Разница между соединением обмотки в треугольник и звезду

Основная разница заключается в том, что, используя одну питающую сеть, можно достигать разных параметров электрического напряжения и тока в приборе или аппарате. Конечно, данные способы соединения отличаются реализацией, но важна именно физическая составляющая отличия.

Наиболее часто применяется соединение обмоток в звезду, что объясняется щадящим режимом для электрического привода или трансформатора. При соединении обмоток в звезду, ток протекающий по обмоткам имеет меньшие значение нежели при соединении в треугольник. В тот момент, как напряжение больше на величину корня из 1,4.

Применение способа соединения треугольник, зачастую используется в случаях мощных механизмов и больших пусковых нагрузок. Имея большие показатели тока, протекающего по обмотки, двигатель получает большие показатели ЕДС самоиндукции, что в свою очередь гарантирует больший вращающий момент. Имея большие пусковые нагрузки и одновременно используя схему соединения звезда, можно нанести урон двигателю. Это связано с тем, что двигатель имеет меньшие значение тока, что приводит к меньшим показателям величины вращающегося момента.

Момент пуска такого двигателя и выход его на номинальные параметры может быть продолжительным, что может привести к тепловому воздействию тока, которые во время коммутации может превышать номиналы тока в 7-10 раз .

Преимущества соединения обмоток в звезду

Основные преимущества соединения обмоток в звезду заключаются в следующем:

• Понижения мощности оборудования с целью повышения надежности.
• Устойчивый режим работы.
• Для электрического привода такое соединение дает возможность плавного пуска.

Некоторое электрическое оборудование, которое не предназначены для работы на других способах соединения, имеет внутренне соединение концов обмоток. На клеммник выводится лишь три вывода, которые представляют собой начало обмоток. Такое оборудование легче в подключении и может монтироваться в отсутствии грамотных специалистов.

Преимущества соединения обмоток в треугольник

Основными преимуществами соединения обмоток в треугольник являются:

1. Повышения мощности оборудования.
2. Меньшие пусковые токи.
3. Большой вращающийся момент.
4. Увеличенные тяговые свойства.

Оборудование с возможностью переключения типа соединения со звезды на треугольник

Зачастую электрическое оборудование имеет возможность работать как на звезде, так и на треугольнике. Каждый пользователь должен самостоятельно определить необходимость соединения обмоток в звезду или треугольник.

В особо мощных и сложных механизмах, может применяться электрическая схема с комбинированием треугольника и звезды . В таком случае, в момент пуска, обмотки электрического двигателя соединяются в треугольник. После выхода двигателя на номинальные показатели, с помощью релейно-контакторной схемы треугольник переключается на звезду. Таким способом достигается максимальная надежность и продуктивность электрической машины, без риска нанести ей урон или вывести её из строя.

Посмотрите так-же интересное видео на эту тему:

Трехфазный электродвигатель - это электрическая машина, предназначенная для работы в переменного тока. Такой двигатель состоит из статора и ротора. Статор имеет три обмотки, сдвинутые на сто двадцать градусов. При появлении в цепи обмоток трехфазного напряжения на полюсах образуются магнитные потоки, происходит вращение ротора. Электродвигатели бывают синхронными и асинхронными. Трехфазные получили широкое применение в промышленности и в быту. Такие двигатели бывают односкоростными, в таком случае обмотки двигателя соединяют по схеме «звезда» или «треугольник», и многоскоростными. Последние агрегаты переключаемые, в таком случае происходит переход с одной схемы подключения на другую.

Трехфазные электродвигатели разделяют по схемам соединения обмоток. Существует две схемы подключения - соединение «звездой» и «треугольником». Подключение обмоток двигателя по типу «звезда» представляет собой соединение концов обмоток двигателя в одну точку (нулевой узел): получается дополнительный вывод - нулевой. Свободные концы подключаются к фазам сети электрического тока 380 В. Внешне такое подключение напоминает трехконечную звезду. На фото показана следующая схема: соединение «звездой» и «треугольником».Подключение обмоток электродвигателя по типу «треугольник» представляет собой обмоток: конец первой соединяют с началом второй обмотки, конец второй - с началом третьей, а конец третьей с началом первой. На узлы соединения обмоток подается трехфазное напряжение. При таком подключении обмоток нулевой вывод отсутствует. Внешне оно напоминает треугольник.

Соединение «звездой» и «треугольником» одинаково распространены, они не имеют значительных отличий. Для соединения обмоток по типу «звезда» (при работе двигателя в номинальном режиме) линейное напряжение должно быть больше, чем при подключении по типу «треугольник». Поэтому в характеристиках трехфазного двигателя указывают следующим образом: 220/380 В либо 127/220 В. В случае необходимости с номинальным обмотки требуется соединять по типу «звезда», а номинальным напряжением двигателя будет 380/660 В (по типу «треугольник»).

Следует отметить, что часто используется комбинированное подключение «звездой» и «треугольником». Это делается с целью более плавного пуска электродвигателя. При пуске используется подключение типа «звезда», а затем с помощью специального реле происходит переключение на «треугольник», таким образом, уменьшается пусковой ток. Подобные схемы рекомендуется применять для пуска электродвигателей большой мощности, требующих большого пускового тока. Важно помнить, что при этом пусковой ток превышает номинальный в семь раз.

Существуют и другие комбинации при подключении электродвигателей, например соединение «звездой» и «треугольником» может заменяться двойной, тройной «звездой», а также иными вариантами подключения. Такие способы применяют для многоскоростных (двух-, четырех- и т. д.) электродвигателей.

Расположим на чертеже изображения трех обмоток ax , by и cz трехфазного генератора под углами 120° так, как это сделано на рисунке 1, а . Присоединим к каждой обмотке нагрузку. В данном случае это сопротивления z a , z b и z c . На практике нагрузкой могут быть лампы, печи, электродвигатели и другие электроприемники. Для соединения обмоток генератора с нагрузками потребовалось шесть проводов. В каждый момент времени три из них являются прямыми – ток по ним идет от генератора к нагрузке. Другие три провода – обратные.

Векторы E a , E b и E c расположены параллельно обмоткам и изображают их электродвижущие силы (э. д. с.). Напряжения U a , U b и U c меньше соответствующих э. д. с. на величину в обмотках. Направления токов I a , I b и I c изображены стрелками.

Объединение трех обратных проводов в один дает четырехпроводную схему (рисунок 1, б ). В ней провода, присоединенные к выводам генератора а , b и с , называются линейными (или просто ). Общий провод называют либо нейтральным на том основании, что он в равной степени принадлежит любой фазе, либо нулевым , так как в ряде случаев ток в нем I 0 равен нулю.

Естественно, возникает вопрос: может ли равняться нулю ток в проводе, по которому в генератор должны возвращаться токи трех фаз? Ответ дает рисунок 1, в , где векторами изображены токи I a , I b и I c (сумма которых образует ток I 0) и произведено их сложение. Сначала сложены токи двух фаз, затем их сумма сложена с током третьей фазы. В итоге получен нуль, так как геометрическая сумма токов двух фаз, что отчетливо видно на рисунке 1, в , по величине равна току третьей фазы b и направлена прямо противоположно.

Рисунок 1. Соединение в звезду трехфазного генератора.

Физический смысл полученного результата состоит в том, что благодаря между токами в каждый момент времени токи в одних линейных проводах идут от генератора, в других – к генератору. Иными словами, одни из них являются прямыми, другие – обратными. Роль линейных проводов в качестве прямых и обратных, понятно, непрерывно меняется, но так или иначе при равномерной (одинаковой) нагрузке фаз на долю нулевого провода тока не остается.

При равномерной нагрузке фаз нулевого провода не делают, получая, таким образом, трехпроводную схему (рисунок 1, г ).

При неравномерной нагрузке в четырехпроводной схеме по нулевому проводу идет только небаланс токов. Поэтому сечение нулевого провода не больше сечения линейных проводов, а, как правило, вдвое меньше. Подробнее вопрос о сечении нулевого провода рассмотрен ниже.

Независимо от того, выполнена схема с шестью, четырьмя или тремя проводами (что для практики, конечно, не безразлично, во-первых, потому что трехпроводные схемы дешевле и, во-вторых, потому что каждая схема обладает определенными свойствами и предназначена для определенных условий), система не перестает быть трехфазной.

Электродвижущие силы E a , E b и E c , напряжения U a , U b и U c и токи I a , I b и I c каждой фазной обмотки называют фазными . Напряжения U ab , U bc и U ca , действующие между линейными проводами, а также токи в линейных проводах I a , I b и I c называют линейными .

Основные соотношения:
1. При соединении в звезду линейные и фазные токи одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода.
2. Линейные напряжения больше фазных √3 = 1,73 раза, откуда вытекают известные соотношения 127 / 220 В (127 х 1,73 = 220); 220 / 380 В (220 х 1,73 = 380), 6,6 / 11 кВ (6,6 х 1,73 = 11) и так далее.

Как доказать, что линейные напряжения √3 = 1,73 раза больше фазных? Для этого придется начать с простого, но хорошо понятного примера. Две батареи с э. д. с. E 1 = 5 В и E 2 = 7 В можно соединить либо как на рисунке 2, а , либо как на рисунке 2, б . В первом случае соединены разноименные выводы: плюс (начало) одной батареи с минусом (концом) другой, и э. д. с, действующая между свободными разноименными выводами, равна сумме E 1 + E 2 = 5 + 7 = 12 В. Во втором – соединены одноименные выводы: плюс одной батареи с плюсом другой, и э. д. с, действующая между свободными одноименными выводами, равна разности E 1 – Е 2 = 5 – 7 = –2 В. Знак минус указывает на изменение направления напряжения на обратное по сравнению с тем, которое было только от одной э. д. с. E 1 . Короче говоря, результирующая э. д. с. при соединении разноименных выводов равна сумме , а при соединении одноименных выводов – разности составляющих э. д. с. и направлена в сторону большей э. д. с.

Рисунок 2. Определение линейных напряжений при соединении в звезду.

Теперь можно возвратиться к соединению в звезду. Так как в этом случае соединяют одноименные выводы (либо начала, либо концы), то результирующее линейное напряжение находится вычитанием. Сообразуясь со схемой на рисунке 2, в , на которой указано направление и обозначены разности U a – U b , U b – U с и U с – U а (вычитание ведут всегда в одном и том же направлении, то есть из напряжения опережающей фазы вычитают напряжение следующей за ней), на рисунке 2, д выполнено вычитание. Непосредственно измеряя длины векторов либо пользуясь формулами геометрии, легко убедиться, что линейные напряжения (U a – U b , U b – U c , U c – U a) в √3 = 1,73 раза больше фазных U a , U b , U c .

К решению этого же вопроса, то есть к доказательству того, что линейные напряжения определяются вычитанием, можно подойти и иначе. Действительно, если включить лампу так, как показано на рисунке 2, г , то нетрудно видеть, что в лампе токи, созданные действием фазных напряжений U a и U b , направлены навстречу . Значит, линейное напряжение U ab надо находить вычитанием, но, понятно, геометрическим .

Из рисунка 2, д отчетливо видно, что симметричных линейных напряжений (U a – U b , U b – U c и U c – U a) сдвинута на 30° в сторону вращения векторов относительно диаграммы фазных напряжений U a , U b и U c . Иными словами, напряжение U a – U b опережает на 30° U a , U b – U c опережает на 30° U b и U c – U a опережает на 30° U c .

Сделаем еще один шаг. Перенесем с рисунка 2, д векторы U a – U b , U b – U c и U c – U a параллельно самим себе, так, чтобы их концы и начала оказались у концов векторов U a , U b и U c , образующих звезду. При этом получится треугольник (рисунок 2, е ).
Из него непосредственно следует, что:

для определения величин линейных напряжений достаточно около звезды фазных напряжений построить треугольник;
для определения направлений линейных напряжений у векторов, образующих стороны треугольника, нужно расставить стрелки в направлении вращения фаз.

Обозначение линейных напряжений

На рисунке 2, е линейные напряжения обозначены не только как разность соответствующих фазных напряжений, но также и одной буквой с двумя индексами, в нашем примере U ab (U bc и U ca). Порядок индексов непроизволен: он показывает, в каком направлении производилось вычитание.

Итак, мы из одного фазного напряжения вычли равное ему по величине, но получили не нуль, а величину, в 1,73 раза большую. Этот результат не является неожиданным, так как производилось не алгебраическое, а геометрическое вычитание.

Воспользуемся случаем, чтобы подчеркнуть еще одно важное обстоятельство, с которым в дальнейшем мы неоднократно столкнемся. Оно состоит в том, что при геометрическом вычитании одной величины из другой, равной ей по модулю 1 в отличие от алгебраического вычитания можно получить не только нуль, но и любую величину в пределах от нуля до удвоенного значения. Сказанное здесь иллюстрируется на рисунке 3 несколькими примерами. Слева произведено вычитание векторов, совпадающих по фазе (сдвиг 0°), и, естественно, получен нуль. Правее вычитаются векторы, сдвинутые на 45°: разность равна 0,707 длины любого из них и так далее. И, наконец, на рисунке 3 справа – разность оказалась вдвое больше уменьшаемого.

Рисунок 3. Разность векторов зависит от величины угла между ними.

Электроприемники могут представлять либо сосредоточенную, либо рассредоточенную нагрузку. Кроме того, она может быть равномерной, как, например, обмотки трехфазных электродвигателей, так и неравномерной, как, например, освещение домов, улиц и тому подобного.

Сосредоточенной нагрузкой являются: электродвигатель (рисунок 4, а ), конденсаторная батарея (рисунок 4, б ), театральная люстра (рисунок 4, в ), где все три фазы расположены в непосредственной близости.

Распределенной нагрузкой являются: осветительные сети домов (рисунки 4, г и д ), где от вводного ящика 1 по лестничным клеткам расходятся стояки 2 , а от них в свою очередь сделаны ответвления 3 в квартиры. Очень важно понять, что в осветительных сетях не на всех участках существует трехфазная нагрузка.

Действительно, до вводного ящика идут четыре питающих провода: А , В , С и 0 . Это настоящая трехфазная сеть – в ней по нулевому проводу проходит только ток небаланса всего дома, определяющийся неравномерностью нагрузки фаз. Это же относится к стоякам 2 на рисунке 4, г , где по нулевому проводу проходит ток небаланса в пределах данной лестничной клетки.

Что же касается стояков на рисунке 4, д , в каждом из которых только одна фаза и нуль, а также ответвлений в квартиры, то они хоть и питаются от трехфазной сети, но представляют собой однофазную нагрузку, так как и по фазному и по нулевому проводам проходит один и тот же ток (других путей нет). Поэтому сечения фазного и нулевого проводов должны быть одинаковы.

Рисунок 4. Соединение в звезду электроприемников.

Заметьте: при равномерной нагрузке (рисунок 4, а – в ) применена трехпроводная схема. При неравномерной нагрузке (рисунки 4, г и д ) – четырехпроводная.

Чтобы понять, почему делают именно так, обратимся к рисунку 5. На рисунке 5, а показаны три группы одинаковых ламп (то есть имеющих равные номинальные напряжения, в нашем примере 127 В, и равные мощности). При этих условиях и линейном напряжении сети 220 В лампы горят нормальным накалом. Но количество одновременно включенных ламп, а также их мощность в сетях освещения зависят от желания потребителей. В частном случае нагрузка одной из фаз, например фазы с , может быть на некоторое время совсем отключена (рисунок 5, б ). И тогда нагрузки двух других фаз окажутся соединенными последовательно. Если они равны, то линейное напряжение разделится между ними поровну и лампы будут гореть с недокалом, так как 220 В / 2 = 110 В – меньше номинального напряжения 127 В.

Значительно хуже, если часть ламп, присоединенных к одной из фаз, например к фазе b , будет отключена, например так, как показано на рисунке 5, в . Действительно, сопротивление одной лампы в 3 раза больше сопротивления группы из трех таких же ламп, соединенных параллельно. Значит, напряжение 220 В разделится между ними неравномерно: на большее сопротивление придется 165 В (¾ от 220 В) и лампа может перегореть; на меньшее сопротивление придется 55 В (¼ от 220 В) 2 .

При четырехпроводной схеме (рисунок 5, г ) неравномерность нагрузки фаз не сказывается столь сильно на накале ламп благодаря тому, что нагрузка каждой фазы непосредственно присоединена к обоим выводам фазной обмотки генератора или вторичной .

Следует, однако, отметить, что неравномерность нагрузки фаз даже и при наличии нулевого провода – явление нежелательное, особенно в тех случаях, когда нагрузка питается от вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, так как при неравномерной нагрузке в трансформаторе нарушается его магнитное равновесие. Этот важный вопрос рассмотрен в статье " ".

Рисунок 5. Особенности соединений в звезду осветительной нагрузки.

Распределение нагрузки между фазами

Итак, мы всегда стремимся равномерно нагрузить фазы, то есть присоединить к каждой из них одинаковую мощность. При освещении лампами накаливания для этого достаточно правильно распределить лампы между фазами. При люминесцентном освещении надо выполнить еще одно условие, а именно: присоединить лампы, расположенные рядом, к разным фазам. Это объясняется следующим образом: люминесцентные лампы 100 раз в секунду зажигаются и гаснут, так как 50 Гц 100 раз в секунду проходит через нуль. Хотя мы не замечаем этих пульсаций света, но они вредно действуют на зрение. Если же рядом расположены лампы, присоединенные к разным фазам, то они будут гаснуть и загораться неодновременно, что значительно снизит глубину изменения светового потока.

Кроме того, глубокое изменение светового потока может исказить действительную картину движения предметов. Пусть, например, вращающийся предмет за время погасания лампы успеет сделать полное число оборотов. Значит, при каждом очередном освещении предмет будет виден в одном и том же положении, то есть будет казаться неподвижным. Если вращающийся предмет успеет за время погасания сделать немного меньше полного оборота, то будет казаться, что вращение происходит в обратную сторону. В производственных условиях, где имеются механизмы с вращающимися деталями, это крайне опасно.

Почему в нулевой провод не разрешается включать предохранитель?

Допустим, в начале стояка установлен , но он перегорел (на рисунок 5, г он перечеркнут).
В этом случае четырехпроводная схема превращается в трехпроводную со всеми рассмотренными выше недостатками, присущими ей при неравномерной нагрузке фаз.

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) в начале стояка в нулевой провод не разрешается включать предохранитель (рубильник, автомат). На этажных щитках лестничных клеток, откуда питание расходится по квартирам, предохранители (автоматы) устанавливают только в фазном проводе (рисунок 5, д ) либо предохранителей вообще нет. В этом случае, однако, обязателен выключатель В или автомат А , которым вся квартира может быть отсоединена от стояка.

Рисунок 6. Установочный автомат типа ПАР–10 (предохранитель автоматический резьбовой на ток 10 А), ввертывающийся в предохранитель вместо пробки. 1 – кнопка для включения; 2 – кнопка для отключения. На корпусе автомата написаны его номинальные данные: предельное напряжение сети, например 250 В (эти же автоматы пригодны для сетей 127 и 220 В), и номинальный ток, например 10 А. Номинальный ток может проходить через автомат неограниченно долго. Но при перегрузке (превышении номинального тока) автомат отключается, причем тем скорее, чем перегрузка больше. Короткое замыкание автомат отключает мгновенно.

Но в квартирах, где к предохранителям П имеют доступ лица, не имеющие специальной электротехнической подготовки, из-за чего не исключено недостаточно хорошее состояние предохранителей, их обязательно устанавливают на обоих проводах, чтобы повысить пожарную безопасность. Не противоречит ли это сказанному выше о недопустимости включать предохранитель в нулевой провод? Нисколько. Потому что нагрузка в пределах квартиры является однофазной, так как по обоим проводам и предохранителям проходит один и тот же ток. Значит перегорание предохранителя в любом проводе (фазном или нулевом – безразлично) не может привести к перекалу ламп: они просто погаснут.

Предохранители в осветительных сетях уступают место установочным автоматам благодаря тому, что автоматы обеспечивают более совершенную защиту и не требуют замены. В новых домах предохранители не применяют. В старых квартирах вместо пробок в предохранители можно установить автоматы (рисунок 6) с резьбовым цоколем, не производя каких-либо монтажных работ.

Сечение нулевого провода в четырехпроводных сетях

обычно меньше сечения фазных проводов. Поэтому в кабелях для четырехпроводных сетей три жилы толще, а одна, предназначенная для нулевого провода, тоньше. Такой кабель обозначается, например, так: 3×16+1×10 (три жилы сечением 16 мм² и одна–сечением 10 мм²). Однако в практике нередко возникает необходимость увеличить сечение нулевого провода. Рассмотрим два примера.

На рисунке 7 показаны три группы I , II , III ламп аварийного освещения, питающиеся в нормальном режиме от вторичной обмотки трансформатора Т (контактор К включен). При исчезновении напряжения переменного тока контактор отключается и лампы автоматически переключаются на аккумуляторную батарею АБ . При этом к проводу 1 (который ранее был нулевым) присоединяется "минус", а к трем проводам 2 , 3 и 4 (которые раньше были фазными) присоединяется "плюс". Пока лампы питались от трансформатора, в проводе 1 был небольшой ток, равный геометрической сумме токов в проводах 2 , 3 и 4 . Когда же лампы переключились на аккумуляторную батарею, ток в проводе 1 стал равен арифметической сумме токов, то есть превысил ток в проводе 2 , 3 или 4 примерно в 3 раза. Значит, сечение провода 1 должно быть не меньше, а значительно больше сечения провода 2 , 3 или 4 .

Рисунок 7. Сечение нулевого провода в схеме аварийного освещения, переключаемого с переменного тока на постоянный, должно быть больше сечения фазного провода.

Приведенный на рисунке 7 пример относится к сравнительно небольшому числу специальных электроустановок (например, к освещению театров и концертных залов).

Следующий пример имеет весьма широкое распространение. Речь идет о питании люминесцентных ламп по четырехпроводной системе. В этих условиях даже при совершенно равномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходят токи высших гармоник, в основном ток третьей гармоники. Этот ток столь значителен, что сечение четвертой жилы обычного четырехжильного кабеля оказывается недостаточным. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

На рисунке 8, а показан синусоидальный ток (кривая 1 ) в фазе А . Такой ток был бы при нагрузке лампами накаливания. При нагрузке люминесцентными лампами дополнительно возникает ток третьей гармоники (кривая 2 ). Сложение кривых 1 и 2 дает кривую 3 , которая показывает, что ток в фазе А несинусоидален. На рисунках 8, б и в изображены кривые для фаз В и С . Сравнивая кривые 2 на рисунках 8, а , б и в , видим, что токи третьих гармоник совпадают по фазе . Поэтому в нулевом проводе они арифметически суммируются, образуя кривую 4 тройной частоты 150 Гц (рисунок 8, г ) .

Рисунок 8. В нулевом проводе четырехпроводной трехфазной сети, питающей люминисцентные лампы, токи третьих гармоник всех трех фаз алгебраически суммируются, поэтому сечение нулевого провода должно быть увеличено.

В зависимости от схемы включения люминесцентных ламп, их типа, способа компенсации индуктивности балластных дросселей и тому подобного ток в нулевом проводе имеет большую или меньшую величину, но во всяком случае он велик и может даже превысить ток в фазном проводе.

Соединение в звезду обмоток трансформаторов

На рисунке 9, а дан пример соединения генератора Г , трех трансформаторов Т1 , Т2 , Т3 , электродвигателя Д и однофазных нагрузок Н . В данном примере обмотки генератора, трансформаторов и электродвигателя соединены в звезду. Нетрудно видеть, что первичная обмотка трансформатора Т1 является электроприемником для генератора Г , вторичная обмотка трансформатора Т1 служит источником тока для первичной обмотки трансформатора Т2 . Вторичная обмотка трансформатора Т2 – источник тока для первичной обмотки трансформатора Т3 . Его вторичная обмотка – источник тока для электродвигателя Д и нагрузок Н .

Рисунок 9. Соединение в звезду трансформаторов.

Сравнение схем трансформаторов Т1 , Т2 и ТЗ показывает, что они неодинаковы. Так, нейтральная точка первичной обмотки трансформатора Т1 заземлена и, следовательно, соединена с заземленной нейтральной точкой генератора Г . Нейтральные точки обмоток трансформатора Т2 не выведены. У трансформатора ТЗ выведена нейтральная точка вторичной обмотки, но от земли она изолирована. Конечно, соединения, показанные на рисунке 9, а , вовсе не обязательны, они даны здесь только для иллюстрации типичных случаев соединений в звезду.

Рисунки 9, б и в соответственно показывают, что в звезду можно соединить как три однофазных трансформатора, так и один трехфазный трансформатор.

На рисунке 9, г даны примеры различных соединений обмоток трансформаторов в звезду. Здесь буквы A , B , C – начала, а X , Y , Z – высшего напряжения (ВН); a , b , c и x , y , z – начала и концы обмоток низшего напряжения (НН). Рисунок 9, д иллюстрирует соединения в звезду с выведенной нейтралью обмотки ВН (слева), обмотки НН (в центре) и обеих обмоток (справа).

Ограничимся пока общим замечанием о том, что не все способы соединения трансформаторов в звезду равноценны. Различие в них определяется рядом причин, которые нельзя объяснить сразу, и поэтому они выяснятся в ходе дальнейшего изложения.

Заземление нейтрали

В старых выпусках ПУЭ указывалось, что городские электрические сети напряжением выше 1000 В должны выполняться трехфазными с изолированной нейтралью, а распределительные сети в новых городах – трехфазными четырехпроводными с наглухо заземленной нейтралью при напряжении 380 / 220 В. Однако существуют также сети напряжением 220 / 127 В, причем их нейтраль изолирована. При изолированной нейтрали применяют пробивные предохранители .

Обмотки силовых трансформаторов отечественных заводов напряжением 110 кВ и выше выполняют для работы с заземленной нейтралью, так как они имеют неполную изоляцию со стороны нулевых выводов.

Заземление нейтрали и безопасность

Поясним вкратце, зачем в сетях до 1000 В заземляют нейтраль, по каким причинам иногда отдают предпочтение изолированной нейтрали, для чего служат пробивные предохранители.

На рисунке 10, а показаны вторичные обмотки трансформатора Т , питающие четырехпроводную сеть напряжением 380 / 220 В, нейтраль которой изолирована. Пусть в рассматриваемый момент изоляция совершенно исправна. Тем не менее на рисунке показаны три сопротивления r , соединенные в звезду. Ее нейтралью является земля. Эти сопротивления условно изображают несовершенство изоляции проводов, которая в какой-то степени все же проводит ток. На этом же рисунке показаны три C , соединенные в звезду. Ее нейтралью также служит земля. Конденсаторы условно изображают электрическую проводов относительно земли, что в электроустановках переменного тока весьма важно, так как емкость проводит ток.

Рисунок 10. Потенциал нейтрали. Заземления в трехфазных системах.

Какие же напряжения имеются в рассматриваемой электроустановке? Между линейными проводами 380 В, между каждым линейным проводом и нейтралью трансформатора 220 В, между каждым линейным проводом и землей 220 В. Почему? Потому что земля оказалась нейтралью звезд из трех равных сопротивлений r и трех равных емкостей C . А если линейный провод относительно нейтрали трансформатора имеет такое же напряжение, как и относительно земли, то ясно, что между нейтралью трансформатора и землей напряжение равно нулю 3 .

Прикосновение человека, стоящего на земле, к одному из линейных проводов небезопасно, так как через несовершенную изоляцию, емкости проводов и тело человека проходит ток. В один из моментов времени его направление показано на рисунке 10, б . Сила тока, а следовательно, и степень опасности определяются значениями сопротивлений, емкостей и фазным напряжением. Иными словами, в данном случае человек находится под напряжением 220 В.

Но что произойдет, если один из линейных проводов заземлится, а человек, стоящий на земле, прикоснется к другому линейному проводу? Из рисунка 10 в , видно, что человек окажется теперь не под фазным, а под линейным напряжением 380 В, что значительно опаснее.

В сетях с заземленной нейтралью человек, стоящий на земле и прикоснувшийся к линейному проводу, попадает под фазное напряжение (рисунок 10, г ). Если при этом заземлится другой линейный провод (рисунок 10, д ), то предохранитель перегорит, но повышения напряжения с фазного до линейного (как в сетях с изолированной нейтралью) не будет.

Это значит, что как в сети 380 / 220 В с заземленной нейтралью, так и в сети 220 / 127 В с изолированной нейтралью человек, касающийся оголенного провода, может попасть под напряжение 220 В. Но сети 380 / 220 В выгоднее сетей 220 / 127 В, так как для передачи одинаковой мощности при 380 / 220 В нужны провода меньшего сечения.

Предупреждение. Для обеспечения безопасности заземления следует выполнять, строго соблюдая, ряд требований. Этому специальному вопросу уделено особое внимание в ПУЭ, посвящен ряд книг, и в их числе книги М. Р. Найфельда "Заземление и другие защитные меры" и П. А. Долина "Действие на тело человека и первая помощь пострадавшему".

Пробивной предохранитель

Нарушение изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений (ВН и НН) трансформатора может привести к массовому пробою изоляции в сетях низшего напряжения и поражению людей. Чтобы предотвратить эти опасные явления в сетях с изолированной нейтралью, применяют пробивные предохранители. Пробивной предохранитель включают между нейтралью трансформатора и землей при соединении в звезду (рисунки 11, а и в ) или между одним из фазных проводов и землей при соединении в треугольник (смотрите статью "Схема соединения "Треугольник "), как показано на рисунке 11, б .

Рисунок 11. Пробивные предохранители в сетях с изолированной нейтралью.

В пробивном предохранителе одна токоведущая деталь присоединена к нейтрали (фазе) трансформатора, другая заземлена, но между ними помещена слюдяная прокладка с отверстиями. При нормальном напряжении прокладка надежно изолирует нейтраль (фазу) от земли. Однако при переходе высшего напряжения на обмотку низшего напряжения пробивной предохранитель пробивается и заземляет обмотки.

При глухом заземлении нейтрали пробивной предохранитель не нужен.

Заземление нейтрали и бесперебойность электроснабжения

Кроме условий безопасности есть и другой важный вопрос, а именно: бесперебойность электроснабжения потребителей, при решении которого небезразлично, заземлять нейтраль или ее изолировать. Существо дела сводится к следующему.

В сети с изолированной нейтралью при заземлении линейного провода предохранители не перегорают (автомат не отключается), так как нет. Между линейными проводами, а также между линейными проводами и нейтралью трансформатора сохраняются нормальные напряжения и потребители электроэнергии могут некоторое время продолжать работу.

В сети с заземленной нейтралью нарушение изоляции линейного провода приводит к короткому замыканию, предохранители перегорают или отключается автомат, работа потребителей нарушается. Значит, бесперебойность электроснабжения выше в сетях с изолированной нейтралью.

Необходимо особо подчеркнуть следующие важнейшие обстоятельства:

а) Хотя в сетях с изолированной нейтралью возможна работа потребителей, но такой режим опасен для изоляции других фаз и присоединенного к ним оборудования. Дело в том, что при металлическом замыкании на землю одной из фаз напряжение других фаз по отношению к "земле" возрастает в 1,73 раза по сравнению с нормальным напряжением, а напряжение нулевой точки смещается и становится равным фазному напряжению относительно земли. Действительно, при заземлении провода (рисунок 12, а ) линейные напряжения AB , BC , CA остаются теми же; не изменяются и фазные напряжения A0 , B0 , C0 . Но по отношению к "земле" напряжения изменяются. Для фаз A и C они повышаются до величин AB и BC соответственно. Для фазы B напряжение по отношению к земле снижается до нуля. Напряжение нейтрали относительно земли возрастает от нуля до величины 0 B , равной фазному напряжению.

Рисунок 12. Смещение нейтрали в сети с изолированной нейтралью при аварийных режимах.
а – заземление фазы; б – короткое замыкание на нагрузке одной из фаз; в – обрыв фазы.

Если замыкание происходит через дугу, то перенапряжения могут в 2–2,5 раза превысить фазное напряжение. Через место замыкания пойдут емкостные токи всех фаз, которые при протяженных кабельных линиях велики и могут вызвать нагревы в местах нарушения изоляции. Поэтому на электрических станциях и подстанциях нередко имеются устройства, непрерывно контролирующие состояние изоляции относительно земли. Принцип их действия рассмотрен в статьях "Разомкнутый треугольник. Открытый треугольник " и "Примеры соединений измерительных трансформаторов ".

б) Если нейтраль нагрузки 0 " не соединена с нейтралью 0 б ), то при коротком замыкании одной фазы потенциал линейного провода B попадает в нейтраль 0 " нагрузки. Это значит, что нагрузка, присоединенная к фазам A и C , окажется под значительно повышенным напряжением (линейным вместо фазного).

в) Если нейтраль нагрузки 0 " не соединена с нейтралью 0 вторичной обмотки трансформатора (рисунок 12, в ) и в одной фазе, например в фазе B , перегорит предохранитель (перечеркнут), то на нагрузках фаз A и C напряжение понизится и станет 220 В / 2 = 110 В вместо 220 / √3 = 127 В (рассматривается сеть 220 / 127 В). Напряжение на зажимах перегоревшего предохранителя будет в 1,5 раза больше фазного, то есть составит 127 × 1,5 = 190 В.

Смещение нейтрали нагрузки

Рассмотренный выше рисунок 12 иллюстрирует аварийные случаи смещения нейтрали (заземление, короткое замыкание, обрыв фазы). Но нейтраль может смещаться и в нормальных режимах из–за неравномерности нагрузки фаз.

Рассмотрим несколько примеров.

Рисунок 13. Смещение нейтрали при различных видах нагрузки.

При однородной 4 , но неравномерной нагрузке нейтраль из точки 0 (рисунок 13, а ) смещается в точку 0 ’ причем направление смещения и его величина зависят от соотношения нагрузок фаз. Но так или иначе отрезок 0 – 0 ’ в определенном масштабе изображает напряжение между нейтралью трансформатора и нейтралью нагрузки. Именно это напряжение и создает ток в нулевом проводе, если соединены нейтрали:

а) нагрузки Н и вторичной обмотки трансформатора Т3 (смотрите рисунок 9, а );
б) первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и генератора Г (смотрите рисунок 9, а ).

А если нейтрали не соединены? Тогда в трансформаторе нарушается магнитное равновесие. Причины и последствия этого нарушения рассмотрены в статье "Понятие о магнитном равновесии трансформатора ".

Особенно значительно нейтраль нагрузки смещается при разнородной нагрузке, даже если по модулю (по абсолютной величине) нагрузки всех фаз равны. На рисунке 13, б , например, к фазам C и B присоединены лампы (активная нагрузка), а к фазе A – конденсатор С . Нейтраль при этом настолько сместится, что одна из ламп будет гореть тускло (50 В), а другая – ярко (190 В). Аналогична картина при замене конденсатора катушкой индуктивности L , но теперь ярко будет гореть другая лампа (рисунок 13, в ). Объясняется это тем, что ток в конденсаторе опережает, а ток в индуктивности отстает от напряжения своей фазы.

Еще более разительное смещение нейтрали изображено на рисунке 13, г , где присоединены: к фазе A – конденсатор, к фазе B – индуктивность, к фазе C – активная нагрузка. Нейтральная точка нагрузки 0’ вышла за пределы треугольника, а напряжения на нагрузке 423 и 220 В во много раз превысили фазное напряжение 127 В.

Важное замечание. В рассмотренных на рисунке 13, б – г примерах речь шла о смещении нейтрали нагрузки , а вовсе не генератора или вторичной обмотки трансформатора. На конденсаторе, индуктивности и активном сопротивлении, соединенных в звезду (рисунки 13, б – г ), напряжения действительно сильно изменились по сравнению с фазными. Но влияет ли это на работу других потребителей, присоединенных к этой же сети? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к рисунку 13, д , предположив, что соединение, изображенное штриховой линией, отсутствует. Нетрудно видеть, что каждая группа потребителей (R – C – L , лампы Л , электродвигатель Д ) имеет свою нейтраль. Три одинаковые лампы являются равномерной однородной нагрузкой, поэтому их нейтраль не смещена; следовательно, напряжения на лампах одинаковы и равны в нашем примере 127 В. То же можно сказать о напряжениях на обмотках двигателя.

Иное дело, если нейтрали потребителей соединены (штриховая линия). Тогда взаимное влияние нагрузок безусловно, но его степень определяется соотношением нагрузок. И ясно, что чем крупнее сеть и чем мощнее генераторы и трансформаторы, тем меньше на смещение нейтрали влияет каждый потребитель.

Разнородность нагрузки оказывает влияние на работу других потребителей лишь в том случае, если она относительно настолько велика, что может существенно нарушить магнитное равновесие трансформатора .

Видео 1. Перекос фаз

1 Вектор определяется как длиной, так и направлением. Длина вектора называется его модулем
2 Строго говоря, напряжение разделится несколько иначе. Дело в том, что чем горячее нить лампы, тем больше ее сопротивление, и так как одна лампа горит с перекалом, а три с недокалом, то разница в их сопротивлениях будет еще значительнее.
3 Напряжение между изолированной нейтралью трансформатора и землей равно нулю лишь в тех случаях, когда сеть не нагружена или если нагрузка всех фаз совершенно одинакова. При неравномерной нагрузке фаз происходит смещение нейтрали.
4 Нагрузка всех фаз либо активная (лампы, печи), либо индуктивная, либо емкостная.
5 Топографическая диаграмма представляет собой такую векторную диаграмму, в которой каждая точка диаграммы соответствует определенной точке цепи. Поэтому вектор, проведенный из начала координат в любую точку топографической диаграммы, выражает по величине и фазе потенциал соответствующей точки цепи, а отрезок, соединяющий две любые точки диаграммы – напряжение между соответствующими точками цепи.