Třífázový střídavý proud

V současné době je to nejrozšířenější třífázový střídavý systém na celém světě.

Třífázový elektrický obvod se nazývá systém sestávající ze tří obvodů, ve kterých pracují střídavé proudy, EMF stejné frekvence, vzájemně fázově posunuté o 1/3 periody (φ=2π/ 3). Každý jednotlivý obvod takového systému se stručně nazývá jeho fáze a systém tří fázově posunutých střídavých proudů v takových obvodech se jednoduše nazývá třífázový proud.

Téměř všechny generátory instalované v našich elektrárnách jsou generátory třífázového proudu... V podstatě je každý takový generátor spojením tří alternátorů v jednom elektrickém stroji, navržených tak, aby se v nich indukované EMF posunuté vůči sobě o jednu třetinu periody, jak je znázorněno na obr. 1.

Rýže. 1. Grafy časové závislosti EMF indukovaného ve vinutí kotvy generátoru třífázového proudu

Jak je takový generátor implementován, je snadné pochopit z obvodu na obr. 2.

Rýže. 2. Tři páry nezávislých vodičů připojených ke třem armaturám generátoru třífázového proudu napájí osvětlovací síť

Na statoru elektrického stroje jsou tři nezávislé kotvy, které jsou přesazeny o 1/3 kružnice (120O). Induktor společný pro všechny armatury se otáčí ve středu elektrického stroje znázorněného na schématu ve formuláři stálý magnet.

V každé cívce je indukováno střídavé EMF stejná frekvence, ale časy, kdy tyto emf procházejí nulou (nebo maximem) v každé z cívek, budou vzájemně posunuty o 1/3 periody, protože induktor prochází každou cívkou o 1/3 periody později z předchozího.

Každé vinutí třífázového generátoru je nezávislý generátor proudu a zdroj elektrické energie. Připojením vodičů ke koncům každého z nich, jak je znázorněno na obr. 2 bychom získali tři nezávislé obvody, z nichž každý by mohl napájet například určité elektrické přijímače elektrické lampy.

V tomto případě k přenosu veškeré energie, která je absorbována elektrické přijímače, bude zapotřebí šest vodičů. Vinutí generátoru třífázového proudu je ale možné zapojit tak, že zvládne čtyři nebo dokonce tři vodiče, tedy výrazně šetří kabeláž.

První z těchto způsobů se nazývá hvězdicové zapojení (obr. 3).

Rýže. 3. Čtyřvodičový elektroinstalační systém při připojení třífázového generátoru s hvězdou. Zátěže (skupiny elektrických žárovek I, II, III) jsou napájeny fázovým napětím.

Vývody cívek 1, 2, 3 budeme nazývat začátek a vývody 1′, 2′, 3′ konce příslušných fází.

Spojení hvězd spočívá v tom, že konce všech vinutí připojíme k jednomu bodu generátoru, který se nazývá nulový bod nebo neutrál, a generátor připojíme k přijímačům elektřiny čtyřmi vodiči: třemi tzv. lineárními dráty vycházející ze začátku vinutí 1, 2, 3 a nulový nebo neutrální drát jdoucí z nulového bodu generátoru. Tento elektroinstalační systém se nazývá čtyřvodičový.

Napětí mezi nulovým bodem a počátkem každé fáze se nazývají fázová napětí a napětí mezi počátkem vinutí, tedy body 1 a 2, 2 a 3, 3 a 1, se nazývají liniové... Fáze napětími se obvykle rozumí U1, U2, U3, nebo v obecném tvaru Uf a síťové napětí — U12, U23, U31, nebo v obecném tvaru Ul.

Mezi amplitudami nebo středními hodnotami fázové a síťové napětí při spojení vinutí generátoru s hvězdou je poměr Ul = √3Uf ≈ 1,73Ue

Pokud je tedy například fázové napětí generátoru Uf = 220 V, pak při připojení vinutí generátoru do hvězdy je síťové napětí Ul — 380 V.

V případě rovnoměrného zatížení tří fází generátoru, tedy při přibližně stejných proudech v každé z nich, je proud v nulovém vodiči nulový... Proto v tomto případě můžete nulový vodič odstranit a přejít na ještě ekonomičtější třívodičový systém. V tomto případě jsou všechny zátěže připojeny mezi odpovídající dvojice vodičů vedení.

Při nesymetrické zátěži není proud v nulovém vodiči nulový, ale obecně řečeno je menší než proud ve vodičích vedení. Proto může být neutrální vodič tenčí než linkový vodič.

Při provozu třífázového střídavého proudu se snaží, aby zatížení různých fází bylo co nejvíce vyrovnané.Proto se například při uspořádání osvětlovací sítě velkého domu se čtyřvodičovým systémem zavádí do každého bytu nulový vodič a jeden z lineárních tak, že v průměru má každá fáze přibližně stejně zatížení.

Dalším způsobem připojení vinutí generátoru, který umožňuje i třívodičové zapojení, je zapojení do trojúhelníku znázorněné na obr. 4.

Rýže. 4. Schéma zapojení vinutí třífázového generátoru s trojúhelníkem

Zde je konec každé cívky spojen se začátkem další, takže tvoří uzavřený trojúhelník a vodiče vedení jsou připojeny k vrcholům tohoto trojúhelníku - body 1, 2 a 3. Při spojení s trojúhelníkem, síťové napětí generátoru se rovná jeho fázovému napětí: Ul = Ue.

Proto přepínání vinutí generátoru z hvězdy do trojúhelníku vede k poklesu síťového napětí v √3 ≈ 1,73 krát... Zapojení do trojúhelníku je také přípustné pouze při stejném nebo téměř stejném fázovém zatížení. V opačném případě bude proud v uzavřené smyčce vinutí příliš silný, což je pro generátor nebezpečné.

Při použití třífázového proudu lze také samostatné přijímače (zátěže) napájené samostatnými páry vodičů zapojit buď do hvězdy, to znamená tak, že jeden jejich konec je spojen se společným bodem a další tři volné konce jsou připojené k liniovým vodičům sítě nebo trojúhelníkem, to znamená, že všechny zátěže jsou zapojeny do série a tvoří společný obvod, k bodům 1, 2, 3, z nichž jsou připojeny lineární vodiče sítě.

Na Obr. 5 ukazuje zapojení zátěží do hvězdy s třívodičovým kabelovým systémem a na Obr.6 — se čtyřvodičovým kabelovým systémem (v tomto případě je společný bod všech zátěží připojen k nulovému vodiči).

Na Obr. 7 ukazuje schéma zapojení zátěže do trojúhelníku pro třívodičový elektroinstalační systém.

Rýže. 5. Hvězdicové zapojení zátěží s třívodičovým systémem elektroinstalace

Rýže. 6. Hvězdicové zapojení zátěží se čtyřvodičovou elektroinstalací

Rýže. 7. Trojvodičové zapojení zátěží do trojúhelníku

V praxi je důležité vzít v úvahu následující. Když jsou zátěže zapojeny do trojúhelníku, každá zátěž je pod síťovým napětím, a když je zapojena do hvězdy, pod napětím √3krát nižším. Pro případ čtyřvodičového systému je to zřejmé z obr. 6. Stejně je tomu ale i u třívodičového systému (obr. 5).

Mezi každou dvojicí síťových napětí jsou zde sériově zapojeny dvě zátěže, jejichž proudy jsou fázově posunuty o 2π/3. Napětí v každé zátěži se rovná odpovídajícímu síťovému napětí dělenému √3.

Při přepínání zátěží z hvězdy na trojúhelník se tedy napětí na každé zátěži, a tedy i proud v ní, zvýší o √3 ≈ 1,73krát. Pokud je například síťové napětí třívodičové sítě 380 V, pak při zapojení do hvězdy (obr. 5) bude napětí každé ze zátěží rovno 220 V a při připojení k trojúhelníku (obr. 7) se bude rovnat 380 V.

Při přípravě článku byly použity informace z učebnice fyziky, kterou upravil G.S. Landsberg.