Наибольшее распространение в мире для передачи электроэнергии получила трехфазная сеть, которая была изобретена в 1891 году русским инженером М.О. Доливо-Добровольским. Рассмотрим принцип получения трехфазной системы.
Допустим, что необходимо запитать три одинаковые нагрузки RH от трех трансформаторов T. Для этого необходимо собрать три независимые схемы, которые условно назовем «Схема А», «Схема В» и «Схема С» (рисунок 1.23).
В дальнейшем трансформатор будем изображать на схемах только вторичной обмоткой, так как она является источником электроэнергии для нагрузки. Перерисуем схемы с учетом этого, обозначив выводы вторичных обмоток для «Схемы А» ¾ А и Х, для «Схемы В» ¾ В и Y, для «Схемы C» ¾ C и Z (рисунок 1.24).
Рисунок 1.23
Рисунок 1.24
Таким образом, мы видим, что для передачи электроэнергии от трех вторичных обмоток трансформаторов до трех нагрузок необходимо шесть проводов (по два в каждой схеме).
Расположим обмотки трансформаторов и нагрузки схем по рисунку 1.24 так, как это показано на рисунке 1.25. После этого объединим выводы вторичных обмоток Х, Y, Z у трансформаторов и соответствующие им точки нагрузок (рисунок 1.25).
Рисунок 1.25
В результате получим схему (рисунок 1.26), которая имеет не шесть, а четыре провода. Три провода, которые называются линейными, служат для соединения выводов А, В, С с нагрузкой и один провод, который называется нулевым ¾ для соединения общей точки вторичных обмоток с общей точкой нагрузок. По линейным проводам протекают токи соответствующих нагрузок, а по нулевому ¾ сумма токов всех нагрузок.
Рисунок 1.26
Предположим, что синусоидальные напряжения вторичных обмоток в схемах А, В, С равны и совпадают по фазе, то есть начинаются в одно и то же время. А так как величины всех нагрузок одинаковы RA=RB=RC, то и токи нагрузок, определяемые по закону Ома, будут равны и будут совпадать по фазе (рисунок 1.27, а)
В этом случае сумма этих токов будет представлена синусоидой, совпадающей по фазе с токами нагрузок, но с амплитудой в три раза большей (рисунок 1.27, а). Поэтому сечение нулевого провода при одинаковых нагрузках должно быть в три раза больше сечения линейных проводов.
Следовательно, никакого выигрыша по расходу проводов в схеме по рисунку 1.26 по сравнению со схемой по рисунку 1.24 нет.
Рисунок 1.27
Теперь представим, что напряжения в обмотках трансформаторов сдвинуты относительно друг друга на треть периода (рисунок 1.28). Это значит, что синусоида напряжения uA переходит через 0 в начале системы координат (момент 0), синусоида напряжения uВ переходит через 0 через 120О (момент θ1), а синусоида напряжения uС переходит через 0 еще через 120О (момент θ2).
Рисунок 1.28
Под действием этих напряжений в схеме протекают токи iA, iB, iC, амплитуды которых одинаковы. Однако эти токи, так же как и напряжения будут сдвинуты между собой на треть периода (рисунок 1.27, б). Найдем сумму этих токов в любой момент времени
Таким образом, благодаря сдвигу токов во времени их сумма в любой момент равняется нулю (рисунок 1.27, б). Это нетрудно проверить графически, просуммировав ординаты синусоид на рисунке 1.27, б в произвольно выбранный момент времени.
Физический смысл полученного результата в том, что благодаря сдвигу фаз между токами в каждый момент токи в одних линейных проводах идут от вторичных обмоток, а в других ¾ к вторичным обмоткам. Одни из линейных проводов являются прямыми, а другие ¾ обратными. Их роль в качестве прямых и обратных постоянно меняется, но так или иначе при равномерной нагрузке (RA=RB=RC) на долю нулевого провода тока не остается.
Следовательно, при равномерной нагрузке необходимость в нулевом проводе отпадает. В результате мы получаем трехпроводную схему (рисунок 1.29), в которой электроэнергия передается от трех вторичных обмоток трансформаторов к трем нагрузкам при помощи всего трех, а на шести как на рисунке 1.24, проводов.
Рисунок 1.29
Первичные и вторичные обмотки называют «фазами» (фаза А, фаза В, фаза С), линейные провода ¾ проводами фаз, нагрузки ¾ нагрузками фаз. Точки А, В, С есть выводы обмоток трансформатора, а общая тока обмоток 0 ¾ нейтраль трансформатора. Соединение вторичных обмоток и нагрузок, показанное на рисунке 1.29, называется соединение в «звезду» и обозначается «У» или «Υ». Это основное соединение вторичных обмоток в сетях 0,4 кВ. Кроме него существуют соединения в «треугольник» («Д» или «Δ») и в «зигзаг» («Z»). На рисунке 1.30 приведен пример соединения обмоток трансформатора и нагрузок в «треугольник».
Рисунок 1.30
При соединении обмоток в «звезду» различают фазные и линейные напряжения (рисунок 1.29). Фазным напряжением называют напряжение между выводом и нейтралью трансформатора и обозначают ¾ UФ. Линейным напряжением называют напряжение между двумя выводами трансформатора и обозначают ¾ UЛ. Между ними существует зависимость
Обычно все три фазы трансформатора объединяют в одном корпусе и располагают на одном магнитопроводе (рисунок 1.31). Такой трансформатор называется трехфазным, в отличие от однофазного трансформатора (рисунок 1.22). Из этих рисунков видно, что конструкция одного трехфазного трансформатора значительно проще, чем конструкция трех однофазных трансформаторов.
Рисунок 1.31
Трехпроводные схемы (рисунок 1.29) применяются в сетях напряжением 6 кВ и выше.
В сетях с напряжением 0,4 кВ нагрузка очень редко бывает равномерной, и сумма токов фаз
Следовательно, в таких сетях нельзя обойтись без нулевого провода, по которому будет протекать только небаланс токов. Поэтому сечение нулевого провода не больше сечения линейных проводов, а, как правило, вдвое меньше. Такая система называется четырехпроводной (рисунок 1.32).
В такой системе фазным напряжением также можно назвать напряжение между линейным и нулевым проводом, а линейным ¾ напряжением между линейными проводами (рисунок 1.32).
