Напруга між фазами у трифазній мережі формула. Відгоряння нуля. Однофазні споживачі у трифазній мережі

Чи знаєте ви, що таке уявний експеримент, gedanken experiment?
Це неіснуюча практика, потойбічний досвід, уяву того, чого насправді немає. Думкові експерименти подібні до снам наяву. Вони народжують чудовиськ. На відміну від фізичного експерименту, який є досвідченою перевіркою гіпотез, "уявний експеримент" фокусично підміняє експериментальну перевірку бажаними, не перевіреними на практиці висновками, маніпулюючи логікоподібними побудовами, що реально порушують саму логіку шляхом використання недоведених посилок як доведені. Отже, основним завданням заявників " уявних експериментів " є обман слухача чи читача шляхом заміни справжнього фізичного експерименту його " лялькою " - фіктивними міркуваннями під слово слово без самої фізичної перевірки.
Заповнення фізики уявними, " уявними експериментами " призвело до виникнення абсурдної сюрреалістичної, сплутано-заплутаної картини світу. Справжній дослідник має відрізняти такі "фантики" від справжніх цінностей.

Релятивісти і позитивісти стверджують, що "думковий експеримент" дуже корисний інструмент для перевірки теорій (також виникають у нашому розумі) на несуперечність. У цьому вони дурять людей, оскільки будь-яка перевірка може здійснюватися лише незалежним від об'єкта перевірки джерелом. Сам заявник гіпотези не може бути перевіркою своєї ж заяви, оскільки причиною самої цієї заяви є відсутність видимих ​​для заявника суперечностей у заяві.

Це ми бачимо на прикладі СТО та ОТО, що перетворилися на своєрідний вид релігії, керуючої наукою та громадською думкою. Жодна кількість фактів, що суперечать їм, не може подолати формулу Ейнштейна: "Якщо факт не відповідає теорії - змініть факт" (В іншому варіанті "- Факт не відповідає теорії? - Тим гірше для факту").

Максимально, на що може претендувати "уявний експеримент" - це лише на внутрішню несуперечність гіпотези в рамках власної, часто не справжньої логіки заявника. Відповідність практиці це не перевіряє. Ця перевірка може відбутися тільки в дійсному фізичному експерименті.

Експеримент на те й експеримент, що він є не витончення думки, а перевірка думки. Несуперечлива в собі думка не може сама себе перевірити. Це доведено Куртом Ґеделем.

Фразу про « відгоранні нулячув, мабуть, кожен із нас. Чому ж таємничий нуль має тенденцію постійно відгоряти? Щоб внести певну ясність у це питання, необхідно згадати дещо з курсу фізики середньої школи.

Для однофазного ланцюга"нуль" - це просто назва для провідника, що не знаходиться під високим потенціалом щодо землі. Другий провідник в однофазному ланцюгу називається «фазою» і має відносно землі високий потенціал змінної напруги(У нашій країні чаші всього 220 В). Жодної тенденції до відгоряння однофазний нуль не виявляє.

Біда у цьому, що це електричні комунікації (т. е. лінії електропередачі) є трехфазными. Розглянемо схему "зірка", в якій з'являється поняття "нульовий провід".

Змінні струми кожної фази в трьох однакових навантаженнях зсунуті по фазі рівно на одну третину і в ідеалі компенсують один одного, тому навантаження в такій схемі зазвичай називається трифазним зосередженим навантаженням. При такому навантаженні векторна сума струмів у середній точці дорівнює нулю. Нульовий провід, Підключений до середньої точки, практично не потрібен, тому що струм через нього не тече. Незначний струм з'являється тільки тоді, коли навантаження на кожній фазі в повному обсязі однакові і не повністю компенсують один одного. Насправді багато видів трифазних чотирижильних кабелів мають нульову жилу вдвічі меншого перерізу. Немає сенсу витрачати дефіцитну мідь на провідник, яким струм мало тече. Жодної тенденції до відгоряння трифазний нуль при трифазному зосередженому навантаженні теж не виявляє.

Умова: R1 = R2 = R3
I = i 1 + i 2 + i 3 = 0

Чудеса починаються тоді, коли до трифазних ланцюгів підключаються однофазні навантаження. На перший погляд це той самий випадок, але є одна маленька відмінність. Кожна однофазна навантаження являє собою випадково обраний пристрій, тобто однофазні навантаження не однакові. Нерозумно думати, що різні однофазні споживачі завжди будуть споживати однаковий струм. Однофазні навантаженняв трифазних ланцюгахзавжди намагаються максимально наблизити до . Це означає, що при підключенні однофазних споживачів у трифазну мережу їх намагаються так розподілити за потужністю по різних фазах, щоб на кожну фазу припадало приблизно однакове навантаження. Але повної рівності ніколи не досягається і зрозуміло чому. Споживачі випадково включають і вимикають своє електрообладнання, тим самим постійно змінюючи навантаження на свою фазу.

Внаслідок повної компенсації фазних струмівв середній точці практично ніколи не відбувається, але струм у нульовому дроті зазвичай не досягає свого максимального значення, що дорівнює найбільшому струму по одній з фаз. Тобто ситуація неприємна, але передбачувана. Вся проводка розрахована на неї, та відгоряння нулязвичайно не відбувається, а якщо й відбувається, то дуже рідко.

Умова: R1 ≠ R2 ≠ R3
I = i 1 + i 2 + i 3 ≠ 0
I max ≤ i n max

Така ситуація склалася до 90-х років ХХ століття. Що ж змінилося на той час? В ужиток широко увійшли імпульсні джерелахарчування. Таке джерело живлення практично у всієї сучасної побутової апаратури (телевізорів, комп'ютерів, радіоприймачів тощо). Весь струм такого джерела протікає протягом однієї третини напівперіоду, т. е. характер споживання струму дуже відрізняється від характеру споживання струму класичними навантаженнями. В результаті в трифазної мережівиникають додаткові імпульсні струми, що не компенсуються в середній точці. Не забудьте додати до цього некомпенсовані струми, спричинені наявністю однофазних навантажень у трифазній мережі. У такій ситуації по нульовому дроту часто тече струм, близький або перевищує найбільший струм однієї фази. Це і є умови, сприятливі для відгорання нуля.
Провідники в трьохфазних кабелях мають однаковий переріз, що розраховується відповідно до максимальної потужності навантаження, отже, нульовий провідникмає такий же переріз, як і будь-який із фазних провідників, а струм через нього сьогодні може текти більший, ніж через будь-який фазний провідник. Виходить, що нульовий провідник працює в умовах навантаження, і ймовірність його відгоряння зростає.

Умова: R1 ≠ R2 ≠ R3
I = i 1 + i 2 + i 3 ≠ 0
I max > i n max

Так у 90-х роках минулого століття ми непомітно для себе вступили в епоху «відгоряння нуля». З кожним днем ​​ситуація погіршується. Високу можливість «відгоряння нуля» потрібно враховувати і при побудові домашньої електропроводки.

Лабораторна робота 8 ТРЕХФАЗНІ ЛАНЦЮГИ. З'ЄДНАННЯ НАВАНТАЖЕННЯ ЗІРКОМ Мета роботи: вивчити ланцюг трифазного струмупри з'єднанні приймача зіркою в симетричному та несиметричному режимах. Визначити роль нейтрального (нульового) дроту. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ Трифазною системою змінних струмів називається сукупність трьох однофазних електричних ланцюгів, У яких діють синусоїдальні ЕРС однакової частоти, зрушені по фазі на 1/3 періоду і створювані загальним джерелом електричної енергії. Трифазна система була винайдена та розроблена у всіх деталях талановитим російським інженером М.О.Доливо-Добровольським у 1891 році. Джерелом енергії у трифазній системі служить трифазний генератор. У пазах його статора розміщені три електрично ізольовані один від одного обмотки (фазні обмотки або просто фази) генератора. Якщо ротор двополюсний генератора, то осі фазних обмоток генератора повернені в просторі відносно один одного на кут 2p /3. При обертанні ротора фазних обмотках статора індуктуються синусоїдальні фазні ЕРС. Внаслідок симетрії конструкції генератора максимальні Em і Е значення ЕРС у всіх фазах однакові. З'єднання фаз (обмоток) генератора може здійснюватися за схемою "зірка" або "трикутник". Фази трифазного генератораприйнято позначати першими літерами латинського алфавіту: A, B, C. Чергування фаз генератора суворо визначене і визначається зміною часу фазних ЕРС, тобто. в черговості максимумів ЕРС: спочатку фази А, потім через 1/3Т фази і через 2/3Т фази С. Така послідовність чергування називається прямою. Миттєві значення ЕРС трифазних обмотокгенератора рівні: eA=Emsinw t eB=Emsin(w t-2/3p ) eC=Emsin(w t-4/3p ) (1) На рис.8.1 показані графіки миттєвих значень фазних ЕРС та три вектори відповідних їм діючих значень ЕД . Рис. 8.1 3 Як видно з рис.8.1 сума миттєвих значень ЕРС у будь-який момент часу дорівнює нулю, отже, геометрична сума діючих значень фазних ЕРС генератора також дорівнює нулю: eA+eB+eC=0 (2) EA+EB+EC=0 Згідно рис.8.1, виразимо комплексні значення ЕРС трифазного генератора через однакове для всіх трьох фаз чинне значення E, тоді EA=E∙ej0 ЕB=Е е-j2/3p (3) EC=Е е2/3p Для отримання трифазної системи необхідно певним чином з'єднати також фази приймача, зазвичай, за схемою “зірка” або “трикутник”. В даний час трифазна системає основним для передачі та розподілу енергії. Фазні обмотки трифазного генератора можна з'єднати із трьома приймачами за схемою “зірка”. "Зіркою" називається таке з'єднання, при якому кінці фаз з'єднані в одну загальну точку N звану нейтральною або нульовою, а до початків фаз А, B, C підведені лінійні дроти. У «зірку» з'єднують і фази навантаження з нульовою точкою n та початками фаз a, b, c (Рис.8.2).

Рис.8.2 Провід, що з'єднує точки N-nназивається нейтральним або нульовим. Провід, що з'єднує точки А-а, В-в та С-с, називають лінійними. Прийнявши опори всіх дротів рівним нулю, можна визначити струми трьох фаз приймача та генератора: IA=EA/ZA; IB=EB/ZB; IC=EC/ZC. (4) Струми IA, IB, IC, що протікають по лінійних дротах, називають 4 лінійними (IЛ). Струми, що протікають у фазах генератора і у фазах навантаження називаються фазними струмами(Іф). Для з'єднання "зіркою" лінійні струмирівні фазним, тобто IЛ=Iф (5) Струм у нейтральному дроті за першим законом Кірхгофа дорівнює: IN=IA+IB+IC (6) Приймачі з однаковим опором всіх трьох фаз Za=Zb=Zc називаються симетричними. При симетричному приймачі IA=IB=IC і струм у нейтральному дроті IN=0 Напруга між початком і кінцем фази генератора (або фази навантаження) або напруга між лінійним і нульовим дротомназивається фазною напругою. Для генератора та лінії електропередачі фазні напруження(їх три) позначаються так: UA, UB, UC або Uф. Фазні напруги навантаження позначаються так: Ua, Ub, Uc. Напруги між двома початками фаз генератора (або двома початками фаз навантаження) або між двома лінійними проводами називаються лінійними та позначаються для генератора та лінії електропередачі: UAB, UBC, UCA, або Uл, для навантаження Uab, Ubc, Uca. Розглядаючи по черзі контури abn, bcn, can (рис.8.2) за другим законом Кірхгофа лінійні напруги рівні: UAB = UA - UBC = UB - UC (7) UCA = UC - UA Користуючись цим співвідношенням, побудуємо векторну діаграму (рис.8.3) а) напруги для симетричного навантаження.

З рис.8.3а видно, що “зірка” лінійних напругвипереджає "зірку" фазних напруг на 30 °. Звідси D nkb: UBC/2UB=30° UBC=Ö 3*UB, тобто. Uл=Ö 3*UФ (8) За наявності нейтрального дротуумова (8) виконується як при симетричному, так і при несиметричному приймачі. На Рис.8.3b наведено векторна діаграмафазних напруг та топографічна діаграма лінійних напруг. Фазні коефіцієнти потужності рівні: cos φа = Ra/Za; cos φв=Rb/Zb; cos φс=Rc/Zc (9) де φа, φв, φс кути зсуву фаз між фазними напругами та фазними струмами. При симетричне навантаження: Ia=Ib=Ic=Iф=UФ/Zф (10) cos φа= cos φв= cos φс=Rф/Zф Струм у нейтральному дроті IN=0, тому для підключення трифазних симетричних установок (нагрівальних печей, сушильних установок, електродвигунів та інших симетричних установок) застосовується трипровідний ланцюг. Для освітлювального навантаження наявність нейтрального дроту обов'язково, оскільки майже завжди зберігається несиметрія. У нейтральному дроті в чотирипровідній освітлювальній мережі заборонено встановлення запобіжників або вимикачів, оскільки при відключенні нейтрального дроту фазні напруги можуть стати нерівними. В одних фазах напруга буде більшою за номінальну, в інших – меншою за номінальну. В обох випадках можливий вихід приймача з ладу. У цьому порушується ланцюг захисного занулення. Векторна діаграма напруги та струмів при симетричному активно-індуктивному навантаженні наведена на рис.8.4 Рис.8.4 При несиметричному приймачі, наприклад: Za¹ Zb¹ Zc співвідношення IЛ=IФ зберігається, а співвідношення Uл=Ö 3*UФ порушується. На рис.8.5 показана векторна діаграма зі збільшенням навантаження у фазі «а», тобто за Za Для реактивної потужності знак + за індуктивного характеру навантаження, знак – за ємнісного характеру навантаження. Повна потужність трифазного ланцюга при несиметричному навантаженні дорівнює: S = При симетричному навантаженні повна, активна та реактивна потужності приймачів трифазного ланцюга відповідно дорівнюють: S = Ö 3*UЛ*IЛ; P=Ö 3*UЛ *IЛ *cosφФ; Q=Ö 3*UЛ *IЛ *sinφФ Або S=3SФ = 3UФ*IФ; P=3PФ=3UФ *IФ *cosφФ; Q=Ö 3*UЛ *IЛ *sinφФ МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ. У роботі виміру електричних величин проводяться за допомогою приладів безпосередньої оцінки. На стендах встановлені амперметри для включення кожної фази. Для вимірювання струму у нульовому дроті на стендах встановлені окремі прилади. На рис.8.8 наведено принципову схему лабораторної роботи. До клем A, B, C і N підводиться напруга 36 від трифазного понижуючого трансформатора, з'єднаного за схемою "зірка"/ "зірка" з нульовою точкою з напругою 380/36 B. Прилади A1..А7 і V вимірюють лінійні і фазні струми та напруги. Як навантаження трифазного ланцюга служать лампи розжарювання з Uном=36, Рном=40 Вт, включаються тумблерами SA1-SA3. Зміна навантаження регулюється кількістю включених ламп розжарювання у кожній фазі. Обрив фази здійснюється вимкненням тумблера SA4. Коротке замикання проводиться шляхом з'єднання проводом початку і кінця однієї фази тільки в трипровідному ланцюгу. Вивчення трифазного кола проводиться за схемою стенду.

Рис.8.8 ВИМОГИ БЕЗПЕКИ ПРАЦІ. Включати стенд у мережу лише з дозволу викладача. Під час роботи стенду не торкатися клем. Не робіть жодних ремонтних робіт на стенді, про несправність доповісти викладачеві. Не торкайтеся ламп розжарювання під час та після їх роботи. Не залишайте працюючий стенд без нагляду. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ Прилади та приладдя. Вимикання стенду здійснюється пакетним вимикачем QS, Рис.8.8. Призначення приладів: A4 – амперметр для виміру сили струму в нульовому дроті; A5, А6, A7 – амперметри для виміру сили струму у фазах а, b, c; V – вольтметр для вимірювання лінійних та фазних напруг ланцюга; Ознайомтеся із лабораторним стендом. Знайдіть вимикач, тумблери додаткових навантажень. Зберіть схему з'єднання навантаження зіркою з нульовим дротом. Монтажні схеми досвіду наведено на стенді. Покажіть зібрану схему для перевірки викладачеві або лаборанту. Запишіть технічні дані приладів, що застосовуються. Вимкніть стенд і встановіть симетричне навантаження фаз. Тумблери SA1, SA2, SA3 повинні бути відключені, тумблер SA4 у вихідному стані має бути включений. За показаннями амперметрів у фазах переконайтесь у рівності струмів у фазах, а також у відсутності струму в нульовому дроті. Виміряйте фазні та лінійні напруги. Досліджуйте навантаження в чотирипровідному ланцюзі в несиметричних режимах, зробивши такі досліди: збільште (зменшіть) навантаження в одній із фаз (наприклад, “a”); те саме у двох фазах; обрив однієї із фаз. Досліджуйте трипровідний ланцюг, тобто без нейтрального дроту. Для цього вимкніть автоматичний вимикач QF4 у ланцюзі нульового дроту і проробіть такі досліди: симетричне навантаження (так само, як пункт 3); збільште (зменшіть) навантаження в одній із фаз (наприклад, “a”); те саме у двох фазах; коротке замикання однієї із фаз. Відповідно до даних табл. 8.1 для всіх дослідів побудуйте векторні діаграми струмів та напруг. Зробіть висновки щодо роботи за формою, наведеною у лабораторній роботі №10 цього посібника. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ. У роботі проводяться прямі, одноразові виміри, точність яких оцінюється класом точності вимірювального проділу (UФ, UЛ, UNn, IФ, IЛ, IN). Результат виміру виражаємо двома числами, наприклад: I=4.00 ± 0,05 A, де 4.00 А – значення вимірюваної величини, 0,05 А – абсолютна похибка виміру. Оцінку точності мінімальних значень UNn, INn провести за формулою відносної похибки: d = K(XN/x) ; де К - клас точності приладу; ХN – нормуючі значення вимірюваної величини (верхня межа шкали приладу); x – значення вимірюваної величини. Викреслення електричних схем провадиться відповідно до ГОСТу. Побудова векторних та топографічних діаграм проводиться у масштабі. ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ. Яка мета роботи та який порядок її виконання? Зобразити схему досвіду із включенням всіх приладів. Вказати призначення всіх приладів. Написати формули зв'язку лінійних струмів і напруг зі своїми фазними значеннями при симетричному навантаженні при з'єднанні "зірку". Як визначаються величини cos φa, cos φb, cos φc, PF, PA, PB, PC, P, Q, S? Розповісти про порядок побудови векторної діаграми напруги та струмів для активного навантаження. Яке призначення нульового дроту? У яких випадках з нульового дроту протікає струм і як він визначається? Зобразити схему з'єднання навантаження “зіркою” та включити прилади для вимірювання фазних та лінійних струмів, струму у нейтральному дроті. Чому в нульовий провід ніколи не ставлять запобіжник? Зобразіть векторну діаграму напруги та струмів при збільшенні навантаження однієї з фаз чотирипровідного ланцюга. Зобразіть векторну діаграму напруги та струмів при збільшенні навантаження у двох фазах чотирипровідного ланцюга. Зобразіть векторну діаграму напруги та струмів при обриві одного з лінійних проводів у чотирипровідному ланцюгу. Література Касаткіна А.С. Електротехніка: підручник для вузів/О.С. Касаткіна,М.В. Нємцов. М: Видавничий центр «Академія, 2005. 542 с.

Трифазне джерело напруги та трифазне навантаження з'єднуються зіркоюабо трикутником. З'єднання зіркою показано на рис. 18.1.

Точка з'єднання всіх фаз джерела напруги називається нейтральною(або нульовий) точкою джерела та позначається N. Точка з'єднання всіх фаз навантаження називається нейтральною (або нульовою) точкою навантаження і позначається n.

Провід, що з'єднує нейтральні точки джерела та навантаження, називається нейтральним(або нульовим). Він забезпечує незалежну роботу фаз ланцюга. Тобто, якщо в одній фазі відбудуться зміни режиму роботи, дві інші фази цього "не помітять".

Струм у нейтральному дроті зазвичай буває менше, ніж у лінійних проводах, тому нейтральний провід часто роблять тоншим за лінійні проводи. При симетричному навантаженніструм у нейтральному дроті дорівнює нулю, тому в такому випадку (наприклад, при підключенні трифазних двигунів або печей) нейтральний провідвзагалі не використовують.

Нейтральний провід часто заземлюють і з'єднують із ним корпуси електроустаткування (захисне занулення).

Напруги називаються фазними, т.к. це напруги фаз джерела та навантаження. Напруги називаються лінійними, т.к. це напруга між лінійними дроти. Струми є одночасно фазними та лінійними, т.к. це одночасно струми фаз джерела та навантаження, а також струми в лінійних дротах.

Розглянемо рівняння, що описують стан аналізованого ланцюга. Відповідно до 2-го закону Кірхгофа:

Цей зв'язок між фазною і лінійною напругою можна зобразити на векторній діаграмі (рис. 18.2). З цього малюнка видно зв'язок діючих значень фазних та лінійних напруг:

.

На трифазних векторних діаграмах часто ставлять літери, що відповідають точкам схеми ел. ланцюги, наприклад, A, B, C, N(Рис. 18.2). Ці літери треба розуміти як позначення точок комплексної площини, що відповідають електричним потенціалам точок ланцюга A, B, C, N, що змінюються за синусоїдальним законом..

У нашому випадку j N= 0, j A = u A j B = u B, j C = u Cтому рівняння відповідає рівнянню u AB= j A- j B. Стрілка напруги на векторній діаграмі спрямована від точки Вдо точки А,тому що вона виходить як різниця векторів та .

Звернемо увагу на те, що відповідно до того ж рівняння u AB= j A- j Bстрілка тієї ж напруги u ABна схемі ланцюга за визначенням спрямована від точки Адо точки В.Ця відмінність виходить тому , що стрілки на схемі позначають напрямок обчислення напруги і струмів, а стрілки на векторних діаграмах - це зображення відповідних синусоїд на комплексній площині.

Відповідно до 1-го закону Кірхгофа , Тобто струм у нейтральному дроті дорівнює сумі струмів у лінійних дротах. Цей зв'язок струмів показаний на векторних діаграмах рис. 18.3-18.8.

Відповідно до рівнянь фаз навантаження (за законом Ома):

Такий зв'язок напруг та струмів для випадків різних навантажень показано на рис. 18.3 -18.8.

Векторні діаграми струмів розглянемо з прикладів деяких конкретних типів навантаження.

У найпростішому випадку симетричного резистивного навантаження (тобто коли всі три фази навантаження – це однакові резистори, як у досвіді №1 лабораторної роботи №4, рис. 18.3) векторна діаграма струмів і фазних напруг виглядає так, як показано на рис. 18.4. Струм та напруга кожного елемента навантаження збігаються по фазі, тому відповідні вектори спрямовані в один бік. Чинні значення всіх трьох струмів однакові, тому вектори струмів мають однакову довжину. Сума фазних струмів дорівнює нулю, тому струм у нейтральному дроті теж дорівнює нулю та не показаний на діаграмі.

Для несиметричного резистивного навантаження (коли всі три фази навантаження – це резистори, але з різним опором, рис. 18.5), векторна діаграма показана на рис. 18.6. Резистивне навантаження також називають активним. Вектор, що зображує струм у нейтральному дроті, дорівнює сумі векторів, що зображують фазні струми.

Для несиметричного навантаження, що складається з резистора у фазі a, активно-ємнісного елемента у фазі bта активно-індуктивного елемента у фазі c(Рис. 18.7), діаграма показана на рис. 18.8. Основна відмінність від рис. 18.6 полягає у зсувах фаз фазних струмів щодо фазних напруг.

Типові види навантаження трифазного ланцюга – це активне та активно-індуктивне. У досвіді №2 лабораторної роботи №3 паралельне з'єднання резистора і конденсатора є активно-ємнісним навантаженням.

Активна потужність трифазного навантаження дорівнює сумі потужностей фаз: . Потужності фаз можна виміряти, увімкнувши ватметри за схемою рис. 18.9. Кожен ватметр включений на фазну напругу і фазний струм відповідної фази навантаження. У разі симетричного навантаження можна виміряти потужність лише однієї фази та помножити її на три (при відсутності нейтрального дроту обмотка напруги підключається до нейтральної точки навантаження).