Trofazna izmjenična struja

Danas je to najčešći trofazni sustav izmjenične struje diljem svijeta.

Trofaznim električnim krugom nazivamo sustav koji se sastoji od tri kruga u kojima djeluju izmjenične struje, EMF iste frekvencije, međusobno izvan faze za 1/3 perioda (φ=2π/ 3). Svaki pojedini strujni krug takvog sustava ukratko nazivamo njegovom fazom, a sustav triju fazno pomaknutih izmjeničnih struja u takvim krugovima jednostavno nazivamo trofaznom strujom.

Gotovo svi generatori ugrađeni u naše elektrane su generatori trofazne struje... U biti, svaki takav generator je spoj u jednom električnom stroju triju alternatora, konstruiranih na način da inducirani u njima EMF pomaknute jedna u odnosu na drugu za jednu trećinu perioda kao što je prikazano na sl. 1.

Riža. 1. Grafikoni vremenske ovisnosti EMF inducirane u namotima armature generatora trofazne struje

Kako je takav generator implementiran lako je razumjeti iz kruga na sl. 2.

Riža. 2. Tri para neovisnih žica spojenih na tri armature generatora trofazne struje napajaju rasvjetnu mrežu

Postoje tri neovisne armature smještene na statoru električnog stroja i pomaknute za 1/3 kruga (120O). Induktor koji je zajednički svim armaturama rotira u središtu električnog stroja prikazanog na dijagramu u obliku trajni magnet.

U svakoj zavojnici inducira se izmjenični EMF ista frekvencija, ali vremena kada te ems prolaze kroz nulu (ili kroz maksimum) u svakoj od zavojnica bit će pomaknuta za 1/3 perioda relativno jedno prema drugom jer induktor prolazi kroz svaki svitak 1/3 perioda kasnije od prethodnog.

Svaki namot trofaznog generatora je samostalni generator struje i izvor električne energije. Spajanjem žica na krajeve svakog kao što je prikazano na sl. 2, dobili bismo tri neovisna kruga, od kojih bi svaki mogao napajati određene električne prijemnike, na primjer električne svjetiljke.

U ovom slučaju, za prijenos sve energije koja se apsorbira električni prijemnici, bit će potrebno šest žica. Međutim, moguće je spojiti namote trofaznog generatora struje na takav način da obrađuju četiri ili čak tri žice, odnosno značajno uštedjeti ožičenje.

Prvi od ovih načina naziva se veza u zvijezdu (slika 3).

Riža. 3. Četverožilni sustav ožičenja pri spajanju trofaznog generatora sa zvijezdom. Potrošači (skupine električnih žarulja I, II, III) napajaju se faznim naponima.

Stezaljke zavojnica 1, 2, 3 nazvat ćemo početkom, a stezaljke 1′, 2′, 3′ krajevima odgovarajućih faza.

Spajanje zvijezda je u tome što krajeve svih namota spojimo na jednu točku generatora, koja se zove nulta točka ili neutral, a generator spojimo na prijemnike električne energije s četiri žice: tri linearne tzv. žice koje dolaze od početka namota 1, 2, 3 i neutralna ili neutralna žica koja ide od nulte točke generatora. Ovaj sustav ožičenja naziva se četverožilni.

Naponi između nultočke i ishodišta svake faze nazivaju se fazni naponi, a naponi između ishodišta namota, odnosno točaka 1 i 2, 2 i 3, 3 i 1, nazivaju se linijski... Faza naponi obično označavaju U1, U2, U3 ili općenito Uf, a linijski napon U12, U23, U31 ili općenito Ul.

Između amplituda ili srednjih vrijednosti fazni i linijski napon pri spajanju namota generatora zvijezdom postoji omjer Ul = √3Uf ≈ 1,73Ue

Tako, na primjer, ako je fazni napon generatora Uf = 220 V, tada pri spajanju namota generatora u zvijezdu, linijski napon Ul - 380 V.

U slučaju ravnomjernog opterećenja triju faza generatora, odnosno s približno jednakim strujama u svakoj od njih, struja u neutralnoj žici je nula... Dakle, u ovom slučaju možete ukloniti neutralnu žicu i prijeđite na još ekonomičniji trožilni sustav. U tom slučaju sva su opterećenja spojena između odgovarajućih parova linijskih vodiča.

U neuravnoteženom opterećenju, struja u neutralnom vodiču nije jednaka nuli, ali općenito govoreći manja je od struje u linijskom vodiču. Stoga, neutralna žica može biti tanja od linijske žice.

Pri radu s trofaznom izmjeničnom strujom nastoje se što je moguće jednakije opterećenje različitih faza.Zato se, na primjer, pri uređenju rasvjetne mreže velike kuće s četverožilnim sustavom u svaki stan uvodi neutralna žica i jedna od linearnih na način da u prosjeku svaka faza ima približno jednaku opterećenje.

Drugi način povezivanja namota generatora, koji također omogućuje trožilno ožičenje, je trokut spoj prikazan na sl. 4.

Riža. 4. Dijagram spajanja namota trofaznog generatora s trokutom

Ovdje je kraj svake zavojnice spojen s početkom sljedeće, tako da tvore zatvoreni trokut, a vodovi su povezani s vrhovima tog trokuta - točke 1, 2 i 3. Kada se spoje s trokutom, linijski napon generatora jednak je njegovom faznom naponu: Ul = Ue.

Stoga prebacivanje namota generatora sa zvijezde na trokut dovodi do smanjenja mrežnog napona u √3 ≈ 1,73 puta... Trokut spoj je također dopušten samo uz isto ili gotovo isto fazno opterećenje. Inače će struja u zatvorenoj petlji namota biti prejaka, što je opasno za generator.

Kod trofazne struje mogu se i zasebni prijamnici (teretači) napajani zasebnim parovima žica spojiti ili u zvijezdu, odnosno tako da im je jedan kraj spojen na zajedničku točku, a ostala tri slobodna kraja su spojeni na linijske vodove mreže ili trokutom, odnosno tako da su svi potrošači spojeni u seriju i čine zajednički strujni krug, na čije točke 1, 2, 3 se spajaju linearni vodovi mreže.

Na sl. 5 prikazuje spajanje opterećenja u zvijezdu s trožilnim sustavom ožičenja, a na sl.6 — s četverožilnim sustavom ožičenja (u ovom slučaju, zajednička točka svih opterećenja povezana je s neutralnom žicom).

Na sl. Slika 7 prikazuje dijagram spajanja trokutnog opterećenja za trožilni sustav ožičenja.

Riža. 5. Spajanje potrošača u zvijezdu s trožilnim sustavom ožičenja

Riža. 6. Spajanje potrošača u zvijezdu s četverožilnim sustavom ožičenja

Riža. 7. Spajanje trošila u trokut s trožilnim sustavom ožičenja

U praksi je važno uzeti u obzir sljedeće. Kada su trošila spojena u trokut, svako je opterećenje pod linijskim naponom, a kada su spojena u zvijezdu, pod naponom √3 puta manjim. Za slučaj četverožilnog sustava, to je jasno sa sl. 6. Ali isti je slučaj i s trožilnim sustavom (slika 5).

Između svakog para linijskih napona ovdje su dva trošila povezana u seriju, struje u kojima su fazno pomaknute za 2π/ 3. Napon u svakom trošilu jednak je odgovarajućem mrežnom naponu podijeljenom s √3.

Dakle, pri prebacivanju opterećenja iz zvijezde u trokut, naponi na svakom opterećenju, a time i struja u njemu, rastu za √3 ≈ 1,73 puta. Ako je, na primjer, linijski napon trožilne mreže 380 V, tada će, kada je spojen u zvijezdu (sl. 5), napon svakog od trošila biti jednak 220 V, a kada je spojen s trokuta (sl. 7) bit će jednak 380 V.

U pripremi članka korišteni su podaci iz udžbenika fizike urednika G.S. Landsberga.