3.9. Основні елементи трифазних кіл. Способи з’єднання обмоток трифазних генераторів

Трифазне електричне коло – сукупність електричних кіл, в яких діють синусоїдальні ЕРС однієї частоти, зсунуті за фазою на кут 120º (), що створюються загальним джерелом.

Фаза – частина трифазного кола, в якій може протікати один зі струмів системи трифазного струму (раніше було введене поняття "фаза" – електричний кут, що визначає миттєве значення змінної величини у певний момент часу).

Електрично незв’язана система. Має місце в тому випадку, коли кожна обмотка трифазного генератора є самостійним джерелом струму. Така система економічно не вигідна, тому що вимагає наявності 6 провідників (рис. 3.39).

Рис. 3.39 – Електрично незв’язана трифазна система

Для зменшення кількості провідників необхідно певним чином з’єднувати обмотки генератора між собою. Обмотки генератора можуть бути з’єднані "зіркою" або "трикутником". Споживач струму також може бути з’єднаний "зіркою" або "трикутником".

Розглянемо способи з’єднання обмоток трифазного генератора.

З’єднання обмоток трифазного генератора "зіркою". Порядок з’єднання обмоток трифазного генератора "зіркою" приведений на рис. 3.40.

Рис. 3.40 – З’єднання обмоток генератора "зіркою"

При з’єднанні обмоток трифазного генератора "зіркою" кінці кожної з трьох обмоток з’єднуються між собою, створюючи так звану "нейтральну точку" генератора, а початки обмоток підключаються до трьох провідників, що називаються лінійними (фазними). Нейтральні точки генератора і споживача будемо позначати, відповідно, "0" і "0′ ".  

Для передавання електричної енергії при з’єднанні обмоток генератора "зіркою" необхідні чотири провідники: три лінійних (фазних) провідники та один нейтральний провідник. 

Лінійний (фазний) провідник – провідник, який у нормальному режимі роботи електроустановки знаходиться під напругою і використовується для передавання і розподілу електричної енергії, але не є провідником середньої точки або нейтральним провідником (визначення приведене в п. 1.7.5 ПУЕ). Простіше кажучи, лінійний (фазний) провідник підводить електричну енергію від початку відповідної обмотки генератора до споживача. 

Початки обмоток генератора позначаються великими літерами англійського алфавіту  А, В, С, споживача – маленькими літерами a, b та c. Кінці обмоток генератора позначаються, відповідно, літерами Х, Y, Z, споживача – x, y, z.

Лінійні (фазні) провідники на схемах позначаються L1, L2, L3. Провідник L1 приєднується до виводу "А" обмотки трифазного генератора, L2 – до виводу "В", L3 – до виводу "С" відповідно. 

Нейтральний провідник (інколи застосовується застарілий термін "нульовий робочий провідник") – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, електрично з’єднаний з нейтральною точкою джерела живлення, що використовується для розподілення електричної енергії (визначення приведене в п. 1.7.24 ПУЕ). Нейтральний провідник на схемах позначається літерою N. Інколи, наприклад при симетричному трифазному навантаженні, нейтральний провідник може бути відсутнім – у цьому випадку трифазна мережа є трипровідною. 

Для запобігання помилкам застосовуються кольорові позначення струмовідних шин електроустановок: шина фази "А" – жовтий колір, шина фази "В"  – зелений колір, шина фази "С" – червоний колір, нейтральна шина "N" – блакитний колір. Колірне позначення має бути виконане по всій довжині шини. Допускається виконувати колірне позначення не по всій довжині шин, тільки колірне або тільки літерно-цифрове позначення, або колірне у поєднанні з літерно-цифровим тільки в місцях приєднання шин. 

При з’єднанні обмоток трифазного генератора "зіркою" у трифазній системі існує шість напруг: три фазних напруги та три лінійних напруги.

Фазна напруга – напруга між лінійним (фазним) та нейтральним провідниками. Фазні напруги позначаються UA, UB, UC, а в загальному випадку  – Uф.

Лінійна напруга – напруга між лінійними (фазними) провідниками. Позначається UAB, UBC, UCA, а в загальному випадку – Uл. Порядок індексів вказує позитивний напрямок напруги у зовнішньому колі. Перестановка індексів у лінійних напругах буде означати поворот вектора відповідної напруги на кут . 

Після підключення навантаження до джерела трифазного струму в електричному колі виникають фазні та лінійні електричні струми.

Фазні струми – струми у фазах генератора або споживача.

Лінійні струми – струми в лінійних (фазних) провідниках.

Встановимо співвідношення між лінійними і фазними напругами при з’єднанні обмоток генератора "зіркою". Для цього побудуємо векторну діаграму напруг. Побудову починаємо з відкладання векторів фазних напруг  , ,  (рис. 3.41).

Рис. 3.41 – Векторна діаграма напруг при з’єднанні обмоток генератора "зіркою"

Для визначення  лінійної  напруги,  наприклад UAB, необхідно обійти контур (A-X)-(Y-B), тобто пройти по обмотці А від її початку (вивід "А") до кінця (вивід "Х"), а по обмотці "В" – від її кінця (вивід "Y") до початку (вивід "В"): 

.

Аналогічно

, .

З аналізу будь-якого з трикутників векторної діаграми можна одержати співвідношення між лінійними та фазними напругами:

.                (3.79)

Отже, з’єднання обмоток генератора "зіркою" з нейтральним провідником дає можливість мати дві напруги, наприклад, 220/127 В, 380/220 В, 660/380 В.

Звичайно векторна діаграма будується у вигляді трикутника, в якому лінійні напруги є сторонами рівнобічного трикутника; фазні напруги дорівнюють 2/3 частини медіан цього трикутника (рис. 3.42). Така векторна діаграма називається "топографічною діаграмою".

Рис. 3.42 – Топографічна діаграма напруг при з’єднанні обмоток генератора "зіркою"

Як правило, на електростанціях обмотки генераторів з’єднують "зіркою" із заземленим нейтральним провідником.

З’єднання обмоток трифазного генератора "трикутником". При з’єднанні обмоток генератора "трикутником" кінець першої обмотки (вивід "Х") з’єднують із початком другої обмотки (вивід "В"), кінець другої обмотки (вивід "Y") – з початком третьої обмотки (вивід "С"), кінець третьої обмотки (вивід "Z") – з початком першої обмотки (вивід "А"). При цьому три обмотки створюють замкнуте коло – "трикутник" (рис. 3.43). 

При цьому способі з’єднання обмоток фазні напруги дорівнюють лінійним напругам: 

.                                                     (3.80)

Векторна діаграма напруг має вигляд, зображений на рис. 3.44.

Сума векторів лінійних напруг утворює замкнутий трикутник, тому: 

.                                               (3.81)

При неправильному вмиканні кінців і початків обмоток рівняння (3.81) не буде виконуватися, і у контурі, складеному з обмоток, буде існувати струм, величина якого перевищуватиме номінальне значення у два рази, тому що в контурі буде діяти подвійна напруга. Внаслідок дуже малих опорів обмоток це призведе до виходу з ладу генератора і до створення умов для виникнення пожежонебезпечної ситуації. Щоб виключити небезпеку появи такого струму, перевіряють відсутність подвійної напруги на холостому ході генератора за допомогою вольтметра.