В технике широкое применение находит симметричная трехфазная система, которая представляет собой совокупность трех электрических цепей, в которых действуют ЭДС с одинаковыми частотами и амплитудами и сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°.
Ее преимущества: меньший расход материала проводов при одинаковой с однофазной системой мощности; простота, надежность и экономичность генераторов и двигателей, возможность иметь напряжения двух разных значений (фазного 220 В и линейного 380 В).
Трехфазную систему предложил, изготовил и применил на практике М.О. Доливо-Добровольский и с 1891 года она стала преобладающей. Простейший синхронный генератор, широко применяемый для получения трехфазного тока имеет на статоре три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 120° относительно друг друга.
При вращении ротора, выполненного в виде постоянного электромагнита, в обмотках статора наводятся три синусоидальные ЭДС (еА, еВ, еС) одинаковой частоты и с равными амплитудами, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Отдельные обмотки трехфазного генератора называются фазами. Они обозначаются буквами А, В, С.
В трехфазной системе сумма мгновенных значений ЭДС фаз в любой момент времени равна нулю
Если начальную фазу ЭДС еА принять равной нулю, то мгновенные значения ЭДС трехфазной системы можно представить в виде:
В комплексной форме действующие значения ЭДС могут быть представлены в виде:
На комплексной плоскости трехфазная система ЭДС может быть изображена в виде трех векторов, сдвинутых на 120° относительно друг друга.
Обмотки трехфазных генераторов соединяют обычно звездой (Y), так как такое соединение дает возможность получить два разных напряжения (линейное и фазное).
Трехфазные приемники электрической энергии могут соединяться звездой (Y) или треугольником (D).
При соединении звездой концы фаз X,Y,Z приемника объединяют в общий узел «n», называемый нейтральной точкой. К началам фаз подводятся линейные провода, от начальной точки выводится нейтральный провод.
При соединении трехфазных генераторов и приемников наиболее распространенными являются схемы:
- — звезда (генератор) – звезда (приемник) с нейтральным проводом (связанная четырехпроводная система);
- — звезда – звезда без нейтрального провода.
Рассмотрим пример соединения трехфазного приемника звездой с нейтральным проводом.
ZA, ZB, ZC — комплексные сопротивления фаз.
Трехфазная система считается симметричной, если выполняется условие
ZA = ZB = ZC
IA, IB, IC — линейные токи, Ia, Ib, Ic -фазные токи. При соединении трехфазного приемника звездой линейный ток равен фазному IЛ = IФ.
Фазное напряжение UA (Uф) это напряжение между началом А фазы и концом Х фазы.
Линейное напряжение UAB (UЛ) это напряжение между началами двух фаз (фазы А и фазы В) UAB = UA — UB.
При соединении звездой линейное напряжение больше фазного
Нейтральный провод в четырехпроводной трехфазной системе соединяет нейтральный точки генератора и приемника. Это приводит к тому, что напряжения на каждой фазе приемника будут равны соответствующим напряжениям генератора. Таким образом, обеспечивается симметрия фазных напряжений несимметричного приемника.
Ток нейтрального провода. Он равен сумме токов трех фаз (для мгновенных значений или комплексных)
При симметричной нагрузке фаз приемника ток в нейтральном проводе отсутствует и нейтрального провода не требуется. Примером трехфазного приемника с симметричной нагрузкой является трехфазный асинхронный двигатель.
На рисунке изображена векторная диаграмма для случая несимметричной активной нагрузки в фазах трехфазного приемника
В случае несимметричной нагрузки фаз и обрыве нейтрального провода, что является аварийной ситуацией, между нейтральными точками генератора и приемника возникает напряжение, называемое напряжением между нейтралями. Его появление приведет к тому, что нарушится симметрия напряжений фаз трехфазного приемника. На некоторых фазах приемника напряжения могут значительно превысить номинальные, что может привести к выходу из строя бытовых потребителей. Поэтому в нейтральный провод не включают ни плавкие предохранители, ни выключатели.