Что такое фазный ток, как его найти и измерить

В большинстве стран, в том числе и в России, используется трехфазная система электроснабжения. В ней действуют ЭДС синусоидального типа, которые образуются от единого генератора и имеют синхронную частоту. При подключении к трехфазной сети следует понимать, что такое фазные и линейные токи, а также напряжения.

Преимущества и недостатки трехфазных сетей

Основное преимущество трехфазных электросетей переменного тока — простота образования вращающегося магнитного поля. Это привело к созданию асинхронных короткозамкнутых двигателей как наиболее распространенных исполнительных электромоторов в мире.

Трехфазное питание двигателей с короткозамкнутым ротором легко обеспечивает следующие качества:

• легкий реверс. Изменяя чередование фаз на статоре при помощи пускателей можно менять направление вращения;
• снижение пусковых токов. Переключением звезда-треугольник обмоток статора снижается пусковой ток — фазный ток при выходе двигателя из состояния покоя;
• ступенчатое регулирование скорости. За счет переключения пар полюсов трехфазная система превращается в шестифазную у двухскоростных асинхронных двигателей;
• плавное регулирование оборотов. Изменяя частоту и амплитуду трехфазного питания, можно регулировать скорость короткозамкнутого двигателя в определенных пределах.

В системах трехфазного электроснабжения использование меньшего количества проводов и уменьшенного сечения нулевого провода на больших расстояниях дает существенную экономию цветных металлов. Магнитопровод и обмотки трехфазных трансформаторов при равных габаритах значительно мощнее однофазных, что тоже важно.

Использование трехфазных обогревателей позволяет иметь различный фазный ток нагрева при переключении звезда-треугольник. Это позволяет управлять скоростью нагрева объекта, что бывает полезным при включении и экономичным при поддержании заданной температуры.

Повсеместное использование люминесцентных и светодиодных светильников в промышленности при подключении их к разным фазам трехфазной системы снижает стробоскопический эффект. Сдвиг по фазе питающих токов снижает пульсации ламп.

Одно из основных требований к трехфазным нагрузкам — не допустить перекоса фаз. Для этого надо распределять однофазные устройства на группы и равномерно разносить их по трем фазам. Кроме того, при наличии двигателей переменного тока, установленных на механизмах, требуется следить за правильностью чередования фаз, чтобы при включении станки и агрегаты вращались в нужном направлении. В промышленности за этим следят электрики.

В частном домовладении распределение потребителей по группам ложится на владельца. Если не планируется в доме мощных трехфазных устройств типа котлов или варочных панелей, прокладывать такие сети внутри нет необходимости. Это дорого и, возможно, есть ограничение по мощности подключения от электросетей.

Что такое трехфазный генератор

Основой трехфазной сети является генератор, на якоре которого размещены три обмотки. Они разнесены по окружности относительно друг друга на 120 градусов. В каждой замкнутой катушке, вращающейся в однородном магнитном поле статора подобно замкнутой рамке, будет образовываться синусоидальная ЭДС, которая создаст ток той же частоты и формы.

Чтобы катушки не действовали друг против друга, создавая ЭДС взаимоиндукции, они должны быть намотаны либо по часовой или против часовой стрелки, но все в одном направлении. Переменный ток снимается с контактных колец щетками и поступает на нагрузку. Каждая катушка — это фаза. Для их обозначения используются латинские буквы А, В, С. Переменные токи, присутствующие в фазах, называют фазными. Их обозначают I_Ф или для каждой фазы I_А, I_В, I_С. Токи, протекающие в ветвях нагрузки, принято называть линейными. Значение линейных токов зависит от величины фазных напряжений и типа нагрузки.

Формулы для определения значения ЭДС в каждой самостоятельной катушке генератора в зависимости от угла вращения будут иметь вид:

ЭДС можно представить графически в виде трех синусоид, сдвинутых на 1/3 периода.

Аналогично происходит образование токов, если разнесенные на угол 120 градусов (2π/3) обмотки размещены на статоре генератора, а вращается постоянный магнит — ротор электрической машины. Привод, обеспечивающий равномерное вращение ротора, может быть любым.

Соединение обмоток генератора

Обмотки генератора соединяют либо в звезду, либо в треугольник. В первом случае начала обмоток электрической машины соединены вместе (Н_А+Н_В+Н_С), а концы К_А, К_В, К_С выводятся на нагрузку (концы вместе, а начала на нагрузку тоже правильно). При соединении в треугольник начало одной обмотки соединяется с концом другой (Н_А+К_В, Н_В+К_С, Н_С+К_А), а на нагрузку выводятся места соединения.

Соединение звездой

При соединении генератора переменного тока с нагрузкой по схеме звезда в несимметричных системах, когда фазы могут быть нагружены по-разному, применяется нулевой провод. С его помощью нейтраль генератора подключают к нейтрали приемника. Так можно устранить перекос фаз, если появляется разность между напряжениями точек N и n.

При разных сопротивлениях в приемнике фазные токи различны по величине. Ток в проводе, соединяющем нейтрали, определяется как сумма векторов всех фазных токов:

Разность потенциалов между проводниками, соединяющими обмотки генератора и приемника, называется линейным напряжением. При соединении звездой фазным напряжением становится  потенциал на выходе из обмотки и нулевой точки звезды. Для определения соотношения между значениями линейного и фазного напряжения используется формула:

При соединении в звезду фазный и линейный ток имеют одинаковое значение в приемниках с одинаковыми сопротивлениями. Там, где сопротивления не равны, величина линейных и фазных токов будет определяться нагрузкой.

Соединение генератора и 3-х фазной нагрузки в звезду возможно без нейтрального провода при одинаковых сопротивлениях фаз приемника. Соотношения напряжений и токов при этом соответствуют варианту с симметричной нагрузкой. Трехфазный несимметричный приемник без провода, соединяющего нейтрали, создает аварийную ситуацию.

Соединение треугольником

Подключение начала одной обмотки трехфазного генератора к концу другой образует треугольник — замкнутый контур, сумма ЭДС внутри которого равна 0.

При соединении обмоток треугольником в случае симметричной нагрузки справедливым является соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

Согласно закону Кирхгофа, в вершинах треугольника приемника линейные токи можно определить по формулам:

Токи в фазах приемника можно найти, исходя из закона Ома:

При несимметричной нагрузке (различном сопротивлении фаз приемника) исходят из того, что она (не симметрия) никак не влияет на фазные напряжения и токи генератора, то есть, мощность источника бесконечно велика по сравнению с приемником. При таком допущении зависимость между фазными и линейными токами остается той же, что и при симметричной нагрузке.

Если необходимо узнать величину тока и напряжения в трехфазной цепи, зачастую выполняют измерение одного из линейных токов и одного из линейных напряжений. Измеряется параметр таким же способом, что и в однофазной цепи. Для этого используют вольтметры, амперметры и трансформаторы тока.

Видео по теме