Что такое симметричная и несимметричная нагрузка

Исторически сложилось так, что широкое применение получили электрические системы, в которых ток одновременно течет по нескольким проводникам, но у него в каждом из них своя фаза колебаний. Если система состоит из трех цепей, берущих энергию от одного источника, но сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов, то ее называют трехфазной. В ней может присутствовать симметричная и несимметричная нагрузка.

График 3-фазного напряжения

Виды нагрузок

Если в трехфазной цепи нагрузка симметричная, то сопротивления всех фаз (Z_a, Z_b, Z_c) имеют одинаковое значение, фазовые сдвиги (f_a, f_b, f_c) между токами также одинаковы. То есть, симметричная трехфазная нагрузка возможна при условии, что Z_a=Z_b=Z_c и f_a=f_b=f_c. Данные равенства будут выполняться, если используются симметричные трехфазные электрические цепи. Симметричная система напряжений характеризуется тем, что сумма токов в любой момент времени имеет нулевое значение.

Условия существования симметричной нагрузки

Несимметричная нагрузка возникает в трехфазных системах, если сопротивление одной из фаз или даже всех не равны. Буквенно это можно изобразить так: Z_a≠Z_b=Z_c или Z_a=Z_b≠Z_c или Z_a≠Z_b≠Z_c. Обычно несимметрия напряжения наблюдается, когда отключается одна фаза.

Если несимметричную нагрузку подключить к симметричной системе, то в фазах появятся токи разной величины и разного направления. Их величину можно найти, исходя из закона Ома. Сумма фазных токов будет отличаться от нуля.

Условия для возникновения несимметричной нагрузки

Способы подключения к трехфазной системе

Потребители электроэнергии подключаются к трехфазным системам двумя основными способами. Их условно называют «звезда» и «треугольник». При использовании первого способа концы всех фаз соединяются в общий узел, а начала подключаются к нагрузке. В итоге образуется трехлучевая звезда сопротивлений. Три обратных провода в таком соединении сливаются в один. Он является нулевым или нейтральным.

Соединение звездой

При использовании схемы «треугольник» начало каждой фазы соединяется с концом предыдущей.

Соединение треугольником

Большее распространение получили трехфазные цепи, соединенные звездой. Это связано с тем, что при использовании звезды легче обеспечивается симметричная трехфазная нагрузка.

Чтобы несимметрия напряжений не возникала, используют 4 проводник, который называют нейтралью. По ней дают уравнительный ток. Нейтраль проводят к середине звезды, а затем присоединяют к заземлителю (части цепи, которая находится в контакте с землей). Эту систему называют TN (Terra-Nature) либо системой с глухозаземленной нейтралью.

Схема с нулевым проводом

Если нейтраль обрывается, возникает несимметрия напряжений. Это может привести не только к временным неудобствам, но и к опасности для здоровья и жизни. Чтобы такого не допустить, устанавливают реле напряжения — устройство, контролирующее силу тока, который будет поступать к потребителям. Таким образом, несимметричная трехфазная цепь держится под контролем.

Фазное и линейное напряжение

Как уже выяснили, существует 2 вида проводов: линейные и нейтральные. Первые служат для проводки тока, вторые — для регулирования. Из этого следует, что существует 2 вида напряжения: фазное и линейное.

Фазное напряжение протекает между линейным (фазным) проводом и нейтралью. Обозначается U_f, U_a, U_b, U_c. Какая будет выбрана комбинация букв, зависит от того, на какой фазе напряжение было измерено. Величина равна той, которая необходима для работы приборов. Раньше она составляла 110 В, потом стала 220В, а с недавнего времени значение выросло до 230В±10%.

Линейное напряжение идет по линейным проводам. Можно встретить следующие вариации обозначения: U_l, U_ab, U_ac, U_bc. Раньше были допустимы значения линейного напряжения до 380 В, сейчас повысили до 400В±10%. Для такого напряжения используются 3 линейных провода.

Отличие фазного и линейного напряжений заключается в том, что в первом ток проходит между основными и нейтральным проводом, а во втором — между двумя линейными проводниками. Так что если используются сети с линейным напряжением, то нельзя трогать ни один из проводов, а с фазным — все, кроме нейтрального.

Фазное и линейное напряжение

Также фазное и линейное напряжение отличаются по необходимому количеству проводов для снабжения электричеством. В первом случае должно быть, как минимум, два проводника — линейный и нейтраль. В новых сетях добавляется третий — защитное заземление. При использовании линейного напряжения количество проводов меняется в зависимости от прибора, к которому поступает электроэнергия.

При соединении звездой обеспечивается равенство фазных и линейных токов: I_Л = I_Ф. Линейное напряжение в такой схеме будет превышать фазное в 1.73 раза, то есть, напряжения связаны следующей зависимостью:

Зависимость между напряжениями

При соединении треугольником, наоборот, будут равны напряжения (U_Л = U_Ф), а линейный ток превышает фазный в 1.73 раза.

Симметрирующий трансформатор

Чтобы добиться симметричной нагрузки в трехфазных сетях, потребителей стараются распределять по фазам равномерно. Перевести несимметричный режим работы трехфазной цепи в симметричный можно с помощью специального устройства — симметрирующего трансформатора. Он используется для преобразования асимметричной нагрузки в симметричную, а также в его задачи входит минимизация просадки в сети при сильной нагрузке, уменьшение потерь электроэнергии. Работает это устройство в сетях с напряжением до 0.4 кВ. Его принцип действия заключается в выравнивании фазных напряжений за счет перераспределения мощности между фазами.

Схема работы трансформатора

Симметрирующий трансформатор повышает надежность и срок использования электрических устройств. Его широко применяют в военной сфере, жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ), дачных секторах. Также его используют в радиоделе. Прибор применяют для выравнивания тока в антеннах и питающем кабеле.

Другие способы симметрирования

Несимметрия токов и напряжений всегда нежелательна. Поэтому помимо трансформатора придумали много других способов симметрирования. Вот некоторые из них:

• преобразование и повторное использование электроэнергии. Оборудование для этого способа дорогое, а потери энергии большие. Поэтому метод не особо популярен;
• фильтровый метод. Несимметрия трехфазной системы напряжений убирается за счет электрических машин, использующихся как фильтр. Способ чреват сетевыми потерями, перегревом механизмов, снижением мощности и срока пользования устройств;
• компенсационный метод. Для достижения симметрии трансформаторы подключают к несимметричным нагрузкам. Этот способ эффективен, так как при нем энергетические показатели высоки, КПД (коэффициент полезного действия) имеет большое значение, а установленная мощность достаточно низкая.

Можно сделать вывод, что компенсационный метод наиболее эффективный и выгодный. Другие способы более затратные.

Видео по теме