System trójfazowy

Definicja i cechy systemów trójfazowych

System trójfazowy definiuje się jako układ elektryczny składający się z trzech faz. W takim ustawieniu prąd elektryczny płynie przez trzy odrębne przewody, podczas gdy przewód neutralny służy jako ścieżka dla prądu awaryjnego, który może bezpiecznie odprowadzać do ziemi. Można go również opisać jako system wykorzystujący trzy przewody do procesów generowania, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej. Ponadto system trójfazowy może działać jako system jednofazowy, wydzielając jedną z jego faz wraz z przewodem neutralnym. W zrównoważonym systemie trójfazowym suma prądów liniowych wynosi dokładnie zero, a fazy są oddalone od siebie o kąt 120º.

Typowy system trójfazowy używa czterech przewodów: trzech przewodników przesyłających prąd oraz jednego przewodu neutralnego. Znacząco, przekrój poprzeczny przewodnika neutralnego jest zwykle połową przekroju przewodników aktywnych. Prąd w przewodzie neutralnym równy jest wektorowej sumie prądów liniowych trzech faz. Matematycznie, jest to równoważne √3 razy składowej zerowej sekwencji prądu.

Systemy trójfazowe oferują wiele istotnych zalet. W porównaniu do systemów jednofazowych wymagają mniej przewodników, co zmniejsza koszty infrastruktury. Zapewniają również ciągłe zasilanie obciążenia, zwiększając niezawodność usługi elektrycznej. Ponadto systemy trójfazowe są znane z wyższej efektywności i minimalizacji strat mocy podczas przesyłania i działania.

Napięcia trójfazowe są generowane w generatorze, tworząc trzy sinusoidalne napięcia o jednakowej amplitudzie i częstotliwości, ale przesunięte względem siebie o 120º. Ta konfiguracja zapewnia nieprzerwane zasilanie. W przypadku zakłócenia w jednej fazie systemu, pozostałe dwie fazy mogą nadal dostarczać energię, utrzymując niezbędne usługi elektryczne. Ważne jest, aby zauważyć, że w zrównoważonym systemie trójfazowym, amplituda prądu w każdej fazie jest równa wektorowej sumie prądów w dwóch innych fazach, zgodnie z zasadami teorii obwodów elektrycznych.

Różnica fazowa 120º między trzema fazami jest kluczowa dla prawidłowego i niezawodnego działania systemu trójfazowego. Bez tej precyzyjnej relacji fazowej, system jest bardzo narażony na uszkodzenia, co może prowadzić do zakłóceń w dostawie energii, awarii sprzętu i potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa.

Rodzaje połączeń w systemie trójfazowym

Systemy trójfazowe mogą być skonfigurowane na dwa główne sposoby: połączenie gwiazdy i połączenie trójkąta. Każda z tych metod połączenia ma unikalne cechy i zastosowania, które są szczegółowo opisane poniżej.

Połączenie gwiazdy

Połączenie gwiazdy, znane również jako połączenie Y, wykorzystuje cztery przewody: trzy przewodniki fazowe i jeden przewód neutralny. Ten rodzaj połączenia jest szczególnie odpowiedni do długodystansowego przesyłania energii elektrycznej. Obecność punktu neutralnego jest kluczową zaletą. Służy on jako ścieżka dla nierównych prądów, umożliwiając im bezpieczny odpływ do ziemi. Efektywne obsługiwaniu tych nierównych prądów połączenie gwiazdy pomaga utrzymać ogólną równowagę systemu elektrycznego, zmniejszając ryzyko przeciążenia i zapewniając stabilne dostarczanie energii na duże odległości.

W systemie trójfazowym połączonym w gwiazdę dostępne są dwa różne poziomy napięcia: 230 V i 440 V. Dokładnie, napięcie mierzone między pojedynczym przewodnikiem fazowym a neutralnym wynosi 230 V, podczas gdy napięcie między dowolnymi dwoma przewodnikami fazowymi wynosi 440 V. Ta cecha dualnego napięcia sprawia, że połączenie gwiazdy jest wszechstronne dla różnych zastosowań elektrycznych, spełniając zarówno niskonapięciowe potrzeby domowe, jak i wysokonapięciowe potrzeby przemysłowe.

Połączenie trójkąta

Połączenie trójkąta, w przeciwieństwie do tego, wykorzystuje tylko trzy przewody i nie ma punktu neutralnego, jak pokazano na poniższym rysunku. Jedną z charakterystycznych cech połączenia trójkąta jest to, że napięcie linii jest identyczne z napięciem fazy. Ta konfiguracja upraszcza ustawienie elektryczne w niektórych scenariuszach, szczególnie tam, gdzie brak przewodu neutralnego jest akceptowalny, a projekt systemu korzysta z bezpośredniej równoważności napięć linii i fazy.

Połączenie obciążeń w systemach trójfazowych

W systemie elektrycznym trójfazowym obciążenia mogą być połączone w konfiguracji gwiazdy (Y) lub trójkąta (Δ). Te dwie metody połączenia mają unikalne cechy elektryczne i zastosowania. Poniższe diagramy ilustrują, jak obciążenia trójfazowe są połączone zarówno w układzie trójkąta, jak i gwiazdy, dostarczając jasny wizualny przedstawienie ich strukturalnych różnic i zachowań elektrycznych.

W systemie elektrycznym trójfazowym obciążenie można sklasyfikować jako zrównoważone lub nierównoważone. Trójfazowe obciążenie uznaje się za zrównoważone, gdy trzy indywidualne obciążenia (reprezentowane przez impedancje) Z1, Z2 i Z3 mają zarówno identyczne wartości, jak i kąty fazowe. W takich warunkach zrównoważonych, wszystkie napięcia fazowe mają równe wartości, a napięcia liniowe również charakteryzują się tym, że mają równe wartości. Ta symetria w wartościach napięć i impedancji powoduje bardziej stabilne i efektywne działanie elektryczne, minimalizując straty mocy i zapewniając równomierne rozłożenie energii elektrycznej w całym systemie.