Sistem trifazat

Un sistem trifazat , în inginerie electrică , indică un sistem combinat de 3 circuite de curent alternativ (pentru producerea, distribuția și utilizarea energiei electrice ) având aceeași frecvență (isofrecvențială).

Comparativ cu un sistem monofazat de curent alternativ , costul materialelor și al cablurilor electrice este redus la jumătate pentru aceeași putere electrică transformată și generată.

Definiția three-phase generator

Când se lucrează în sisteme de producție, distribuție și utilizare a energiei electrice , este obișnuit să se numească un generator monofazat un generator de tensiune sinusoidală.

Un generator trifazat poate fi obținut prin conectarea a trei generatoare monofazate sinusoidale, isofrecvențiale, pentru a forma un tripol (a se vedea figura). Conexiunea lor poate fi:

stea, dacă cei trei generatori partajează un terminal,
triunghi, altfel.

Generator trifazat cu conexiune stea

La tensiunile de $e_{1}(t)$ ${\ displaystyle e_ {1} (t)}$ $e_ {1} (t)$ , $e_{2}(t)$ ${\ displaystyle e_ {2} (t)}$ $e_ {2} (t)$ Și $e_{3}(t)$ ${\ displaystyle e_ {3} (t)}$ $e_ {3} (t)$ dăm numele de tensiuni stelare sau de fază . Ele corespund potențialelor nodurilor A, B și C măsurate în raport cu centrul stelei (terminalul comun, în imaginile numite N). Tensiunile stelare corespund tensiunilor celor trei generatoare monofazate care alcătuiesc generatorul trifazat.

Tensiunile de la linie la linie pot fi definite după cum urmează:

$u_{AB}(t)=e_{1}(t)-e_{2}(t)$ ${\ displaystyle u_ {AB} (t) = e_ {1} (t) -e_ {2} (t)}$ $u _ {{AB}} (t) = e_ {1} (t) -e_ {2} (t)$

$u_{BC}(t)=e_{2}(t)-e_{3}(t)$ ${\ displaystyle u_ {BC} (t) = e_ {2} (t) -e_ {3} (t)}$ $u _ {{BC}} (t) = e_ {2} (t) -e_ {3} (t)$

$u_{CA}(t)=e_{3}(t)-e_{1}(t)$ ${\ displaystyle u_ {CA} (t) = e_ {3} (t) -e_ {1} (t)}$ $u _ {{CA}} (t) = e_ {3} (t) -e_ {1} (t)$ .

Tensiuni de fază și de fază la fază

În cazul unui sistem trifazat simetric și echilibrat, cele trei generatoare monofazate care alcătuiesc generatorul trifazat sunt isofrecvențiale (adică cu aceeași frecvență) și fazele lor diferă de ${\frac {2}{3}}\pi$ ${\ displaystyle {\ frac {2} {3}} \ pi}$ ${\ frac {2} {3}} \ pi$ radiani (120 ° ).

Tensiunile măsurate între punctele AB , BC și CA se numesc tensiuni fază-fază . Într-un sistem echilibrat și simetric, relația dintre tensiunile de fază și tensiunile de fază la fază este dată de:

${\bar {U}}_{AB}={\bar {E}}_{1}-{\bar {E}}_{2}={\sqrt {3}}E_{eff}e^{j(\alpha -{\frac {\pi }{6}})}$ ${\ displaystyle {\ bar {U}} _ {AB} = {\ bar {E}} _ {1} - {\ bar {E}} _ {2} = {\ sqrt {3}} E_ {eff} e ^ {j (\ alpha - {\ frac {\ pi} {6}})}}$ ${\ bar U} _ {{AB}} = {\ bar E} _ {1} - {\ bar E} _ {2} = {\ sqrt {3}} E _ {{eff}} e ^ {{ j (\ alpha - {\ frac {\ pi} {6}})}}$

${\bar {U}}_{BC}={\bar {E}}_{2}-{\bar {E}}_{3}={\sqrt {3}}E_{eff}e^{j(\alpha -{\frac {5\pi }{6}})}$ ${\ displaystyle {\ bar {U}} _ {BC} = {\ bar {E}} _ {2} - {\ bar {E}} _ {3} = {\ sqrt {3}} E_ {eff} e ^ {j (\ alpha - {\ frac {5 \ pi} {6}})}}$ ${\ bar U} _ {{BC}} = {\ bar E} _ {2} - {\ bar E} _ {3} = {\ sqrt {3}} E _ {{eff}} e ^ {{ j (\ alpha - {\ frac {5 \ pi} {6}})}}$

${\bar {U}}_{CA}={\bar {E}}_{3}-{\bar {E}}_{1}={\sqrt {3}}E_{eff}e^{j(\alpha -{\frac {3\pi }{2}})}$ ${\ displaystyle {\ bar {U}} _ {CA} = {\ bar {E}} _ {3} - {\ bar {E}} _ {1} = {\ sqrt {3}} E_ {eff} e ^ {j (\ alpha - {\ frac {3 \ pi} {2}})}}$ ${\ bar U} _ {{CA}} = {\ bar E} _ {3} - {\ bar E} _ {1} = {\ sqrt {3}} E _ {{eff}} e ^ {{ j (\ alpha - {\ frac {3 \ pi} {2}})}}$

unde este $E_{eff}$ ${\ displaystyle E_ {eff}}$ $Și _ {{eff}}$ este valoarea efectivă a tensiunilor trifazate, legată de valoarea de vârf (maximă) de relație $E_{eff}={\frac {E_{p}}{\sqrt {2}}}$ ${\ displaystyle E_ {eff} = {\ frac {E_ {p}} {\ sqrt {2}}}}$ $E _ {{eff}} = {\ frac {E_ {p}} {{\ sqrt 2}}}$ , Și $j$ ${\ displaystyle j}$ $j$ este unitatea imaginară .

Se poate arăta că, în aceste condiții, sau în cazul unui sistem echilibrat simetric (sarcini echilibrate), suma tensiunilor stea este zero, făcând efectiv un conductor suplimentar pe care să închidă tensiunile inutile ( conductor neutru - vezi mai târziu ).

Tensiunile utilizate în Italia sunt:

astăzi, 230 V între fază neutră, 400 V între fază fază
înainte de adaptarea la rețeaua europeană, fază neutră de 220 V și fază de fază de 380 V.

Diagramele de conexiune

Stea (simbol: Y )
Schema de conectare stea
Triunghi sau deltă (simbol: Δ )
Schema de conectare triunghiulară

Conectarea sarcinilor în practica zilnică, de exemplu înfășurările unui motor electric sau a unui transformator , se poate face în două moduri. În general, pe mașini există o cutie (bloc terminal) în care este posibilă configurarea circuitului prin intermediul jumperilor, pentru a adapta funcționarea la tensiuni de linie de 400 sau 230 volți. În unele motoare mari asincrone trifazate concepute să funcționeze cu înfășurările conectate în delta (prin urmare supuse tensiunii fază-fază) este posibilă efectuarea pornirii în stea (vezi Motor trifazat§ Conexiune și direcția de rotație ).

Configurația delta prezintă între două linii (faze) o impedanță echivalentă egală cu valoarea impedanțelor utilizate (I), în timp ce în configurația în stea valoarea este mai mare decât un factor rădăcină de 3.

Neutrul

În configurația stelară există un punct central pe care converge un terminal din fiecare impedanță. Acest punct se numește neutru . Potențialul electric prezent la punctul neutru este suma vectorială a tensiunilor de fază, care într-un sistem echilibrat și simetric are valoare zero. Dacă sistemul devine dezechilibrat sau tensiunile devin asimetrice, punctul neutru se îndepărtează de centrul stelei. În acest caz, tensiunile neutre de fază nu vor fi egale între ele.

În general, în cabinele de distribuție electrică , secundarul reducerii transformatorului este configurat într-o stea, iar punctul neutru este conectat la pământ prin intermediul unui dispozitiv de scufundare în pământ. De asemenea, este livrat utilizatorului (în plus față de faze) prin intermediul liniei neutre.

Scopul este de a permite returnarea diferenței de curent între liniile de fază din caz, care este foarte frecventă în distribuția publică de energie electrică, în care încărcăturile prezente nu sunt echilibrate. În această situație, de fapt, potențialul neutrului transformatorului și potențialul neutrului sarcinii nu se potrivesc. Conexiunea neutră reprezintă un scurtcircuit care tinde să egalizeze potențialul neutru al sarcinii cu cel al transformatorului, restabilind astfel parțial simetria tensiunilor de linie.

Utilizatorul monofazat

Contor electronic trifazat cu comutator neautomatic controlat de bobina de eliberare, model utilizat de ENEL (limitarea puterii este gestionată de un circuit electronic care controlează eliberarea; conexiunile pentru cele trei faze separate R, S, T + neutru)

În majoritatea locuințelor există doi conductori: un conductor de fază și neutrul. Tensiunea de fază la neutru este de 220-230V, care este tensiunea de funcționare a majorității aparatelor de uz casnic.

Acest lucru se face în esență pentru economia sistemului, în secțiuni destinate în principal iluminatului și altor utilizări în care o fază este suficientă; nu trebuie să aveți de-a face cu mașini rotative mari, așa cum se întâmplă în industrii, iar puterea instalată este limitată la câțiva kW .

Aprovizionările către utilizatorii monofazici sunt distribuite între cele trei faze pentru a încerca să echilibreze absorbția și să optimizeze transportul. Curenții de retur de la neutrul caselor se compensează reciproc în așa fel încât curentul neutru spre transformatorul din cabină să tindă la zero.

În unele zone ale Italiei (în special în unele cartiere din și în jurul Romei, inclusiv Ostia ) există încă o distribuție trifazată cu tensiune fază-fază de 220 V, cu tensiune neutră de fază de 127 V, din cauza întârzierilor în adaptarea la standardele europene. valori standard (400/230 V). În aceste cazuri, neutrul nu este utilizat și utilizatorii definiți în mod necorespunzător ca „monofazat” sunt conectați între două faze pentru a furniza 220 V; utilizatorii trifazici primesc doar conductorii trifazici (posibilitatea de a lua monofaza la 127 V nu ar găsi nici o utilizare astăzi). Sunt situații „temporare”, destinate a fi remediate într-un timp scurt. Pentru a evita problemele cu utilizatorii trifazati, multe sisteme folosesc un transformator step-up pentru a obtine valorile standard de 400/230 V; neutrul se obține prin conectarea punctului stelar al secundarului la sistemul de pământ al clădirii. În acest fel este asigurată funcționarea echipamentului normal disponibil pe piață, iar ajustarea rețelei la valorile standard va implica doar îndepărtarea transformatorului.

Alimentările monofazate se acordă în mod normal pentru o putere angajată de până la 6 kW, ajungând rar la 10 kW (la discreția operatorului); peste 10 kW sunt permise doar alimentările trifazate. Aceste limitări sunt impuse de operator pentru a evita dezechilibrele locale pe rețeaua finală de distribuție de joasă tensiune.

Măsurarea activă a puterii

Același subiect în detaliu: măsurători de putere în sisteme trifazate .

Puterea activă absorbită de o sarcină trifazată, care este cea luată în considerare în scopul facturării, poate fi obținută prin adăugarea puterilor măsurate pe fazele individuale. Pentru fiecare fază, având în vedere tensiunea V între fază și neutru, intensitatea curentului I și unghiul de fază (între tensiune și curent) φ, este

$P_{f}=V_{fn}\cdot I_{f}\cdot \cos \varphi$ ${\ displaystyle P_ {f} = V_ {fn} \ cdot I_ {f} \ cdot \ cos \ varphi}$ $P_ {f} = V _ {{fn}} \ cdot I_ {f} \ cdot \ cos \ varphi$

Circuitul de măsurare este după cum urmează:

Dacă neutrul nu este prezent, ne putem imagina crearea unui circuit similar cu cel anterior, în care a treia linie este utilizată ca referință pentru tensiunile a două faze. Se poate crea următorul circuit de măsurare:

Această configurație cu trei fire este frecvent utilizată în practică și este cunoscută sub numele de inserție Aron . Puterea totală este dată de suma algebrică a valorii indicate de wattmetre. Dacă sarcina este echilibrată și pur rezistivă, indicația celor două instrumente este identică, dacă în schimb sarcina are o componentă inductivă valoarea indicată de primul wattmetru în ordinea rotației fazelor (secvența de timp cu care ciclurile undei începe) indică o valoare mai mare decât a doua. Situația este opusă în cazul unei sarcini cu o componentă capacitivă. Dacă defazarea depășește limita de 60 °, instrumentul cu valoare mai mică va începe să ofere o valoare negativă, până când teoretic cele două instrumente vor da indicații egale în modul, dar opuse pentru sarcini pur reactive (putere activă egală cu zero). Metoda Aron poate fi, de asemenea, utilizată pentru a citi valoarea puterii reactive a sarcinilor echilibrate. Puterea reactivă Q se obține înmulțind diferența dintre citirile celor două wattmetre cu o rădăcină de 3.

Beneficii

Marea importanță a sistemului trifazat se datorează a trei avantaje fundamentale:

momentul de rotație;
optimizarea conductorului;
mai puține pierderi de transport.

Momentul rotației

Prezența a trei semnale defazate permite crearea unui câmp magnetic rotativ, la baza funcționării motorului electric . Motoarele utilizate în aparatele de uz casnic, alimentate cu o singură fază, fie nu pornesc automat, fie necesită un condensator pentru a crea o a doua fază de alimentare și pentru a fi pornite automat (în acest caz există încă o scădere a eficienței).

Optimizarea conductorului

O linie de alimentare (pe care se pot vedea patru triple de fire) și o stație electrică

Ne putem imagina cei trei generatori ai sistemului trifazat ca trei generatoare separate fizic, fiecare cu propria linie cu două fire direcționată către sarcini. În acest caz, firele necesare ar fi șase. Ei bine, în sistemul trifazat, aceste trei generatoare sunt sincronizate și sunt defazate cu 120 °. Dacă cei trei curenți ai generatoarelor sunt, de asemenea, egali în modul și defazat cu 120 ° (sistem echilibrat), suma algebrică a celor trei curenți care circulă instant cu instant într-unul din cele două fire ale fiecărei linii este zero; rezultă că dacă aceste trei fire sunt conectate împreună într-un conductor, nu există circulație de curent pe acesta și atunci acest fir poate fi eliminat. Dacă, pe de altă parte, sistemul nu este echilibrat, curentul va curge în acest fir. Rezultatul este capacitatea de a transporta aceeași cantitate de energie folosind trei fire în loc de șase, cu economii mari de cupru sau aluminiu, în special pe liniile electrice lungi. De fapt, observând o linie electrică de înaltă tensiune , se observă prezența a trei fire, numite trei fire (sau multipli dacă pilonii transportă mai multe linii). În liniile de înaltă tensiune (> 150 kV) fiecare dintre cele trei faze este transportată pe conductori multipli, dubli sau tripli, pentru a reduce inductanța și efectul coroană , cu efectele dispersive relative.

Pierderi de transport mai mici

Al treilea aspect, dar nu mai puțin important, al sistemului trifazat este puterea redusă disipată de-a lungul liniilor electrice în comparație cu un sistem monofazat ( eficiență mai mare a transmisiei ). De fapt, energia celor trei generatoare este transmisă cu doar trei fire în loc de șase, deoarece lipsesc cele trei linii de retur curente pentru fiecare fază. Ca rezultat, traseul curent al fiecărei faze este înjumătățit și rezistența liniei este, prin urmare, înjumătățită. De fapt, având în vedere puterea disipată de efectul de joule: P = VI = RI ^ 2, rezistența este egală cu [ρ • (lungime)] / S, prin urmare, înjumătățind lungimea firului, lăsând celelalte cantități neschimbate, jumătate din puterea este risipită. Celelalte cantități sunt respectiv ρ, rezistivitate electrică, care depinde de materialul cu care este format cablul și S este secțiunea.

Codul de culoare CEI

Standardul EN 60446 ( Identificarea conductorilor prin culori sau coduri numerice ) creat de CEI stabilește un cod de culoare precis pentru cablurile electrice:

Faza R sau L1: maro
Faza S sau L2: negru
Faza T sau L3: gri

Neutru N: Albastru
Protecție / sol / ecran: galben - verde

Industriile producătoare trebuie să respecte acest cod. Dacă o linie este trifazată fără neutru, este permis (dar nu este recomandat) să se utilizeze culoarea albastră pentru faze. Cabluri trifazate cu un conductor gri, unul maro și unul negru (de exemplu) se găsesc în mod obișnuit pe piață, care se leagă de a fi utilizate pe o linie trifazată fără neutru.
În sistemele monofazate, care fac parte dintr-un sistem trifazat, neutrul este albastru, faza poate fi neagră, maro sau gri și protecția / pământ galben-verde.
Această distincție este în vigoare din 1990 ; prin urmare, în sistemele anterioare, culorile ar putea să nu fie respectate.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe un sistem trifazat

linkuri externe

Sistem trifazat , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
Introducere în sistemele trifazate simetrice și echilibrate . Formă interactivă
Sistem trifazat , în Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene.

Controlul autorității	Tezaur BNCF 32177 · LCCN (EN) sh2015001252 · GND (DE) 4150594-3

Portal electrotehnic

Portal de inginerie

V · D · M Nikola Tesla
Cariera e invenții	Brevete · Egg of Columbus · Transmițător de amplificare · sistem polifazic · Câmp magnetic rotativ · motor de inducție · Stație experimentală Tesla · teleforce · Telegeodinamica · Tesla Coil ( transfer de energie fără fir ) · Radio · Tesla Turbină · Oscilator Tesla · Sistem trifazat · Turn Wardenclyffe · Tesla Electric Light & Manufacturing · teslascop · Individualizarea artei
Lucrări	Note din Colorado Springs, 1899-1900 · Fragmente de bârfe olimpice · Invențiile mele: Autobiografia lui Nikola Tesla
Alte	Război curent · Radio de invenție · Westinghouse Electric · sistem global de transmisie fără fir · Raze de moarte · Raze X · unde terestre staționare · purpurea Placa Tesla
În cultura populară	Secretul lui Nikola Tesla · Prestigiul · Ordinul: 1886
Legate de	Muzeul Nikola Tesla · Centrul de Știință Tesla din Wardenclyffe · Premiul IEEE Nikola Tesla · Premiul Nikola Tesla prin satelit · Knob Hill · Tesla Motors · Aeroportul din Belgrad Nikola Tesla · Turnul către oameni (documentar) · Tesla · AC
Wikicitat · Wikisursă · Commons