Способы вычислений мощности трехфазной цепи

Не всякому обывателю понятно, что такое электрические цепи. В квартирах они на 99 % однофазные, где ток поступает к потребителю по одному проводу, а возвращается по другому (нулевому). Трехфазная сеть представляет собой систему передачи электрического тока, который течет по трем проводам с возвратом по одному. Здесь обратный провод не перегружен благодаря сдвигу тока по фазе. Электроэнергия вырабатывается генератором, приводимым во вращение внешним приводом.

Увеличение нагрузки в цепи приводит к росту силы тока, проходящего по обмоткам генератора. В результате магнитное поле в большей степени сопротивляется вращению вала привода. Количество оборотов начинает снижаться, и регулятор скорости вращения подает команду на увеличение мощности привода, например путем подачи большего количества топлива к двигателю внутреннего сгорания. Число оборотов восстанавливается, и генерируется больше электроэнергии.

Трехфазная система представляет собой 3 цепи с ЭДС одинаковой частоты и сдвигом по фазе 120°.

Особенности подключения питания к частному дому

Многие считают, что трехфазная сеть в доме повышает потребляемую мощность. На самом деле лимит устанавливается электроснабжающей организацией и определяется факторами:

• возможностями поставщика;
• количеством потребителей;
• состоянием линии и оборудования.

Для предупреждения скачков напряжения и перекоса фаз их следует нагружать равномерно. Расчет трехфазной системы получается примерным, поскольку невозможно точно определить, какие приборы в данный момент будут подключены. Наличие импульсных приборов в настоящее время приводит к повышенному энергопотреблению при их пуске.

Распределительный электрощит при трехфазном подключении берется больших размеров, чем при однофазном питании. Возможны варианты с установкой небольшого вводного щитка, а остальных - из пластика на каждую фазу и на надворные постройки.

Подключение к магистрали реализуется по подземному способу и по воздушной линии. Предпочтение отдают последней благодаря небольшому объему работ, низкой стоимости подключения и удобству ремонта.

Сейчас воздушное подключение удобно делать с помощью Минимальное сечение алюминиевой жилы составляет 16 мм 2 , чего с большим запасом хватит для частного дома.

СИП крепится на опорах и стене дома с помощью анкерных кронштейнов с зажимами. Соединение с главной воздушной линией и кабелем ввода в электрощит дома производится ответвительными прокалывающими зажимами. Кабель берется с негорючей изоляцией (ВВГнг) и проводится через металлическую трубу, вставленную в стену.

Воздушное подключение трехфазного питания дома

При расстоянии от ближайшей опоры более 15 м необходима установка еще одного столба. Это необходимо для снижения нагрузок, приводящих к провисанию или обрыву проводов.

Высота места присоединения составляет 2,75 м и выше.

Электрораспределительный шкаф

Подключение к трехфазной сети производится по проекту, где внутри дома производится разделение потребителей на группы:

• освещение;
• розетки;
• отдельные мощные приборы.

Одни нагрузки можно отключать для ремонта при работающих других.

Мощность потребителей рассчитывается для каждой группы, где выбирается провод необходимого сечения: 1,5 мм 2 - к освещению, 2,5 мм 2 - к розеткам и до 4 мм 2 - к мощным приборам.

Проводка защищается от короткого замыкания и перегрузки автоматическими выключателями.

Электрический счетчик

При любой схеме подключения необходим прибор учета расхода электроэнергии. 3-фазный счетчик может подключаться непосредственно к сети (прямое включение) или через трансформатор напряжения (полукосвенное), где показания прибора умножаются на коэффициент.

Важно соблюдать порядок подключения, где нечетные номера - это питание, а четные - нагрузка. Цвет проводов указывается в описании, а схема размещается на задней крышке прибора. Вход и соответствующий выход 3-фазного счетчика обозначаются одним цветом. Наиболее распространен порядок присоединения, когда сначала идут фазы, а последний провод - ноль.

3-фазный счетчик прямого включения для дома обычно рассчитан на мощность до 60 кВт.

Перед выбором многотарифной модели следует согласовать вопрос с энергоснабжающей компанией. Современные устройства с тарификаторами дают возможность подсчитывать плату за электроэнергию в зависимости от времени суток, регистрировать и записывать значения мощности во времени.

Температурные показатели приборов выбираются как можно шире. В среднем они составляют от -20 до +50 °С. Срок эксплуатации приборов достигает 40 лет с межповерочным интервалом 5-10 лет.

Счетчик подключается после вводного трех- или четырехполюсного автоматического выключателя.

Трехфазная нагрузка

К потребителям относятся электрокотлы, асинхронные электродвигатели и другие электроприборы. Преимуществом их использования является равномерное распределение нагрузки на каждой фазе. Если трехфазная сеть содержит неравномерно подключенные однофазные мощные нагрузки, это может привести к перекосу фаз. При этом электронные устройства начинают работать со сбоями, а лампы освещения тускло светятся.

Схема подключения трехфазного двигателя к трехфазной сети

Работа трехфазных электродвигателей отличается высокой производительностью и эффективностью. Здесь не требуется наличие дополнительных пусковых устройств. Для нормальной эксплуатации важно правильно подключить устройство и выполнять все рекомендации.

Схема подключения трехфазного двигателя к трехфазной сети создает вращающее магнитное поле тремя обмотками, соединенными звездой или треугольником.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Схема звезды позволяет плавно запускать двигатель, но его мощность снижается до 30 %. Эта потеря отсутствует в схеме треугольника, но при пуске токовая нагрузка значительно больше.

У двигателей есть коробка подключения, где находятся выводы обмоток. Если их три, то схема соединяется только звездой. При наличии шести выводов двигатель можно подключить любым способом.

Потребляемая мощность

Для хозяина дома важно знать, сколько потребляется энергии. Это легко подсчитать по всем электроприборам. Сложив все мощности и поделив результат на 1000, получим суммарное потребление, например 10 кВт. Для бытовых электроприборов достаточно одной фазы. Однако потребление тока значительно возрастает в частном доме, где есть мощная техника. На один прибор может приходиться 4-5 кВт.

Важно спланировать потребляемую мощность трехфазной сети на этапе ее проектирования, чтобы обеспечить симметрию по напряжениям и токам.

В дом заходит четырехжильный провод на три фазы и нейтраль. Напряжение электрической сети составляет Между фазами и нулевым проводом подключаются электроприборы на 220 В. Кроме того, может быть еще трехфазная нагрузка.

Расчет мощности трехфазной сети производится по частям. Сначала целесообразно рассчитать чисто трехфазные нагрузки, например электрический котел на 15 кВт и асинхронный электродвигатель на 3 кВт. Суммарная мощность составит P = 15 + 3 = 18 кВт. В фазном проводе при этом протекает ток I = Px1000/(√3xUxcosϕ). Для бытовых электросетей cosϕ = 0,95. Подставив в формулу числовые значения, получим величину тока I = 28,79 А.

Теперь следует определить однофазные нагрузки. Пусть для фаз они составят P A = 1,9 кВт, P B = 1,8 кВт, P C = 2,2 кВт. Смешанная нагрузка определяется суммированием и составляет 23,9 кВт. Максимальный ток будет I = 10,53 А (фаза С). Сложив его с током от трехфазной нагрузки, получим I C = 39,32 А. Токи на остальных фазах составят I B = 37,4 кВт, I A = 37,88 А.

В расчетах мощности трехфазной сети удобно пользоваться таблицами мощности с учетом типа подключения.

По ним удобно подбирать защитные автоматы и определять сечения проводки.

Заключение

При правильном проектировании и обслуживании трехфазная сеть идеально подходит для частного дома. Она позволяет равномерно распределить нагрузку по фазам и подключить дополнительные мощности электропотребителей, если позволяет сечение проводки.

Равномерное значение трехфазной нагрузки представляет собой протекание по каждому фазному проводнику одинакового тока. При этом, значение силы тока в нулевом проводнике будет равным нулю. Наиболее ярко, равномерная нагрузка фаз проявляется в трехфазных электрических двигателях. Для них расчет мощности фазного тока производится по формуле P = 3*Uф*I* cos(φ) = 1,73Uл*I* cos(φ) .

В случае протекания по фазам токов, различных по величине, то данная нагрузка будет неравномерная или несимметричная. В такой ситуации, по нулевому проводу будет происходить протекание электрического тока. При неравномерной нагрузке, определение мощности будет производиться по формуле Pобщ = Ua*Ia* cos(φ1) + Ub*Ib* cos(φ2) + Uc*Ic* cos(φ3).

Измерение мощности ваттметром

Измерение мощности электрического тока производится при помощи специальных измерительных приборов, в роли которых выступают ваттметры.

При условии симметричной нагрузки, мощность, поступающая от трехфазной системы, легко определяется с использованием одного однофазного ваттметра. В четырехпроводную систему, имеющую нулевой провод, включение токовой обмотки ваттметра производится последовательным способом с одним из проводов фаз. Для подключения обмотки напряжения используется фазный и нулевой провод. Такое включение дает возможность определить с помощью ваттметра мощность одной из фаз (Рф). Поскольку равномерная нагрузка предполагает одинаковую мощность всех трех фаз, то общая мощность трехфазной системы будет равна: Р = 3Рф .

В системе, состоящей из трех проводов, включение обмотки ваттметра осуществляется к сети, а через токовую обмотку проходит линейный ток. Таким образом, показатель мощности трехфазной системы враз превышает данные ваттметра Pω, т. е. Р= Рω .

Расчет мощности фаз при несимметричной нагрузке

В случае несимметричной нагрузки, расчет мощности фазного тока и ее практическое определение производится с помощью нескольких ваттметров.

В такой ситуации, для определения мощности системы из четырех проводов, используются сразу три ваттметра. Обмотка напряжения каждого из них, включается между нулевым проводом и соответствующим проводом фазы. Таким образом, общая мощность системы из трех фаз будет равна суммарной мощности каждой из них.

Для трехпроводной системы применяется два ваттметра. Здесь соединяются обмотки напряжений в каждом ваттметре, входные зажимы обмотки тока и свободный линейный провод. Общая мощность будет состоять из показаний двух ваттметров.

В цепи постоянного тока мощность определяется довольно просто – это произведение тока и напряжения. Они не изменяются во времени и есть постоянной величиной, соответственно и мощность является постоянной, то есть система уравновешена.

С сетями переменного напряжения все гораздо сложнее. Они бывают однофазные, двухфазные, трехфазные и т.д. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные сети в силу своего удобства и наименьших затрат.

Рассмотрим трехфазную систему питания

Такие цепи, могут соединяться в звезду или в треугольник. Для удобства чтение схем и во избежание ошибок фазы принято обозначать U, V, W или А, В, С.

Схема соединения звезда:

Схема соединения фаз в звезду

Для соединения звездой суммарное напряжение в точке N равно нулю. Мощность трехфазного тока в данном случае тоже будет постоянной величиной, Это значит что трехфазная система уравновешена, в отличии от однофазной, то есть мощность трехфазной сети постоянна. Мгновенно значение полной трехфазной мощности будет равно:

В данном типе соединения присутствуют два вида напряжения – фазное и линейное. Фазное – это напряжение между фазой и нулевой точкой N:

Линейное – между фазами:

Поэтому полная мощность трехфазной сети для такого типа соединения будет равна:

Но поскольку линейное и фазное напряжение отличаются между собой в , но считается сумма фазовых мощностей. При расчете трехфазных цепей такого типа принято пользоваться формулой:

Соответственно для активной:

Для реактивной:

Схема соединения в треугольник

Как видим при таком виде соединения, фазное и линейное напряжение равны, из чего следует, что мощность для соединения в треугольник равна:

И соответственно:

Измерение мощности

Измерение активной мощности в сетях производится с помощью ваттметра

В зависимости от схемы соединения нагрузки и его характера (симметричная или несимметричная) схемы подключения приборов могут разниться. Рассмотрим случай с симметричной нагрузкой:

Здесь измерение проводится всего лишь в одной фазе и далее согласно формуле умножается на три. Этот способ позволяет сэкономить на приборах и уменьшить габариты измерительной установки. Применяется, когда не нужна большая точность измерения в каждой фазе.

Измерение при несимметричной нагрузке:

Этот способ более точный, так как позволяет измерить мощность каждой фазы, но это требует трех приборов, больших габаритных размеров установки и обработки показаний с трех приборов.

Измерении в цепи без нулевого проводника:

Эта схема требует двух приборов. Этот способ основывается на первом законе Кирхгофа показания W 1 меньше чем W 2 (W 1 60 0 показания W 1 вообще отрицательные (W 1 <0).

При активной и емкостной(R-C) и W 1 >W 2 , а при φ<-60 0 показания W 2 <0.

При современном развитии техники появились цифровые ваттметры. Они в отличии от аналоговых меньше в размерах, гораздо легче и менее габаритны. Более того цифровые ваттметры могут фиксировать ток, напряжение, измерять cosφ в сети и другое. Они позволяют в режиме реального времени отслеживать различные величины и выдавать предупреждения при их отклонении. Это очень удобно и не требуется проводить измерения тока, напряжения, а потом математически это все высчитывать. Цифровой ваттметр заключен в корпус и подключается (для бытовых потребителей) самым обычным способом – как и обычный потребитель — втыканием вилки в розетку.

Мощность постоянного тока в электрической цепи определяется простым способом, путем умножения силы тока и напряжения. Эти величины являются постоянными и не подвержены изменениям во времени, поэтому и значение мощности будет постоянным, поскольку вся система находится в уравновешенном состоянии.

Переменный ток по всем параметрам отличается от постоянного, особенно наличием количества фаз. Очень часто возникают ситуации, когда нужно выполнить расчет мощности трехфазного тока, для того чтобы правильно определить характеристики подключаемой нагрузки. Проведение таких расчетов требует специальных знаний о работе трехфазной системы питания. Трехфазные сети, наряду с однофазными, получили широкое распространение в связи с низкими материальными затратами и удобством эксплуатации.

Характеристики трехфазной системы

Трехфазные цепи как правило соединяются двумя основными способами - звездой (рис. 1) и треугольником, который будет рассмотрен ниже. На всех схемах для более удобного пользования фазы обозначаются символами А, В, С или U, V, W.

При использовании схемы «звезда» (рис. 1), значение суммарного напряжения в точке пересечения фаз N является равным нулю. В этом случае , по сравнению с однофазным, будет обладать постоянной мощностью. Данное положение указывает на уравновешенность трехфазной системы, а мгновенная полная мощность будет выражена в виде формулы:

Соединение звездой характеризуется двумя видами (рис. 3). В первом случае напряжение определяется между одной из фаз и нулевой точной пересечения N. Линейное напряжение соответствует напряжению, существующему между самими фазами.

Таким образом, значение полной мощности для соединения звездой отображается следующей формулой:

Однако следует учитывать разницу между линейным и фазным напряжением, составляющую √3. Поэтому считать необходимо сумму мощностей всех фаз. Для расчетов активной мощности применяется формула Р = 3 х U ф х I ф х cosφ , а для реактивной - Р = √3 х U л х I ф х cosφ .

Другим распространенным способом фазного соединения считается «треугольник».

Данный вид соединения предполагает одинаковое значение фазного (U ф) и линейного (U л) напряжения. Соотношение между фазными и линейными токами определяется в виде формулы I = √3 х I ф, в соответствии с которой значение фазного тока составит I ф = I х √3.

Таким образом, мощности линейных величин при данном способе соединения будут выражаться с помощью следующих формул:

• Полная мощность: S = 3 х S ф = √3 х U х I;
• Активная мощность: Р = √3 х U х I х cosφ;
• Реактивная мощность: Q = √3 х U х I х sinφ.

На первый взгляд формулы мощности для каждого вида соединений кажутся одинаковыми. При отсутствии достаточных знаний и опыта, это может привести к неправильным выводам. Чтобы избежать подобных ошибок, следует рассмотреть пример типового расчета.

• Соединение электродвигателя выполнено в виде треугольника, напряжение в сети составляет 380 В, сила тока - 10 А. Поэтому значение полной мощности будет следующим: S = 1,73 х 380 х 10= 6574 В х А.
• Далее этот же электродвигатель был соединен звездой. В этом случае на каждую обмотку фазы стало поступать напряжение в 1,73 раза ниже, чем при подключении треугольником, хотя сетевое напряжение осталось прежним. Соответственно сила тока в обмотках также уменьшилась в 1,73 раза. Существует еще один важный момент: если при соединении треугольником линейный ток в 1,73 раза превышал фазный, то в дальнейшем, когда схема изменилась на звезду, их значение стало равным. В результате, уменьшение линейного тока составило: 1,73 х 1,73 = 3 раза.
• Таким образом, в одной и той же формуле используются разные значения: S = 1,73 х 380 х 10/3= 2191 В х А, следовательно при переподключении электродвигателя со схемы треугольника на звезду, происходит снижение мощности в 3 раза.

Измерение мощности ваттметром

В электрических сетях измерение мощности осуществляется специальным прибором - ваттметром. Схемы подключения могут быть разными, в зависимости от подключения нагрузки и ее характеристик. В случае симметричной нагрузки (рис. 1), для проведения измерений используется только одна фаза, а полученные результаты, затем, умножаются на три. Данный способ является наиболее экономичным, позволяя существенно снизить размеры измерительного прибора. Он используется в тех случаях, когда нет необходимости в получении точных данный по каждой фазе.

В случае несимметричной нагрузки (рис. 2) измерения будут более точными. Однако для замеров мощности каждой фазы потребуется три прибора с большими габаритными размерами. Обрабатывать показания также придется со всех трех приборов.

Расчет мощности трехфазного тока и ее измерение можно выполнить в электрической цепи при отсутствии нулевого проводника (рис. 3). В такой схеме применяется два прибора, а для расчетов используется первый закон Кирхгофа: I A +I B +I C =0. Таким образом, показания двух ваттметров в сумме дают значение трехфазной мощности для данной цепи.