Трифазната токова система е разпространен начин за генерация, пренос и разпределение на електрическа енергия. Тя е вид многофазна токова система и най-често използваният метод за пренос на електроенергия чрез електроснабдителни мрежи. Използва се и за захранване на мощни електромотори в транспорта, промишлеността и други съоръжения изискващи големи мощности.
В общия случай трифазната система е по-икономична от еквивалентна монофазна със същото фазово напрежение, защото използва по-малко проводим материал за да пренесе определено количество електроенергия. Трифазната система е разработена независимо от Галилео Ферарис, Михаил Доливо-Доброволский, Йонас Венстрьом и Никола Тесла към края на 1880-те години.
Основни величини Трифазни величини В трифазните електрически вериги се наблюдават следните величини: фазово напрежение – напрежението между кой да е линеен проводник и нулевия проводник (или звезден център); линейно напрежение – напрежението между два линейни проводника; фазов ток – токът, който протича във фазата; линеен ток – токът, който протича в линейния проводник.
Величините имат следната зависимост:
, където е съответната величина (ток или напрежение), а е времето.
Трифазни балансирани и небалансирани системи Една система с трифазни величини е балансирана, ако и трите величини (синусоидални времеви функции) имат една и съща амплитуда:
Лесно е да се провери, че в този случай:
В противния случай трифазната система е небалансирана и тази сума вече е различна от нула.
Често за напрежението и тока се замества амплитудата с неин израз – функция на ефективна стойност:
за напрежението за тока
Преки и обратни трифазни системи Ако трите напрежения преминават през стойността 0 в реда: , , , , …, трифазната система е пряка и се описва по следния начин:
Ако трите напрежения преминават през стойността 0 в реда: , , , , …, трифазната система е обратна и се описва по следния начин:
За да се обърне реда на фазите, тоест да се премине от пряк към обратен ред или реципрочно (например за да се обърне въртенето на трифазен двигател) е достатъчно да се размени свързването на две фази.
Принцип на действие
В симетрична трифазна система три проводника пренасят променлив ток на една и съща честота и напрежение, но с фазова разлика ⅓ от периода. Поради фазовата разлика, напрежението на даден проводник достига своя връх при една трета от периода. Тази характеристика предоставя постоянно електрозахранване към балансиран линеен товар. Също така позволява създаването на въртящо се магнитно поле в електромотор и генерирането на други фазови отмествания, използвайки трансформатори.
Трифазните системи най-често биват симетрични. Въпреки че е възможно да се проектира и приложи асиметрична трифазна система (т.е. с различни напрежения или фазово отместване), те не се използват в практиката, защото им липсват най-важните предимства на симетричните системи.
При трифазните системи, захранващи балансиран и линеен товар, сумата на моментните стойности на тока на трите проводника е нула. С други думи, токът във всеки проводник е равен на сумата на токовете в другите два проводника, но с обратен знак. Обратният път за тока в кой да е проводник е, всъщност, другите два проводника.
Предимства Сравнено с монофазна променливотокова захранваща система, която използва два проводника (фаза и нула), трифазно захранване без нула и със същото линейно напрежение може да пренесе три пъти повече електроенергия, използвайки едва 1,5 пъти повече проводници (три, вместо два). Оттук, съотношението капацитет към проводим материал се удвоява. Същото съотношение може да бъде достигнато и с централно заземена монофазна система.
Постоянният пренос на електроенергия и взаимното анулиране на токовете на теория е възможно с всякакъв брой (по-голям от 3) фази, поддържащи съотношението двойно по-голямо от това при монофазните системи. От една страна двуфазната електроенергия води до по-малко гладък въртящ момент в двигателите, което означава, че поддържането на уравновесен пренос на енергия е проблем. От друга страна, повече от три фази ненужно усложнява инфраструктурата.
Трифазните системи могат да съдържат и четвърти проводник. Това се изпълнява главно при разпределението на ниско напрежение. Това е неутралният проводник (нула). Нулата позволява три отделни монофазни захранвания да бъдат снабдени с напрежение и често се използва за захранването на групи битови уреди, които са монофазни товари. Контактите се подреждат така, че да са възможно най-отдалечени във всяка група и еднакво количество електроенергия да бъде извличано от всяка фаза. По-нататък в електроразпределителната мрежа токовете обикновено са добре балансирани. Трансформаторите могат да бъдат свързвани по такъв начин, че да имат първична намотка с три проводника и вторична намотка с 4 проводника, така позволявайки включването на небалансирани товари.
Трифазното захранване има свойства, които го правят много желано в системите за разпределение на електрическа енергия: Фазовите токове се анулират един друг и имат сбор равен на нула при линейни балансирани товари. Това позволява да се намали размера на неутралния проводник, който пренася малко или никакъв ток. При балансиран товар всички фазови проводници пренасят еднакъв ток и могат да бъдат еднакви по размер. Енергийният трансфер към линеен балансиран товар е постоянен, което помага да се намалят генераторните и моторните вибрации. Трифазните системи могат да пораждат въртящо се магнитно поле със специфична посока и постоянна големина, което опростява проектирането на електрическите мотори. Сумата от мощностите на отделните фази в трифазната система не приема нулеви стойности, което я прави ефективна.
Почти всички домакински товари са монофазни. В много страни е възможно трифазно захранване на жилищни блокове, но домакинските товари се свързват само към една фаза. В слабо населените райони може да се използва само една фаза за електроразпределение. Някои по-мощни домакински уреди, като електрически печки или сушилни могат да се захранват от две или три фази, вместо една, за да се намали големината на тока, така че на домакинствата с такива уреди трябва да бъдат предоставени повече от една фаза.
Последователност на фазите Инсталирането на три фази обикновено се идентифицира чрез цветови кодове, които варират според държавата. Свързването на фазите в правилен ред е нужно, за да се осигури предвидената посока на въртене на трифазните двигатели. Например, помпите и вентилаторите не могат да работят на заден ход. Поддържането на еднаквостта на фазите е необходимо, ако съществува възможност два източника да бъдат свързани по едно и също време. Директното свързване на две фази води до късо съединение.
Произвеждане и разпределение
В електрическата централа генератор превръща механичната енергия в набор от три променливи тока, по един от всяка намотка на генератора. Намотките са подредени така, че токовете да се променят синусоидално, по един от всяка намотка на генератора. Самите намотки са подредени по такъв начин, че токовете да варират синусоидално с една и съща честота, но с изместени максимуми и минимуми на вълната, за да се предоставят три допълнителни тока с разлика във фазата равна на ⅓ от периода (120° или rad). Честотата на генератора обикновено е 50 или 60 Hz, според държавата.
В електроцентралата трансформаторите повишават напрежението от генераторите до ниво, подходящо за пренос на електроенергия, и с цел да се намалят загубите. След по-нататъшни преобразувания на напрежението в мрежата, то се трансформира в стандартното за използване, преди да се предостави на потребителите.
Повечето автомобилни алтернатори генерират трифазен променлив ток и го изправят чрез мост на Грец.
Свързване на трансформатори Трансформаторна намотка, свързана в тип „делта“ (Δ, триъгълник), е свързана между фазите на трифазна система. Свързването тип „звезда“ (Y) свързва всяка намотка от фазов проводник до обща неутрална точка. Може да се използва един трифазен трансформатор или три монофазови трансформатора.
При „отворена делта“ (V) се използват само два трансформатора. Затворена делта, съставена от три монофазни трансформатора може да работи като отворена делта, в случай че единия от трансформаторите спре да работи или е премахнат. При отворена делта всеки трансформатор трябва да пренася ток за съответните си фази, както и тока за трета фаза, следователно капацитетът е намален до 87%. С един липсващ трансформатор и два работещи на 87% ефективност, капацитетът е 58% (⅔ от 87%).H. W. Beaty, D.G.Fink (ed) Standard Handbook for Electrical Engineers Fifteenth Edition, McGraw-Hill, 2007 ISBN 0-07-144146-8, p. 10 – 11
Там, където дадена делта система трябва да бъде заземена, за да се засече разсейването на ток или за защита от прекалено високо напрежение, може да се използва заземяващ трансформатор, който отвежда разсейването на ток от коя да е фаза към земята. Друга възможност е делта системата да се заземи при единия от контактите на трансформаторите.Schneider
Вериги с три и четири проводника
Двете основни трифазни конфигурации са звезда (Y) и делта (Δ). Както се вижда от картинката, делта конфигурацията се нуждае от три проводника за пренос, но звездата има нужда от четвърти проводник. Четвъртият проводник служи за нула и обикновено е заземен. При тези конфигурации не се взима предвид заземителния проводник, който се използва над повечето далекопроводи и служи само за защита от неизправност и не пренася никакъв ток при нормални условия.
Система с четири проводника и симетрично линейно напрежение се получава, когато нула се свърже към общия звезден център на захранващите намотки. В тази система трите фази имат еднакво напрежение, сравнено с нулата. Звездната конфигурация се използва, когато имаме нужда от гъвкавост при избора на напрежение. Неизправност в една фаза, би задействала съответната ѝ защита (предпазител или прекъсвач) и не би имала ефект върху другите фази или товари. Пример за приложение е местното разпределение в Европа, където всеки потребител може да използва само една фаза и нула. Когато група потребители, използващи една и съща нула, черпят различен фазов ток, общата нула пренася тока, който представлява разликата от този дисбаланс. Електроинженерите се опитват да проектират системите така, че товарите да са максимално балансирани в помещенията, където се използва трифазен ток. Същият принцип важи и за широкото разпределение на електричество до отделни помещения. Разпределителните дружества се стремят към максимално балансиран товар при захранване, като в същото време разпределят енергията по три фази до голям брой помещения.
За домашни нужди някои страни като Великобритания могат да предоставят фаза и нула с по-висок ток (до 100А) към дадена собственост, докато други като Германия могат да доставят три фази и нула до всеки клиент, но с по-ниска граница за големина на тока (обикновено до 32А за фаза).
В Северна Америка понякога се използва такова делта захранване, при което едната захранваща намотка на делта-свързан трансформатор се избира за централна, заземява се и се свързва като нула, както е показано на картинката. Тази инсталация произвежда три различни напрежения. Ако напрежението между центъра (нула) и коя да е от двете съседни фази е 120V, напрежението междуфазовото напрежение е 240V. Обикновено делта-свързано захранване се използва за големи мотори, изискващи въртящо се магнитно поле.
Балансирани вериги В идеалния случай всички три линии имат еднакъв товар. Изследвайки веригите може да се изведе връзка между линейните напрежение и ток и напрежението и тока на товар, свързан на делта или звезда.
В една балансирана система всяка линия би произвеждала еднакво напрежение с фазови ъгли, които са наравно отдалечени един от друг. С V1 като отправна точка и V3, което изостава зад V2, което изостава зад V1, имаме:
Тези напрежения захранват товар, свързан на делта или звезда.
Звезда (Y)