Трехфазные конфигурации Y и дельта

Трехфазное соединение звездой (Y)

Первоначально мы исследовали идею трехфазных систем питания, соединив три источника напряжения вместе в так называемой конфигурации «Y» (или «звезда»).

Эта конфигурация источников напряжения характеризуется общей точкой подключения, соединяющей одну сторону каждого источника. (Рисунок ниже)

Трехфазное соединение "Y" имеет три источника напряжения, подключенных к общей точке.

Если мы нарисуем схему, показывающую, что каждый источник напряжения представляет собой катушку с проводом (обмотку генератора или трансформатора), и произведем небольшую перестановку, конфигурация «Y» станет более очевидной на рисунке ниже.

Трехфазное четырехпроводное соединение «Y» использует «общий» четвертый провод.

Три проводника, идущие от источников напряжения (обмоток) к нагрузке, обычно называются линиями . , а сами обмотки обычно называют фазами .

В системе с Y-соединением нейтральный провод может быть или не быть (рисунок ниже) в точке соединения посередине, хотя это, безусловно, помогает облегчить потенциальные проблемы, если один из элементов трехфазной нагрузки выйдет из строя, как обсуждалось. ранее.

Трехфазное трехпроводное соединение «Y» не использует нейтральный провод.

Значения напряжения и тока в трехфазных системах

Когда мы измеряем напряжение и ток в трехфазных системах, нам нужно уточнить где мы измеряем.

Напряжение сети относится к величине напряжения, измеренного между любыми двумя линейными проводниками в сбалансированной трехфазной системе. В приведенной выше схеме линейное напряжение составляет примерно 208 вольт.

Фазовое напряжение относится к напряжению, измеренному на любом одном компоненте (обмотка источника или сопротивление нагрузки) в сбалансированном трехфазном источнике или нагрузке.

Для схемы, показанной выше, фазное напряжение составляет 120 вольт. Условия текущая строка и фазный ток следует той же логике:первое относится к току через любой один линейный проводник, а второе - к току через какой-либо один компонент.

Источники и нагрузки, подключенные по схеме Y, всегда имеют линейное напряжение больше, чем фазное, а линейные токи равны фазным токам. Если источник или нагрузка подключены по схеме Y, линейное напряжение будет равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3:

Однако конфигурация «Y» не единственная допустимая для соединения трехфазного источника напряжения или элементов нагрузки.

Конфигурация трехфазного треугольника (Δ)

Другая конфигурация известна как «Дельта» из-за ее геометрического сходства с одноименной греческой буквой (Δ). Обратите внимание на полярность каждой обмотки на рисунке ниже.

Трехфазное трехпроводное соединение Δ не имеет общего.

На первый взгляд кажется, что три таких источника напряжения могут вызвать короткое замыкание, электроны будут течь по треугольнику, и ничто иное, как внутренний импеданс обмоток, сдерживает их.

Однако из-за фазовых углов этих трех источников напряжения это не так.

Закон Кирхгофа о напряжении при соединении треугольником

Чтобы быстро проверить это, воспользуйтесь законом Кирхгофа для определения напряжения, чтобы увидеть, равны ли три напряжения вокруг контура нулю. Если они это сделают, тогда не будет доступного напряжения, чтобы проталкивать ток по этому контуру и, следовательно, не будет циркулирующего тока.

Начиная с верхнего витка и двигаясь против часовой стрелки, наше выражение KVL выглядит примерно так:

В самом деле, если мы сложим эти три векторные величины вместе, они в сумме дадут ноль. Еще один способ проверить тот факт, что эти три источника напряжения могут быть соединены вместе в петлю без возникновения циркулирующих токов, - это разомкнуть петлю в одной точке соединения и рассчитать напряжение на разрыве:(рисунок ниже)

Напряжение на открытом участке Δ должно быть нулевым.

Начиная с правой обмотки (120 В 120 °) и продвигаясь против часовой стрелки, наше уравнение KVL выглядит следующим образом:

Разумеется, на разрыве будет нулевое напряжение, что говорит о том, что ток не будет циркулировать в треугольной петле обмоток, когда это соединение будет выполнено.

Установив, что трехфазный источник напряжения, подключенный по схеме Δ, не сгорит до корки из-за циркулирующих токов, мы переходим к его практическому использованию в качестве источника питания в трехфазных цепях.

Поскольку каждая пара линейных проводов подключается непосредственно к одной обмотке в схеме Δ, линейное напряжение будет равно фазному напряжению.

И наоборот, поскольку каждый линейный проводник присоединяется к узлу между двумя обмотками, линейный ток будет векторной суммой двух соединяемых фазных токов.

Неудивительно, что результирующие уравнения для Δ-конфигурации выглядят следующим образом:

Анализ схемы примера соединения треугольником

Давайте посмотрим, как это работает на примере схемы:(рисунок ниже)

Нагрузка на источник Δ подключена к Δ.

Когда каждое сопротивление нагрузки получает 120 В от соответствующей фазной обмотки у источника, ток в каждой фазе этой цепи будет 83,33 А:

Преимущества трехфазной системы Delta

Таким образом, каждый линейный ток в этой трехфазной системе питания равен 144,34 А, что значительно больше, чем линейные токи в системе с Y-соединением, которую мы рассматривали ранее.

Можно задаться вопросом, не потеряли ли мы все преимущества трехфазного питания здесь, учитывая тот факт, что у нас такие большие токи в проводниках, что требует более толстого и более дорогого провода.

Ответ - нет. Хотя для этой схемы потребуется три медных проводника калибра 1 (на расстоянии 1000 футов между источником и нагрузкой это составляет чуть более 750 фунтов меди для всей системы), это все же меньше, чем 1000+ фунтов меди, необходимых для Однофазная система, обеспечивающая одинаковую мощность (30 кВт) при одинаковом напряжении (120 В между проводниками).

Одним из явных преимуществ системы с Δ-соединением является отсутствие нейтрального провода. В системе с Y-соединением нейтральный провод был необходим на случай, если одна из фазных нагрузок выйдет из строя (или отключится), чтобы не допустить изменения фазных напряжений на нагрузке.

Это не обязательно (или даже возможно!) В схеме с Δ-соединением.

Когда каждый элемент фазы нагрузки напрямую подключен к соответствующей обмотке фазы источника, фазное напряжение будет постоянным независимо от обрывов в элементах нагрузки.

Пожалуй, самым большим преимуществом источника с Δ-подключением является его отказоустойчивость.

Одна из обмоток трехфазного источника, подключенного по схеме Δ, может открыться при отказе (рисунок ниже), не влияя на напряжение или ток нагрузки!

Даже при выходе из строя обмотки источника линейное напряжение по-прежнему составляет 120 В, а напряжение фазы нагрузки по-прежнему составляет 120 В. Единственная разница заключается в дополнительном токе в оставшемся функционале. обмотки источника.

Единственным последствием разомкнутой обмотки источника для источника, подключенного по схеме Δ, является увеличение фазного тока в остальных обмотках. Сравните эту отказоустойчивость с системой с Y-соединением и обмоткой с открытым исходным кодом на рисунке ниже.

Разомкнутая обмотка источника «Y» снижает вдвое напряжение на двух нагрузках Δ, подключенных к нагрузке.

При Δ-подключенной нагрузке два сопротивления испытывают пониженное напряжение, в то время как одно остается при исходном линейном напряжении, 208. Нагрузка, подключенная по схеме Y, постигает еще худшую судьбу (рисунок ниже) с таким же отказом обмотки в источнике, подключенном по схеме Y. .

Обмотка с открытым исходным кодом системы Y-Y снижает наполовину напряжение на двух нагрузках и полностью теряет одну нагрузку.

В этом случае два сопротивления нагрузки испытывают пониженное напряжение, а третье полностью теряет напряжение питания! По этой причине для надежности предпочтительнее использовать источники с Δ-подключением.

Однако, если требуется двойное напряжение (например, 120/208) или предпочтительнее для более низких линейных токов, предпочтительной конфигурацией являются системы с Y-соединением.

ОБЗОР:

• Проводники, подключенные к трем точкам трехфазного источника или нагрузки, называются линиями . .
• Три компонента, составляющие трехфазный источник или нагрузку, называются фазами . .
• Напряжение сети это напряжение, измеренное между любыми двумя линиями в трехфазной цепи.
• Фазное напряжение это напряжение, измеренное на отдельном компоненте трехфазного источника или нагрузки.
• Линия тока это ток через любую линию между трехфазным источником и нагрузкой.
• Фазный ток - ток через любой компонент трехфазного источника или нагрузки.
• В симметричных Y-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3, а линейный ток равен фазному току.

• В симметричных схемах Δ линейное напряжение равно фазному напряжению, а линейный ток равен фазному току, умноженному на квадратный корень из 3.

• Трехфазные источники напряжения, подключенные по схеме Δ, обеспечивают большую надежность в случае выхода из строя обмотки, чем источники, подключенные по схеме Y. Однако источники, подключенные по схеме Y, могут выдавать такое же количество энергии при меньшем линейном токе, чем источники, подключенные по схеме Δ.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист трехфазных цепей с треугольником и звездочкой