Основные принципы трехфазных систем
Хотя однофазное электричество используется для питания обычных бытовых и офисных электроприборов, трехфазные системы переменного тока (переменного тока) почти повсеместно используются для распределения электроэнергии и подачи электроэнергии непосредственно в оборудование с более высокой мощностью.
Основные трехфазные измерения мощности подробно объясняются (фото-кредит: d.mike36 через Flickr)
В этой технической статье описываются основные принципы трехфазных систем и разница между различными возможными измерительными соединениями.
-
Трехфазные системы
- Wye или Star Connection
- Delta Connection
- Сравнение Wye и Delta
-
Измерения мощности
- Однофазное подключение ваттметра
- Однофазное трехпроводное соединение
- Трехфазное трехпроводное соединение (два метода ваттметра)
- Трехфазное трехпроводное соединение (три метода ваттметра)
- Теорема Блонделя: требуется количество ваттметров
- Трехфазное четырехпроводное соединение
- Настройка измерительного оборудования
Трехфазные системы
Трехфазное электричество состоит из трех переменного напряжения одинаковой частоты и аналогичной амплитуды. Каждая фаза напряжения переменного тока разделяется на 120 ° от другой (рис. 1).
Рисунок 1 - Форма трехфазного напряжения
Это может быть схематически изображено как с помощью осциллограмм, так и с векторной диаграммой (рис. 2).
Рисунок 2 - Трехфазные векторы напряжения
Зачем использовать трехфазные системы? По двум причинам:
- Три векторных напряжения могут быть использованы для создания вращающегося поля в двигателе. Таким образом, двигатели могут быть запущены без необходимости дополнительных обмоток.
- Трехфазную систему можно подключить к нагрузке таким образом, чтобы количество требуемых медных соединений (и, следовательно, потери при передаче) составляло половину того, что они были бы в противном случае.
Рассмотрим три однофазные системы, каждая из которых снабжает нагрузку 100 Вт (рис. 3). Общая нагрузка составляет 3 × 100 Вт = 300 Вт. Чтобы подавать питание, 1 ампер протекает через 6 проводов и, следовательно, имеет 6 единиц потерь.
Рисунок 3 - Три однофазных питания - шесть единиц потерь
В качестве альтернативы три источника питания могут быть подключены к общему возврату, как показано на рисунке 4. Когда ток нагрузки в каждой фазе одинаковый, нагрузка считается сбалансированной. При сбалансированной нагрузке и фазе трех токов, сдвинутых на 120 ° друг от друга, сумма тока в любой момент равна нулю и ток в линии возврата отсутствует.
Рисунок 4 - Трехфазное питание, сбалансированная нагрузка - 3 единицы потерь
В трехфазной системе 120 ° требуется только 3 провода для передачи мощности, которая в противном случае требовала бы 6 проводов. Требуется половина меди, и потери на проводах будут уменьшены вдвое.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Wye или Star Connection
Обычно используется трехфазная система с общим соединением, как показано на рисунке 5, и известна как соединение «звезда» или «звезда».
Рисунок 5 - Соединение с звездой или звездой - три фазы, четыре провода
Общая точка называется нейтральной точкой. По соображениям безопасности этот момент часто основывается на поставке. На практике нагрузки не идеально сбалансированы, и четвертый нейтральный провод используется для переноса результирующего тока.
Нейтральный проводник может быть значительно меньше трех основных проводников, если это допускается местными нормами и стандартами.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Delta Connection
Три однофазных источника, рассмотренные ранее, также могут быть соединены последовательно. Сумма трех 120-фазных сдвиговых напряжений в любой момент равна нулю. Если сумма равна нулю, то обе конечные точки имеют одинаковый потенциал и могут быть объединены вместе.
Рисунок 6 - Сумма мгновенного напряжения в любое время равна нулю
Соединение обычно рисуется, как показано на рисунке 7, и известно треугольное соединение после формы греческой буквы delta, Δ.
Рисунок 7 - Дельта-соединение - три фазы, три провода
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Сравнение Wye и Delta
Конфигурация Wye используется для распределения мощности на бытовые однофазные устройства, найденные в доме и офисе. Однофазные нагрузки соединены с одной ветвью между сеткой и нейтралью. Суммарная нагрузка на каждую фазу распределяется как можно больше, чтобы обеспечить сбалансированную нагрузку на первичное трехфазное питание.
Конфигурация Уайя может также обеспечивать одно- или трехфазную мощность для более высоких нагрузок мощности при более высоком напряжении. Однофазное напряжение представляет собой напряжение от фазы до нейтрали. Более высокое напряжение фазное напряжение также доступно, как показано черным вектором на рисунке 8.
Рисунок 8 - Напряжение (фаза)
Конфигурация дельты чаще всего используется для подачи трехфазных промышленных нагрузок более высокой мощности. Различные комбинации напряжения могут быть получены из одной трехфазной дельта-сети, однако, путем соединения или «отводов» вдоль обмоток питающих трансформаторов.
В США, например, система дельта 240 В может иметь раздельную или центральную обмотку для обеспечения двух источников питания 120 В (рис. 9).
По соображениям безопасности центральный ответвитель может быть заземлен на трансформаторе. 208V также доступен между центральным краном и третьей «высокой ногой» дельта-соединения.
Рисунок 9 - Конфигурация Delta с «раздельной» или «центрированной» обмоткой
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Измерения мощности
Мощность измеряется в системах переменного тока с использованием ваттметров. Современный цифровой дискретный ваттметр, такой как любой анализатор мощности Tektronix, умножает мгновенные образцы напряжения и тока вместе для расчета мгновенных ватт, а затем принимает среднее значение мгновенных ватт за один цикл для отображения истинной мощности.
Ваттметр обеспечит точные измерения истинной мощности, кажущейся мощности, вольтамперных реактивных, коэффициента мощности, гармоник и многих других в широком диапазоне форм волны, частот и коэффициента мощности.
Чтобы анализатор мощности дал хорошие результаты, вы должны иметь возможность правильно идентифицировать конфигурацию проводки и правильно подключить ваттметры анализатора.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Однофазное подключение ваттметра
Требуется только один ваттметр, как показано на рисунке 10. Подключение системы к клеммам напряжения и тока ваттметра является простым. Клеммы напряжения ваттметра подключаются параллельно по нагрузке, и ток проходит через токовые клеммы, которые последовательно соединены с нагрузкой.
Рисунок 10 - Однофазные, двухпроводные и DC-измерения
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Однофазное трехпроводное соединение
В этой системе, показанной на рисунке 11, напряжения создаются из одной обмотки трансформатора с центральным ответвлением, и все напряжения находятся в фазе. Это обычное явление в североамериканских жилых помещениях, где доступны 240 В и два 120 В источника и могут иметь разные нагрузки на каждую ногу.
Чтобы измерить общую мощность и другие величины, подключите два ваттметра, как показано на рисунке 11 ниже.
Рисунок 11 - Однофазный трехпроводный ваттметр
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Трехфазное трехпроводное соединение (два метода ваттметра)
Там, где присутствуют три провода, для измерения общей мощности требуется два ваттметра. Подключите ваттметры, как показано на рисунке 12. Клеммы напряжения ваттметров подключены к фазе.
Рисунок 12 - Трехфазный, трехпроводный, 2 ваттметр
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Трехфазное трехпроводное соединение (три метода ваттметра)
Хотя для измерения общей мощности в трехпроводной системе, как показано ранее, требуется всего два ваттметра, иногда удобно использовать три ваттметра. В соединении, показанном на рисунке 13, ложная нейтраль была создана путем соединения между низкими клеммами напряжения всех трех ваттметров.
Рисунок 13 - Трехфазный трехпроводный (три метода ваттметра - установка анализатора в трехфазный, четырехпроводный режим)
Трехпроводное соединение с тремя ваттметрами имеет преимущества указания мощности в каждой отдельной фазе (невозможно в двух-ваттметровом соединении) и фазном напряжении.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Теорема Блонделя: требуется количество ваттметров
В однофазной системе всего два провода. Мощность измеряется с помощью одного ваттметра. В трехпроводной системе требуются два ваттметра, как показано на рисунке 14.
В общем, требуется количество ваттметров = количество проводов - 1
Рисунок 14 - Трехпроводная система
Доказательство для трехпроводной системы
Мгновенная мощность, измеренная ваттметром, является продуктом мгновенных образцов напряжения и тока.
- Ваттметр 1 чтение = i 1 (v 1 - v 3)
- Wattmeter 2 reading = i 2 (v 2 - v 3)
Сумма отсчетов W1 + W2 = i 1 v 1 - i 1 v 3 + i 2 v 2 - i 2 v 3 = i 1 v 1 + i 2 v 2 - (i 1 + i 2) v 3
(Из закона Киршоффа: i 1 + i 2 + i 3 = 0, поэтому i 1 + i 2 = -i 3)
2 показания W1 + W2 = i 1 v 1 + i 2 v 2 + i 3 v 3 = общие мгновенные ватты.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Трехфазное четырехпроводное соединение
Для измерения общего количества ватт в четырехпроводной системе требуется три ваттметра. Измеряемые напряжения представляют собой истинную фазу для нейтральных напряжений. Фазовое напряжение может быть точно рассчитано по амплитуде и фазе фазы и нейтрали, используя векторную математику.
Современный анализатор мощности также будет использовать закон Кирхоффа для расчета тока, протекающего в нейтральной линии.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Настройка измерительного оборудования
Для заданного количества проводов для измерения общих количеств, таких как мощность, требуются ваттметры N, N-1. Вы должны убедиться, что у вас есть достаточное количество каналов (3 ваттметра) и правильно их подключать.
Современные многоканальные анализаторы мощности будут вычислять суммарные или суммарные величины, такие как ватты, вольт, ампер, вольт-амперы и коэффициент мощности напрямую, используя соответствующие встроенные формулы.
Формулы выбираются на основе конфигурации проводки, поэтому настройка проводки имеет решающее значение для получения хороших измерений общей мощности. Анализатор мощности с векторной математической способностью также преобразует фазы в нейтральные (или уайы) количества в фазовое (или дельта) количество.
Коэффициент √3 может использоваться только для преобразования между системами или масштабирования измерений только одного ваттметра на сбалансированных линейных системах.
Понимание конфигураций проводов и правильное подключение имеет решающее значение для измерения мощности. Будучи знакомым с общими системами электропроводки и помните, что теорема Блонделя поможет вам правильно установить соединения и результаты, на которые вы можете положиться.
Вернуться к трехфазным измерениям мощности ↑
Ссылка // Основы трехфазных измерений мощности - Заявление об использовании Tektronix