Obwody trójfazowe prądu przemiennego

Serwonapędy w automatyce i robotyce
Wykład 8
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Elektryczny układ trójfazowy – układ złoŜony z trzech
obwodów prądu zmiennego o jednakowej częstotliwości,
których napięcia są przesunięte względem siebie o 1/3
okresu.
Poszczególne obwody układu trójfazowego – fazy (L1, L2,
L3).
Trzy sinusoidalnie zmienne i przesunięte względem siebie
o kąt 120o napięcia źródłowe – prądnica trójfazowe
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
2
Obwody trójfazowego prądu przemiennego
Prądnica trójfazowa
1 – stojan,
2 – wirnik,
3 – uzwojenie wirnika,
4 – żłobki stojana wypełnione
uzwojeniem
Wirnik wytwarza wirujące pole
magnetyczne, wzbudzane
elektromagnetycznie (prąd stały)
Wirujący strumień magnetyczny wirnika przecina kolejno
uzwojenia faz L1, L2, L3 wobec czego eL2 opóźnia się
względem eL1 o 1/3 okresu, a eL3 o 2/3 okresu.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Napięcia indukowane
eL1 = Em sin ωt
2 

eL 2 = Em sin ωt − π 
3 

4 

eL 3 = Em sin ωt − π 
3 

Źródło symetryczne – symetryczny układ napięć
źródła trójfazowego
eL1 + eL 2 + eL 3 = 0
E L1 + E L 2 + E L 3 = 0
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
4
3
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Układ trójfazowy nieskojarzony – fazy źródła nie są
połączone galwanicznie między sobą.
Układ trójfazowy skojarzony:
◦ fazy połączone w gwiazdę,
◦ fazy połączone w trójkąt.
Połączenie w gwiazdę połączenie końców faz i
wyprowadzenie początków na linię
Punkt wspólny o jednakowym potencjale dla
wszystkich faz – punkt neutralny N
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
5
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Trójprzewodowy układ połączony w gwiazdę:
Czteroprzewodowy układ połączony w gwiazdę:
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
6
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
W układzie skojarzonym w gwiazdę rozróŜnia się
dwa rodzaje napięć:
◦ Napięcia fazowe – występują między
początkiem, a końcem tej samej fazy, napięcie
między przewodem fazowym, a przewodem
neutralnym.
◦ Napięcie międzyfazowe – między przewodami
fazowymi
u L12 = u L1 − u L 2
u L 23 = u L 2 − u L 3
u L 31 = u L 3 − u L1
U L12 = U L1 − U L 2
U L 23 = U L 2 − U L 3
U L 31 = U L 3 − U L1
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
7
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Wykres wektorowy napięć fazowych i
międzyfazowych
U = 3U f
Najczęściej stosowanym układem w energetycznych
sieciach niskiego napięcia – układ gwiazdowy z
przewodem neutralnym – możliwość korzystania z dwóch
napięć: fazowego i międzyfazowego.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
8
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Napięcie fazowe – zasilanie odbiorników
jednofazowych do oświetlenia i na potrzeby
gospodarstwa domowego.
Napięcie międzyfazowe – zasilanie odbiorników
trójfazowych, głównie silników w układach napięciowych.
Układ połączenia źródła w trójkąt – połączenie
zacisku końcowego jednej fazy z zaciskiem początkowych
następnej i przyłączenie linii do powstałego węzła
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
9
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Połączenie w trójkąt daje moŜliwość korzystania
tylko z jednego napięcia.
Wyprowadzona sieć zasilająca moŜe być tylko
trójprzewodowa.
Wykresy wektorowe napięć przy połączeniu w trójkąt
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
10
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Odbiornik moŜe być:
◦ symetryczny,
◦ niesymetryczny.
W symetrycznym odbiorniku połączonym w
gwiazdę, zasilanym z sieci trójprzewodowej lub
czteroprzewodowej
i A + iB + iC = 0
I A + I B + IC = 0
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
11
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Wykres wektorowy napięć i prądów odbiornika
Wartość skuteczną prądu płynącego w
poszczególnych fazach – prąd fazowy odbiornika
If =
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
Uf
Zf
= I A = I B = IC
12
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
W przypadku trójfazowego odbiornika
niesymetrycznego zasilanego linią trójprzewodową
U N ≠ 0, I A ≠ I B ≠ I C
W przypadku gdy odbiornik niesymetryczny
zasilany jest z linią czteroprzewodową i przewód
neutralny jest bezimpedancyjny. W przewodzie
neutralnym płynie prąd wyrównawczy.
I N = I A + I B + IC
UN = 0
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
13
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Trójfazowy odbiornik niesymetryczny połączony w
gwiazdę zasilany linią czteroprzewodową
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
14
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Odbiornik symetryczny połączony w trójkąt
I f = I AB = I BC = I CA =
U
Zf
I = 3I f
i A = i AB − iCA
iB = iBC − i AB
iC = iCA − iBC
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
15
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Moc w układach trójfazowych
◦ Moc czynna
P = PA + PB + PC = U A I A cos ϕ A + U B I B cos ϕ B + U C I C cos ϕC
◦ Moc bierna
Q = QA + QB + QC = U A I A sin ϕ A + U B I B sin ϕ B + U C I C sin ϕC
◦ Moc pozorna
S = S A + S B + SC = U A I A + U B I B + U C I C
1
◦ Relacja między mocą wP Gprzypadku
odbiornika
=
3
połączonego w gwiazdęP ∆i trójkąt
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
16
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Ze względu na ochronne przeciwporaŜeniową
rozróŜniamy:
TN,TT, IT
◦ Pierwsza litera oznacza:
T – bezpośrednie połączenie określonego punktu sieci lub
wielu punktów sieci z ziemią,
I – izolowanie wszystkich części sieci od ziemi lub połączenia
przez rezystor określonego punktu sieci z ziemią.
◦ Druga litera oznacza:
T – połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika
(urządzenia ) z ziemią,
N – połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika z
punktem neutralnym sieci.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
17
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Sieci TN:
◦ Układ TN-C – funkcję przewodu PE i neutralnego N
pełni jeden przewód ochronno-neutralny
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
18
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Sieci TN:
◦ Układ TN-S – funkcję przewodu ochronnego PE i neutralnego
N pełnią oddzielne przewody,
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
19
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Sieci TN:
◦ Układ TN-C-S – pierwsza część sieci pracuje w układzie
TN-C, a druga w układzie TN-S.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
20
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Sieci TT – są to sieci , w których wykonane są
bezpośrednie uziemienia punktów neutralnych N, a
zaciski ochronne odbiornika PE są połączone
przewodem ochronnym tylko z ziemią.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
21
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
W sieciach IT Ŝaden punkt nie jest bezpośrednio
połączony z ziemią, lub punkt neutralny jest połączony z
ziemią przez duŜą impedancję, a zacisk ochronny
przynajmniej jednego odbiornika jest bezpośrednio
połączony z ziemią.
Sieć izolowana
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
22
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Urządzenia elektryczne mogą być uŜytkowane w
róŜnych warunkach środowiskowych i technicznych
określonych przez:
◦ Układ sieci zasilającej,
◦ Wartość napięcia znamionowego sieci
◦ Rodzaj i niektóre właściwości pomieszczeń, w których
urządzenia są uŜytkowane,
◦ Rodzaj urządzeń.
Czynniki te wpływają na:
◦ ZagroŜenia poraŜeniem prądem elektrycznym,
◦ Środki ochrony przeciw
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
23
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Instalacje elektryczne – zespół urządzeń, aparatów
i osprzętu elektrotechnicznego niskiego napięcia,
których celem jest zapewnienie odbiorcom dostawy
energii elektrycznej o zadawalającej jakości.
◦ Oświetleniowe – źródła światła, obwody gniazd
wtyczkowych w mieszkaniach i inne urządzenia małej
mocy,
◦ Siłowe – zasilające silniki, urządzenia grzejne o
znacznych mocach oraz inne odbiorniki o charakterze
przemysłowym
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
24
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
W instalacji znajdującej się między siecią zasilającą,
zaciskami odbiorników rozróŜniamy następujące jej
części:
◦ przyłącze – kablowe, napowietrzne, słuŜy do
doprowadzenia energii elektrycznej z sieci zasilającej do
złącza.
◦ złącze – urządzenie elektryczne słuŜące do połączenia
przewodów przyłączania z licznikiem rozliczeniowym
(bezpośrednio lub za pośrednictwem wlz).
◦ wlz – linia dwu- lub wieloprzewodowa łącząca
urządzenia odbiorcze z przyłączem za pośrednictwem
złącza.
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
25
Obwody trójfazowe prądu przemiennego
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
26
Ochrona przeciwporaŜeniowa
Ochrona przed dotykiem bezpośrednim (powyŜej 25V
dla prądu przemiennego lub 60V dla prądu stałego).
◦ Izolowanie części czynnych,
◦ Ochrona przez umieszczenie części czynnych urządzeń i
elementów instalacji poza zasięgiem ręki
◦ Ochrona przez zastosowanie barier (przeszkód)
Ochrona przed dotykiem pośrednim
◦ Ochrona przez zastosowanie samoczynnego szybkiego
wyłączenia zasilania
◦ Ochrona przez zastosowanie urządzeń II klasy
ochronności,
◦ Ochrona przez zastosowanie izolowania stanowiska
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
27
Ochrona przeciwporaŜeniowa
Urządzenia elektryczne dzieli się na klasy
ochronności:
◦ Klasa ochronności 0 – izolacja jedynie podstawowa,
brak zacisku ochronnego,
◦ Klasa ochronności I - izolacja jedynie podstawowa,
zacisk ochronny do przyłączenia przewodu PE lub PEN,
◦ Klasa ochronności II – izolacja podwójna lub
wzmocniona, brak zacisku ochronnego,
◦ Klasa ochronności III – zasilanie napięciem bardzo
niskim w układzie SELV lub PELV
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
28
Ochrona przeciwporaŜeniowa
Ochrona przez zastosowanie samoczynnego szybkiego
wyłączenia zasilania.
◦ NajdłuŜsze dopuszczalne czasy wyłączania zaleŜą od
napięcia znamionowego względem ziemi oraz układu sieci.
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
29
Ochrona przeciwporaŜeniowa
Sieć typu TN
◦ Urządzenia przetęŜeniowe (nadprądowe) – bezpieczniki,
wyłączniki,
◦ Urządzenia róŜnicowoprądowe.
◦ Skuteczność działania
Zs Ia ≤ U0
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
30
Ochrona przeciwporaŜeniowa
1 – przekładnik sumujący,
2 – przekaźnik różnicowoprądowy,
3 – zamek wyłącznika
W warunkach pracy normalnej suma
geometrycznych prądów
przepływających przewodami
fazowymi i neutralnymi jest równa
zeru.
iL1 + iL 2 + iL 3 + iN = 0
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
31
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
32
Ochrona przeciwporaŜeniowa
Przykład:
Piotr Sauer