Vznik trojfázového střídavého napětí

Pokus 1:
Otáčejte silným tyčovým magnetem mezi třemi stejnými cívkami, prostorově uspořádanými symetricky na obvodu kruhu kolem rotujícího magnetu s osami vzdálenými úhlově 120°.

Výroba tří střídavých napětí vzájemně fázově posunutých o 120°
(obr. 1).

Ke každé z cívek připojte stejnosměrný voltmetr s nulou uprostřed stupnice. Otáčejte magnetem konstantní rychlostí.

Ručky všech tří přístrojů se během jedné celé otáčky magnetu vychýlí jednou vlevo a jednou vpravo.

Pokud se rotor s póly otáčí, indukuje se na všech cívkách napětí se stejnou amplitudou i kmitočtem. Průběhy napětí jsou vzhledem k uspořádání cívek vzájemně časově posunuty o 1/3 periody. Úhel fázových posunů je tedy 120°.

Tři cívky takového generátoru tvoří vinutí stroje, nazývané fáze ¹) stroje. V každé fázi je indukováno napětí, nazývané fázové napětí. Začátky fází (vnější vývody vinutí fází z předních cívkových stran) se označují U1, V1, W1 a konce fází (vnitřní vývody vinutí fází ze zadních cívkových stran) se označují U2, V2, W2. Sdružením (elektrickým spojením) cívek je možno omezit počet vodičů potřebných pro přenos elektrické energie z šesti na čtyři (L 1, L2, L3, N), nebo jen na tři sdružené vodiče (L 1, L2, L3) a vznikne tak sdružená trojfázová soustava.

Sdružená trojfázová napěťová soustava je tvořena 3 sinusovými napětími fázově posunutými o 120°.

Sdružení fází
Spojíme-li do jednoho uzlu konce fází U2, V2, W2, dostaneme zapojení do hvězdy, označované Y

Trojfázová soustava s grafem průběhů a vektorovými diagramy
(obr. 2).

Tento uzel je nulovým bodem hvězdy. Do nulového bodu připojujeme nulový vodič (nebo též střední vodič, nebo neutrální vodič) N.

Spojíme-li fázová vinutí sériově, tj. konec jednoho vinutí se začátkem dalšího vinutí, např. U2 - V1, V2 - W1, W2 - U1, vznikne zapojení do trojúhelníku, označované Δ, nebo D.

Vodiče L1, L2, L3 vedoucí v obou případech od zdroje (výrobce) trojfázového napětí (proudu) ze svorek (vývodů vinutí) U1, V1, W1 se nazývají sdružené vodiče, fázové vodiče nebo síťové vodiče.

¹) slovo fáze má tedy v elektrotechnice (v české terminologii) dvojí význam, znamená jednak fázový posun, jednak jednu část (větev) mnohofázové soustavy

Pokus 2:
Změřte v trojfázové síti

Měření napětí v trojfázové soustavě
(obr.1)

napětí mezi fázemi, tzv. sdružená napětí a pak napětí fází proti nulovému vodiči, tzv. fázová napětí.

Sdružená napětí jsou stejná, fázová napětí jsou také stejná, ale menší než napětí sdružená (síťová).

Poměr mezi sdruženým napětím např. U₃₁ a fázovým napětím např. U_1N se nazývá činitel sdružení:

Napětí mezi dvěma fázemi, např. mezi L1 a L2, se nazývá sdružené nebo síťové napětí. Vztah mezi sdruženými a fázovými napětími v trojfázové soustavě je patrný z vektorového diagramu na obr.2

Vektorový diagram napětí při spojení do hvězdy

a z grafu časových průběhů na obr.3.

Graf průběhu fázových a sdruženého napětí

Ve vektorovém diagramu na obr.2 tvoří fázová napětí U_1N, U_3N a sdružené napětí U₃₁ rovnoramenný trojúhelník s úhly u základny 30°. Tento trojúhelník lze rozložit na dva pravoúhlé trojúhelníky. S využitím trigonometrických funkcí lze odvodit:

Z obrázku 2 je zřejmé, že U₃₁ je geometrickým (vektorovým) rozdílem mezi U_3N a U_1N. Ve vektorové symbolice

U₃₁ = U_3N - U_1N¹

Je-li vytvořen grafický průběh rozdílu okamžitých hodnot napětí U_3N, U_1N (obr.3), půjde pak o průběh okamžité hodnoty U₃₁ sdruženého napětí U₃₁. I z tohoto grafu je vidět, že amplituda U₃₁ je √3 krát větší než amplituda U_1N.

V čtyřvodičové trojfázové soustavě 400V je síťové (sdružené) napětí 400V (efektivní hodnota) a fázová napětí (mezi fází a nulovým vodičem) U_1N, U_2N a U_3N jsou 230V

Napětí ve čtyřvodičové soustavě
(obr. 4).

Toto umožňuje současný provoz trojfázových spotřebičů na jmenovité napětí 400V, např. motorů, elektrických sporáků nebo akumulačních kamen na noční proud, jakož i spotřebičů na střídavé napětí 230V, např. žárovek nebo televizorů v jedné rozvodné síti.

¹) tučné písmo, podtržení nebo pruh nad symboly může označovat vektory a tím i příslušné vektorové operace mezi nimi

Toto je ukázka z této publikace....