Trojfázová sústava

Trojfázová sústava je symetrické a synchronizované usporiadanie troch obvodov striedavého prúdu, medzi ktorými je konštantný fázový posun o tretinu periódy (120 °). Trojfázová sústava sa celosvetovo využíva pri výrobe, prenose, distribúcii a spotrebe elektrickej energie pre jej schopnosť vytvárať točivé magnetické pole, umožňujúce jednoduchú a lacnú konštrukciu elektrických strojov.
Napätie a prúd v trojfázovej sústave sa nazývajú trojfázové napätie a trojfázový prúd. Pre prídavné meno "trojfázový" sa v slovenčine a češtine používa aj skratka 3F alebo 3f , napr. 3F sústava, 3F istič, 3F rozvod.
Dejiny.
Viacfázové elektrické sústavy vynašlo nezávisle viacero priekopníkov elektrotechniky koncom 80. rokov 19. storočia.
V roku 1885 realizoval taliansky fyzik Galileo Ferraris výskum točivých magnetických polí. Experimentoval s rôznymi typmi asynchrónnych elektromotorov, pričom jeho práce vyústili do vývoja alternátora, ktorý si možno predstaviť ako elektromotor na striedavý prúd pracujúci opačne, aby sa mechanická (rotačná) energia premieňala na elektrickú energiu (vo forme striedavého prúdu). 11. marca 1888 Ferraris zverejnil svoj výskum v článku Akadémie vied v Turíne.
O dva mesiace neskôr získal americký elektrotechnik srbského pôvodu Nikola Tesla v USA patent na konštrukciu trojfázového elektromotora, pričom prihláška bola podaná 12. októbra 1887. Z obrázka č. 13 v tomto patente je zrejmé, že Tesla predpokladal, že jeho trojfázový motor bude napájaný z trojfázového generátora pomocou šiestich vodičov.
Rusko-poľský vynálezca Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij, pôsobiaci v Nemecku pre čerstvo založenú spoločnosť AEG, vyvinul v roku 1888 trojfázový elektrický generátor a trojfázový elektromotor a skúmal ich zapojenia do hviezdy a do trojuholníka. Jeho trojvodičový trojfázový prenosový systém bol prezentovaný na Svetovej elektrotechnickej výstave vo Frankfurte nad Mohanom v roku 1891, kde Dolivo-Dobrovolskij použil systém na prenos elektrickej energie na vzdialenosť 176 km s účinnosťou 75 %. V rokoch 18891891 vytvoril aj trojfázový transformátor a asynchrónny motor s kotvou nakrátko.
Švédsky vynálezca Jonas Wenström získal v roku 1890 patent na rovnaký trojfázový systém (pričom práce viedli až k vzniku švédskej spoločnosti ASEA, dnes ABB po zlúčení so švajčiarskou Brown, Boveri &amp; Cie). V bani Grängesberg zvažovali možnosti prenosu elektrickej energie z vodopádu na diaľku. Vybrali si 45-metrový vodopád v Hällsjöne, časti obce Smedjebacken v provincii Dalarna, kde sa nachádzala malá železiareň. V roku 1893 tu bola zavedená trojfázová sústava s napätím 9,5 kV, prenášajúca výkon 400 konských síl na vzdialenosť 15 km, ktorá predstavovala prvú komerčnú realizáciu konceptu.
Uvedené alternátory vytvárali sústavy striedavých prúdov, vzájomne fázovo posunutých o určité uhly a ich činnosť závisela od točivých magnetických polí. Vynález viacfázového alternátora sa spolu s vynálezom transformátora stali kľúčovými pre dejiny elektrifikácie, keďže umožňovali účinný prenos energie drôtmi na veľké vzdialenosti. Mechanická energia tečúcej vody mohla byť prostredníctvom vodných elektrární pri veľkých priehradách premenená na elektrickú, ktorá mohla následne napájať elektromotory na ľubovoľných iných vzdialených miestach, kde bolo potrebné vykonávať mechanickú prácu. Táto všestrannosť podnietila celosvetový búrlivý rozvoj nového odvetvia elektroenergetiky.
Začiatkom 20. storočia ešte prevažovalo využitie dvojfázovej sústavy, postupne však zvíťazila trojfázová sústava, ktorá je ekonomickejšia na spotrebu materiálu vodičov ako pri strojoch, tak pri vedeniach. V súčasnosti tvorí trojfázová sústava celosvetovo základ výroby a distribúcie elektrickej energie. Jednotlivé krajiny môžu mať rôzne parametre sústav (fázové napätie, frekvencia), ako aj systém normovaného farebného značenia vodičov, základný princíp však zostáva rovnaký.
Princíp.
Trojfázovú sústavu tvoria tri synchrónne zdroje striedavého elektrického prúdu s harmonickým (sínusovým) priebehom a rovnakým napätím aj frekvenciou, ktoré sú vzájomne fázovo posunuté o 1/3 periódy, tzn. 120 ° (stupňov) resp. 2/3 π rad v uhlovom vyjadrení. Zdrojom trojfázovej energie je obvykle alternátor, kde rotorové vinutie budené jednosmerným prúdom indukuje do troch vzájomne geometricky posunutých statorových vinutí elektrický prúd sínusového priebehu.
Vhodným prepojením statorových vinutí vznikne trojfázová sústava. Rozoznávajú sa dve základné zapojenia:
Obdobne sa zapájajú v trojfázovej sústave aj vinutia transformátorov a elektromotorov. Prepojením fázových vodičov alternátora a motora sa vytvorí v motore točivé magnetické pole a rotor (synchrónneho) motora sa potom otáča rovnakou rýchlosťou ako rotor alternátora.
Okrem alternátora môže byť trojfázovým zdrojom aj trojica synchrónne pracujúcich striedačov, pri potrebe generovania trojfázového prúdu z jednosmerných zdrojov (akumulátory, fotovoltika, jednosmerné resp. usmernené jednofázové trakčné napätie v dopravných prostriedkoch a pod.).
Napätia.
Napätie v trojfázovej sústave je možné udávať dvojakým spôsobom:
Prípadne sa udávajú obe hodnoty, napr. pre trojfázový rozvod NN v EÚ: "„3 x 230/400 V“". Obe hodnoty udávajú efektívnu hodnotu (tzn. kvadratický priemer – "RMS") príslušného sínusového priebehu.
V prípade zapojenia do hviezdy (Y) sú vinutia (alebo iné záťaže) pripojené na fázové napätia ("Uf"), v prípade trojuholníka (Δ) na √3-násobne vyššie združené napätia ("Uz"). Pri rovnakej impedancii záťaží je preto výkon v zapojení do trojuholníka 3-násobný: formula_2 a trojnásobné sú aj prúdy, tečúce fázovými vodičmi. Využíva sa to okrem iného na plynulejší rozbeh (obmedzenie mechanických rázov aj prúdových špičiek) motorov, určených na zapojenie do trojuholníka. Vinutia motora sú na trojfázový rozvod pripojené cez predradený prepínač "vypnuté – hviezda – trojuholník" a motor sa zapína prechodom cez zapojenie do hviezdy, v ktorom je jeho rozbehový prúd aj točivý moment približne tretinový. Prepínač môže byť manuálny mechanický alebo automatický.
Matematicky je možné okamžité hodnoty jednotlivých fázových napätí v čase "t" vyjadriť nasledovne:
kde "Um" je amplitúda (maximálna hodnota) fázového napätia, "ω" je uhlová frekvencia (2π"f"), "t" je čas v sekundách, "φ"0 je počiatočný fázový uhol v radiánoch.
Použitie.
Alternátor v elektrárni vyrába obvykle trojfázový prúd na úrovni vysokého napätia (VN). Elektrická energia je ďalej prenášaná prenosovou a distribučnou sústavou po troch vodičoch na úrovni vysokého a veľmi vysokého napätia (VVN) do miesta spotreby. Na zmenu veľkosti napätia sa používajú trojfázové transformátory (prípadne tri jednofázové). V mieste spotreby zaisťuje trojfázová sústava zdroj točivej energie pre motory na striedavý prúd. Zvlášť jednoduchá a tým lacná konštrukcia vychádza pri trojfázovom asynchrónnom motore, ktorý je použitý pri väčšine točivých zariadení pripojených k striedavej elektrickej sieti.
Aj iné veľké elektrické spotrebiče, ktoré nepotrebujú točivé pole (napríklad oblúková pec), sú konštruované ako trojfázové, aby ich bolo možné zapojiť priamo do trojfázovej sústavy a odoberali z jednotlivých fáz symetricky pokiaľ možno rovnaké resp. podobné prúdy.
Okrem trojfázových spotrebičov umožňuje trojfázová sústava aj napájanie jednofázových spotrebičov. Pripojenie jednofázového spotrebiča vedie k určitej nesymetrii elektrických parametrov trojfázovej sústavy. Napríklad v domácom rozvádzači sa pre väčšinu spotrebičov (jednofázových) rozdelí trojfázová sústava na samostatné jednofázové obvody (zásuviek, osvetlenia). Jednotlivé obvody sú rozložené na všetky tri fázy sústavy tak, aby nesymetria zaťaženia bola čo najmenšia.
Trojfázová sústava sa používa aj v letectve, pre palubné napájacie rozvody lietadiel a vrtuľníkov, avšak z praktických dôvodov (rozmerovo kompaktnejšie a ľahšie transformátory a filtre pri stále akceptovateľnom skin efekte) spravidla s vyššou nominálnou frekvenciou – 400 Hz, na rozdiel od pozemných sietí, kde je najbežnejších 50 alebo 60 Hz.