background image

7.  Rozwiązywanie obwodów prądu sinusoidalnego 

143 

Wykład XVII.   PODSTAWOWE  STRUKTURY  OBWODÓW  TRÓJFAZOWYCH 

Układ wielofazowy i układ trójfazowy 

Terminem układ wielofazowy określa się zbiór – w liczbie dwa lub większej – takich, związanych 
ze  sobą  strukturalnie  obwodów  elektrycznych,  że  w  każdym  z  nich  działa  jedno  źródło  napięcia 
sinusoidalnego o częstotliwości takiej samej jak w obwodach pozostałych, oraz początkowym kącie 
fazowym różnym niż w obwodach pozostałych. 
Obwody  tworzące  układ  wielofazowy  noszą  nazwę    faz  tego  układu.  Jak  wiadomo,  termin  „faza” 
oznacza też bieżącą wartość argumentu przebiegu sinusoidalnego, tj. 

ω

 

t

 

+

 

ψ

 

,  dlatego aby nie po-

wodować  nieporozumień,  zaznacza  się  zwykle,  czy  chodzi  o  fazę  układu,  czy  o  fazę  przebiegu 
(unika się też używania skróconej nazwy początkowego kąta fazowego: „faza początkowa”). 
Uporządkowanie początkowych kątów fazowych 

ψ

u

 napięć źródłowych w fazach układu – wg ma-

lejących  wartości  –  wyznacza  kolejność  faz  układu.    Jeśli  punkty  o  tych  wartościach  dzielą  prze-
dział o długości równej 2

π

 

=

 

360

°

 (okres funkcji sinus) na równe odcinki, a przy tym wartości sku-

teczne napięć w fazach są jednakowe, to taki układ wielofazowy nazywa się symetrycznym
Fazy  układu  oznacza  się  kolejnymi  literami  alfabetu  (oznaczeniem  pierwszej  fazy  może,  ale  nie 
musi być litera A) lub cyframi (w takim wypadku oznaczeniem pierwszej fazy jest zawsze cyfra 1). 
Warto  zaznaczyć,  że  kolejność  faz  nie  jest  równoznaczna  z  ich  numeracją  (oznaczeniem  faz).  Za 
pierwszą  fazę  można  obrać  dowolną  fazę  układu.  Używa  się  też  pojęć:  zgodna  i  przeciwna  kolej-
ność faz, np. w związku ze sposobem przyłączenia zacisków odbiornika do zacisków źródła. 

Układ trójfazowy to układ o trzech fazach (obwodach fazowych). Fazy układu trójfazowego ozna-
cza się literami, np. ABC, albo cyframi 1, 2, 3. Fazom układu oznaczonym cyframi 1, 2, 3 odpo-
wiadają kolejności faz zgodne: 1, 2, 3;  2, 3, 1  i  3, 1, 2, oraz przeciwne: 1, 3, 2;  2, 1, 3  i  3, 2, 1. 

Różnice  faz  początkowych  napięć  źródłowych  symetrycznego 
układu trójfazowego są równe 

±

 

120

°

, jak na rys. obok, gdzie dla 

wskazu  w  fazie  A  przyjęto  początkowy  kąt  fazowy  równy  0. 
Funkcje czasu wyrażające te napięcia są następujących postaci: 

t

E

t

e

m

A

 

ω

sin

)

(

=

 ,                               (7.19a) 

)

120

sin(

)

(

o

=

t

E

t

e

m

B

 

ω

 ,                  (7.19b) 

)

120

sin(

)

(

o

+

=

t

E

t

e

m

C

 

ω

 ,                  (7.19c) 

a wartości symboliczne - 

E

E

A

=

,      

3

2

π

=

j

B

e

E

E

,      

3

2

π

=

j

C

e

E

E

.      (7.20) 

Gdy  obwody  fazowe  nie  są  połączone  ze  sobą  galwanicznie,  to  układ  wielofazowy  (trójfazowy) 
określa się jako nieskojarzony, gdy natomiast występuje tego rodzaju połączenie – jako skojarzony
Ź

ródłowe  napięcia  fazowe  są  zwykle  „pobierane”  z  trójfazowego  uzwojenia  generatora  lub  trans-

formatora, toteż w praktyce spotyka się wyłącznie układy trójfazowe skojarzone o zasilaniu syme-
trycznym. Takie właśnie obwody są dalej omawiane. 

Źródło, odbiornik i linia skojarzonego układu trójfazowego 

W układach trójfazowych występują źródła trójfazowe, odbiorniki trójfazowe oraz – pomijane czę-
sto w obliczeniach – linie trójfazowe (między źródłami i odbiornikami). W układach trójfazowych 
skojarzonych, elementy fazowe źródła oraz odbiornika trójfazowego mogą być łączone w gwiazdę 
lub w trójkąt
Układy „gwiazdowe” i „trójkątowe” można rysować sytuując elementy fazowe: 1) pod kątami od-
powiadającymi mniej więcej symetrycznemu przesunięciu wskazów,  2) równolegle do siebie. 
Na poniższym rysunku pokazano obie wersje graficzne:  a) źródła „gwiazdowego”,  b) źródła „trój-
kątowego” (dla uproszczenia przyjęto źródła idealne),  c) odbiornika „gwiazdowego”,  d) odbiorni-
ka „trójkątowego”. 

E

E

E

2

π

 

 3 

  

2

π

 

 3 

background image

Wykład XVII 

144

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
W  układach  gwiazdowych  źródła  i  odbiornika  występują  punkty  wspólne,  nazywane  neutralnymi 
(oznaczenie: N, jak na rys.) lub zerowymi (oznaczenie: 0). Zależnie od tego, czy punkty te są połą-
czone z resztą układu, czy też nie (linia przerywana), źródła oraz odbiorniki są czterozaciskowe lub 
trójzaciskowe.  Oczywiście, źródła i odbiorniki „trójkątowe” są zawsze trójzaciskowe. 

W linii trójfazowej występują 3 przewody, nazywane fazowymi, i ewentualnie – przewód czwarty, 
nazywany neutralnym lub zerowym, który łączy punkty neutralne (zerowe) układów gwiazdowych 
ź

ródła i odbiornika. Zależnie od tego, czy w linii jest przewód neutralny (zerowy), czy też nie, na-

zywa się ją  czteroprzewodową lub trójprzewodową. Na poniższym rysunku pokazano:  a’) układ z 
linią  czteroprzewodową  –  w  jedynej  możliwej  konfiguracji  ze  źródłem  i  odbiornikiem  (gwiazda-
gwiazda);  a’’, a’’’, b’, b’’) układy z linią trójprzewodową – we wszystkich konfiguracjach ze źró-
dłem i odbiornikiem (gwiazda-gwiazda, gwiazda-trójkąt, trójkąt-gwiazda, trójkąt-trójkąt). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Uwaga.    Terminy  „neutralny”  i  „zerowy” 
(punkt,  przewód)  są  używane  zamiennie,  ale 
preferuje  się  nazwę  pierwszą.    Pojęcie  punktu 
lub  przewodu  zerowego  bywa  bowiem  zawę-
ż

ane  do  takiego,  który  jest  uziemiony  (połą-

czony  galwanicznie  z  ziemią,  dokładniej  –  z 
jej wierzchnią warstwą przewodzącą).  

c)                                                                                         d) 

 

 

Z

AB 

Z

CA 

Z

BC 

 

 

 

Z

AB 

Z

CA 

Z

BC 


 

 

 

Z

Z

Z


 

 

 

Z

Z

Z

a)                                                                                         b) 

 

 

E

AB 

E

CA 

E

BC 

 

 

 

E

AB 

E

CA 

E

BC 


 

 

 

E

E

E


 

 

 

E

E

E

a’) 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

a’’) 
 
 
 
 
 
 

a’’’) 

A 
 
B
’ 
 
C
’ 
 

N’ 

Z

Z

Z


 

 

 

E

E

E

Z

AA’ 

Z

CC’ 

Z

BB’ 

Z

N

A 
 
B
’ 
 
C
’ 
 

Z

Z

Z


 

 

E

E

E

Z

AA’ 

Z

CC’ 

Z

BB’ 

 

 

E

E

E

Z

AA’ 

Z

CC’ 

Z

BB’ 

A’ 

 

B’ 

 

C’ 

 

Z

AB 

Z

CA 

Z

BC 

Z

AA’ 

Z

CC’ 

Z

BB’ 

A’ 

 

B’ 

 

C’ 

 

Z

AB 

Z

CA 

Z

BC 

 

 

 

E

AB 

E

CA 

E

BC 

b’) 
 
 
 
 
 
 
 

b’’)

 

Z

AA’ 

Z

CC’ 

Z

BB’ 

A’ 

 

B’ 

 

C’ 

 

Z

Z

Z

 

 

 

E

AB 

E

CA 

E

BC 

background image

7.  Rozwiązywanie obwodów prądu sinusoidalnego 

145 

Obwód trójfazowy. Prąd trójfazowy i napięcie trójfazowe 

Ź

ródłowe napięcia występujące w układach trójfazowych tworzą trójfazowe układy napięć źródło-

wych; podobnie można mówić o trójfazowych układach napięć: w linii zasilającej i w odbiorniku, 
oraz o trójfazowych układach prądów: w źródle, linii i odbiorniku. Aby uniknąć niejednoznaczności 
terminu  „układ”,  określającego:    1)  zbiór  elementów  tworzących  pewną  strukturę  (powiązane  ze 
sobą obwody fazowe),  2)  zbiór wielkości tego samego rodzaju, występujących w jakimś obiekcie 
(powiązane ze sobą napięcia albo prądy), używa się, odpowiednio, terminów: 1)  obwód trójfazowy
2)  napięcie trójfazowe  i  prąd trójfazowy

Uwaga.  Termin „obwód trójfazowy” jest powszechnie stosowany w elektroenergetyce, gdzie wy-
stępują  układy  trójfazowe  o  rozbudowanej  strukturze.  Przyjęło  się  tu  mówić  o  obwodach  jedno-  i 
trójfazowych  jako  układach  „widzianych”  przez  grupę  odbiorów.    Obwody  takie  to  podsystemy 
rozdzielczo-odbiorcze, związane z odbiornikami zasilanymi z jednej linii układu elektroenergetycz-
nego. Część układu nazywana obwodem trójfazowym jest więc tu układem złożonym z zastępczego 
ź

ródła trójfazowego, linii trójfazowej i przyłączonych do niej odbiorników. Pełna analiza funkcjo-

nowania systemu elektroenergetycznego prowadzona jest na różnych poziomach, odpowiadających 
hierarchii podsystemów.  

Napięcia, prądy i moce w obwodach trójfazowych 

W obwodach trójfazowych można wyróżnić następujące napięcia oraz prądy: 

a)  napięcia fazowe źródła oraz odbiornika, tj. napięcia na ich elementach fazowych, 

b)  napięcia fazowe układu i linii zasilającej, tj. napięcia między przewodami fazowymi i przewo-

dem neutralnym, a w układzie z uziemionym punktem neutralnym źródła, bez przewodu neu-
tralnego (zerowego) – napięcia między przewodami fazowymi a wnętrzem ziemi (tzw. ziemią 
odległą), 

c)  napięcia międzyfazowe źródła oraz odbiornika, tj. napięcia między punktami (zaciskami) źró-

dła oraz odbiornika, przyłączonymi do przewodów fazowych, 

d)  napięcie  międzyfazowe,  inaczej:  międzyprzewodowe  lub  liniowe,  układu  i  linii  zasilającej,  tj. 

napięcia między przewodami fazowymi, 

e)  prądy fazowe źródła oraz odbiornika, tj. prądy w ich elementach fazowych, 

f) 

prądy liniowe, inaczej: przewodowe, oraz prąd powrotny (neutralny, zerowy) układu i linii za-
silającej, tj. prądy w przewodach fazowych oraz prąd w przewodzie neutralnym, a w układzie z 
uziemionym punktem neutralnym źródła – w ziemi. 

Symbole  napięć  i  prądów  fazowych  (źródła,  linii,  odbiornika)  opatruje  się  czasami  indeksem  „f”. 
Wartości  skuteczne  fazowego  i  międzyfazowego  (międzyprzewodowego)  symetrycznego  napięcia 
trójfazowego linii zapisuje się w związku z tym jako: U

 i U, a np. fazowe napięcia źródłowe ukła-

du „trójkątowego”, które są jednocześnie w tym wypadku napięciami międzyfazowymi źródła oraz 
linii (E

AB 

E

BC 

,

 

E

CA 

), mogą być zapisane jako E

fA 

E

fB 

E

fC 

Moce: czynna P, bierna Q oraz zespolona S, wydawane przez źródło trójfazowe lub pobierane przez 
odbiornik trójfazowy, są równe odpowiednio: 

fC

fB

fA

P

P

P

P

+

+

=

 ,      

fC

fB

fA

Q

Q

Q

Q

+

+

=

 ,      

fC

fB

fA

S

S

S

S

+

+

=

 .      (7.21a, b, c) 

Omawiane będą obwody trójfazowe z idealnym (zwykle też symetrycznym) źródłem i bezimpedan-
cyjną linią zasilającą odbiornik. 

Jeśli w tzw. gałęzi powrotnej układu gwiazda-gwiazda (między punktami neutralnymi źródła i od-
biornika)  występuje  impedancja  Z

N

,  to  będzie  ona  traktowana  jako  element  odbiornika  Z

N 

.  W 

takim wypadku, całkowite moce pobierane w odbiorniku są obliczane z zależności: 

N

fC

fB

fA

P

P

P

P

P

+

+

+

=

 

,   

N

fC

fB

fA

Q

Q

Q

Q

Q

+

+

+

=

 

,   

N

fC

fB

fA

S

S

S

S

S

+

+

+

=

 

.  (7.22a, b, c) 

gdzie:  P

N 

,  Q

N 

,  S

N 

 – moce tracone w gałęzi powrotnej, w impedancji Z

N 

=

 

Z

NN 

 odbiornika. 

background image

Wykład XVII 

146

Odbiornik zasilany czteroprzewodowo 

Na  rys.  obok  pokazano  obwód  trójfazowy  z  odbiornikiem 
o układzie gwiazdowym, zasilanym czteroprzewodowo. 

W ogólnym przypadku:  Z

N

 

 0 ,  Z

A

 

 Z

B

 

 Z

C

 . 

Aby obliczyć prądy: I

A

 , I

B

 , I

C

 , trzeba najpierw wyznaczyć 

napięcie  U

N

.    Stosując  metodę  węzłową,  przy  założeniu 

V

N 

=

 

0

 

, otrzymuje się: 

N

C

B

A

C

C

B

B

A

A

N

N

N

Y

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

Y

V

U

+

+

+

+

+

=

=

'

'

 ,      (7.23a) 

gdzie: 

A

A

Z

Y

1

=

,   

B

B

Z

Y

1

=

,   

C

C

Z

Y

1

=

,   

N

N

Z

Y

1

=

.   (7.23b) 

Następnie korzysta się z zależności: 

N

N

A

A

U

E

U

'

=

 ,          

N

N

B

B

U

E

U

'

=

 ,          

N

N

C

C

U

E

U

'

=

 ,                   (7.23c) 

A

A

A

U

Y

I

=

 ,          

B

B

B

U

Y

I

=

 ,          

C

C

C

U

Y

I

=

 ,                                     (7.23d) 

N

N

N

N

U

Y

I

'

=

      albo      

C

B

A

N

I

I

I

I

+

+

=

 .                                                    (7.23e) 

Moc wydawana przez źródło idealne, a pobierana przez odbiornik wraz z gałęzią powrotną, wynosi: 

*

'

*

*

*

*

*

*

N

N

N

C

C

B

B

A

A

C

C

B

B

A

A

I

U

I

U

I

U

I

U

I

E

I

E

I

E

jQ

P

S

+

+

+

=

+

+

=

+

=

 .     (7.24) 

Szczególnym  przypadkiem  jest  czteroprzewodowy  układ  gwiazda-gwiazda  z  bezimpedancyjnym 
przewodem neutralnym, tzn. 

0

=

N

Z

 , wobec czego: 

0

'

=

N

N

U

 ,      

A

A

E

U

=

 ,      

B

B

E

U

=

 ,      

C

C

E

U

=

 . 

Przykład 1.  Odbiornik gwiazdowy o impedancjach faz i gałęzi powrotnej (przyłączonej do punktu 
neutralnego  odbiornika): 

)

100

100

(

 

j

Z

Z

N

A

=

=

,   

)

100

100

(

 

j

Z

Z

C

B

+

=

=

,  jest  zasilany 

czteroprzewodowo napięciem symetrycznym 3

×

230/400 V.  Należy obliczyć wartości napięć i prą-

dów  występujących  w  obwodzie,  przedstawić  wykres  wskazowy  odpowiadający  tym  wartościom 
oraz sporządzić bilans mocy obwodu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Schemat obwodu z zaznaczeniem charakteru gałęzi – rys. a. 

Wartości admitancji fazowych i admitancji gałęzi powrotnej, obliczone wg wzorów (7.23b): 

o

45

2

2

10

2

5

,

0

10

)

5

,

0

5

,

0

(

j

N

A

e

j

Y

Y

=

+

=

=

 

S, 

o

45

2

2

10

2

5

,

0

10

)

5

,

0

5

,

0

(

j

C

B

e

j

Y

Y

=

=

=

 

S. 

N’ 

Z

Z

Z

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

Z

N 

I

N

 

U

A

 

 
 
U

B

 

 
 
U

C

 

U

NN 

V

N

 =

 

V

N’ 

U

A

 

 
 
U

B

 

 
 
U

C

 

N’ 

Z

Z

Z

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

Z

N 

I

N

 

U

NN 

a)                                                                         b) 

E

E

E

U

U

U

I

I

I

I

ϕ

ϕ

ϕ

U

N

ϕ

N

I

background image

7.  Rozwiązywanie obwodów prądu sinusoidalnego 

147 

Napięcie zasilające 3

×

230/400 V, określające znamionowe napięcia: fazowe U

 f  

=

 

230 V i między-

fazowego U

 

=

 

400 V, odpowiada w przybliżeniu warunkowi  U

  

=

 

 

U

f  

.  Bliższe spełnienia tego 

związku są np. wartości: U

 f  

=

 

231 V i  U

 

=

 

400 V  (230

 

3

 398,37 ;  231

 

3

 400,10). Dla ogra-

niczenia niepotrzebnych błędów – w tym i następnych przykładach – używać się będzie w oblicze-
niach tych drugich wartości. 

Przyjęte wartości początkowych kątów fazowych napięć źródła: 

o

0

.

=

A

e

ψ

,  

o

120

.

=

B

e

ψ

,   

o

120

.

=

C

e

ψ

Wartości symboliczne napięć źródła:  

231

231

0

=

=

o

j

A

e

E

 V, 

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

B

=

=

o

 V,    

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

C

+

=

=

o

 V. 

Wartość symboliczna napięcia na impedancji w gałęzi powrotnej, obliczona wg wzoru (7.23a): 

o

90

'

'

5

,

115

5

,

115

j

N

C

B

A

C

C

B

B

A

A

N

N

N

e

j

Y

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

Y

V

U

=

=

+

+

+

+

+

=

=

 

 V. 

Wartości symboliczne napięć fazowych odbiornika, obliczone wg wzorów (7.23c): 

o

6

,

26

'

3

,

258

5

,

115

231

j

N

N

A

A

e

j

U

E

U

=

=

 

 V, 

o

1

,

110

'

0

,

336

5

,

315

5

,

115

j

N

N

B

B

e

j

U

E

U

=

=

 

 V, 

o

8

,

143

'

1

,

143

5

,

84

5

,

115

j

N

N

C

C

e

j

U

E

U

+

=

=

 

 V. 

Wartości symboliczne prądów, obliczone wg wzorów (7.23d, e): 

o

4

,

18

826

,

1

j

A

A

A

e

U

Y

I

=

 A, 

o

1

,

155

376

,

2

j

B

B

B

e

U

Y

I

=

 A, 

o

8

,

98

012

,

1

j

C

C

C

e

U

Y

I

=

 A, 

o

135

'

817

,

0

j

N

N

N

N

e

U

Y

I

=

 A. 

Wykres wskazowy odpowiadający wartościom napięć i prądów – rys. b (obok schematu obwodu). 

Bilans mocy: 

- moc zespolona obwodu, wydawana przez źródło i pobierana przez odbiornik, wg wzoru (7.24) 

(VA),

  

267

 

1067

012

,

1

231

376

,

2

231

826

,

1

231

         

2

,

21

1

,

35

4

,

18

*

*

*

j

e

e

e

I

E

I

E

I

E

S

j

j

j

C

C

B

B

A

A

gen

+

+

+

=

=

+

+

=

o

o

o

 

(VA),

  

267

 

1067

         

817

,

0

5

,

115

012

,

1

1

,

143

376

,

2

0

,

336

826

,

1

3

,

258

         

         

45

45

45

45

 

'

 

 

 

*

'

*

*

*

j

e

e

e

e

e

I

U

e

I

U

e

I

U

e

I

U

I

U

I

U

I

U

I

U

S

j

j

j

j

j

N

N

N

j

C

C

j

B

B

j

A

A

N

N

N

C

C

B

B

A

A

odb

N

C

B

A

+

=

+

+

+

=

=

+

+

+

=

=

+

+

+

=

o

o

o

o

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

  

- moc elementów rezystancyjnych 

1067

817

,

0

100

012

,

1

100

376

,

2

100

826

,

1

100

2

2

2

2

2

+

+

+

=

=

k

k

k

I

R

P

 W, 

- moc elementów reaktancyjnych 

267

817

,

0

100

012

,

1

100

376

,

2

100

826

,

1

100

2

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

X

Q

 var. 

Równanie  

Q

j

P

S

S

odb

gen

 

+

=

=

  jest spełnione, tzn. moce się bilansują. 

background image

Wykład XVII 

148

Przykład 2.  Odbiornik gwiazdowy o wartościach impedancji faz – jak poprzednio, i bezimpedan-
cyjnej  gałęzi  powrotnej  (bezpośrednio  połączone  punkty  neutralne  źródła  i  odbiornika): 

)

100

100

(

 

j

Z

A

=

,   

)

100

100

(

 

j

Z

Z

C

B

+

=

=

,   

)

0

0

(

0

 

j

Z

N

+

=

=

,    jest  zasilany  cztero-

przewodowo  napięciem  symetrycznym  3

×

230/400 V.    Należy  obliczyć  wartości  napięć  i  prądów 

występujących  w  obwodzie,  przedstawić  wykres  wskazowy  odpowiadający  tym  wartościom  oraz 
sporządzić bilans mocy obwodu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Schemat obwodu z zaznaczeniem charakteru gałęzi – rys. a. 

Wartości admitancji fazowych:  

o

45

2

10

2

5

,

0

j

A

e

Y

=

S,    

o

45

2

10

2

5

,

0

j

C

B

e

Y

Y

=

=

S. 

Napięcia fazowe – w zadanych warunkach i przy założonych jak poprzednio napięciach źródła: 

o

0

231

j

A

A

e

E

U

=

=

 V,    

o

120

231

j

B

B

e

E

U

=

=

 V,    

o

120

231

j

C

C

e

E

U

=

=

 V. 

Wartości symboliczne prądów, obliczone wg wzorów (7.23d, e): 

o

45

633

,

1

j

A

A

A

e

U

Y

I

=

 A, 

o

165

633

,

1

j

B

B

B

e

U

Y

I

=

 A, 

o

75

633

,

1

j

C

C

C

e

U

Y

I

=

 A, 

o

90

309

,

2

j

C

B

A

N

e

I

I

I

I

+

+

=

 A. 

Wykres wskazowy odpowiadający wartościom napięć i prądów – rys. b (obok schematu obwodu). 

Bilans mocy: 

- moc zespolona obwodu, wydawana przez źródło i pobierana przez odbiornik, wg wzoru (7.24) 

(VA),

  

267

 

800

633

,

1

231

633

,

1

231

633

,

1

231

    

    

45

45

45

 

 

 

*

*

*

*

*

*

j

e

e

e

e

I

U

e

I

U

e

I

U

I

U

I

U

I

U

I

E

I

E

I

E

S

j

j

j

j

C

C

j

B

B

j

A

A

C

C

B

B

A

A

C

C

B

B

A

A

C

B

A

+

+

+

=

=

+

+

=

=

+

+

=

+

+

=

o

o

o

ϕ

ϕ

ϕ

 

- moc elementów rezystancyjnych 

800

633

,

1

100

633

,

1

100

633

,

1

100

 

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

R

P

 W, 

- moc elementów reaktancyjnych 

267

633

,

1

100

633

,

1

100

633

,

1

100

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

X

Q

 var. 

Równanie  

Q

j

P

S

 

+

=

  jest spełnione, tzn. moce się bilansują. 

U

A

 

 
 
U

B

 

 
 
U

C

 

N’ 

Z

Z

Z

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

N 

I

N

 

a)                                                                         b) 

U

A

 

=

 

E

I

N

  

=

 

I

A

 

+

 

I

B

 

+

 

I

I

I

I

ϕ

ϕ

ϕ

U

B

 

=

 

E

U

C

 

=

 

E

background image

7.  Rozwiązywanie obwodów prądu sinusoidalnego 

149 

Odbiornik o układzie gwiazdowym zasilany trójprzewodowo 

Na rysunku pokazano obwód trójfazowy z odbiornikiem źródła o układzie gwiazdowym, zasilanym 
trójprzewodowo ze źródła o układzie gwiazdowym. 

Z  punktu  widzenia  pracy  odbiornika,  sposób  połączenia  ele-
mentów  źródła  nie  ma  znaczenia.  Gwiazdowy  układ  źródła, 
istniejący rzeczywiście lub zastępczy, pozwala traktować za-
silanie  trójprzewodowe  jako  przypadek  zasilania  czteroprze-
wodowego  z  gałęzią  powrotną  o  zerowej  admitancji  Y

N 

=

 

0

 

Wtedy to wzory (7.23a), (7.23b) i (7.24) przyjmują formy: 

C

B

A

C

C

B

B

A

A

N

N

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

Y

U

+

+

+

+

=

'

 ,           (7.25a) 

A

A

Z

Y

1

=

,     

B

B

Z

Y

1

=

,     

C

C

Z

Y

1

=

 ,          (7.25b) 

*

*

*

*

*

*

C

C

B

B

A

A

C

C

B

B

A

A

I

U

I

U

I

U

I

E

I

E

I

E

jQ

P

S

+

+

=

+

+

=

+

=

 .            (7.26) 

Zależności (7.23c, d) stosuje się w niezmienionej postaci, a miejsce (7.23e) zajmuje:  I

N 

=

 

0

 

 . 

Przykład.  Odbiornik gwiazdowy: 

)

100

100

(

 

j

Z

A

=

,  

)

100

100

(

 

j

Z

Z

C

B

+

=

=

, jest zasilany 

trójprzewodowo  napięciem  symetrycznym  3

×

400 V.    Należy  obliczyć  wartości  napięć  i  prądów 

występujących  w  obwodzie,  przedstawić  wykres  wskazowy  odpowiadający  tym  wartościom  oraz 
sporządzić bilans mocy obwodu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Schemat obwodu z zaznaczeniem charakteru gałęzi – rys. a. 

Wartości admitancji fazowych:  

o

45

2

10

2

5

,

0

j

A

e

Y

=

S,    

o

45

2

10

2

5

,

0

j

C

B

e

Y

Y

=

=

S. 

Wartości symboliczne napięć źródła (umownie – gwiazdowego):  

231

231

0

=

=

o

j

A

e

E

 V, 

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

B

=

=

o

 V,    

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

C

+

=

=

o

 V. 

Wartość symboliczna napięcia między punktami N’ i N, obliczona wg wzoru (7.25a): 

o

4

,

108

'

'

1

,

146

6

,

138

 

2

,

46

j

C

B

A

C

C

B

B

A

A

N

N

N

e

j

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

Y

V

U

=

+

=

+

+

+

+

=

=

 V. 

Wartości symboliczne napięć fazowych odbiornika, obliczone wg wzorów (7.23c): 

o

6

,

26

'

9

,

309

6

,

138

 

2

,

277

j

N

N

A

A

e

j

U

E

U

=

=

 V, 

o

6

,

101

'

6

,

345

6

,

338

 

3

,

69

j

N

N

B

B

e

j

U

E

U

=

=

 V, 

Z

U

A

 

 
 
U

B

 

 
 
U

C

 

N’ 

Z

Z

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

N 

U

N

N 

U

A

 

 
 
U

B

 

 
 
U

C

 

N’ 

Z

Z

Z

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

N 

U

N

N 

a)                                                                         b) 

E

E

E

U

U

U

I

I

I

ϕ

ϕ

ϕ

U

N

background image

Wykład XVII 

150

o

5

,

138

'

6

,

92

1,4

6

 

3

,

69

j

N

N

C

C

e

j

U

E

U

+

=

=

 V. 

Wartości symboliczne prądów, obliczone wg wzorów (7.23d): 

o

4

,

18

191

,

2

j

A

A

A

e

U

Y

I

=

 A, 

o

6

,

146

444

,

2

j

B

B

B

e

U

Y

I

=

 A, 

o

5

,

93

655

,

0

j

C

C

C

e

U

Y

I

=

 A. 

Wykres wskazowy odpowiadający wartościom napięć i prądów – rys. b (obok schematu obwodu). 

Bilans mocy: 

- moc zespolona obwodu, wydawana przez źródło i pobierana przez odbiornik, wg wzoru (7.26) 

(VA),

  

60

1

 

1120

655

,

0

231

444

,

2

231

191

,

2

231

         

5

,

26

6

,

26

4

,

18

*

*

*

j

e

e

e

I

E

I

E

I

E

S

j

j

j

C

C

B

B

A

A

gen

+

+

+

=

=

+

+

=

o

o

o

 

(VA),

  

60

1

 

1120

         

655

,

0

6

,

92

444

,

2

6

,

345

191

,

2

9

,

309

         

45

45

45

 

 

 

*

*

*

j

e

e

e

e

I

U

e

I

U

e

I

U

I

U

I

U

I

U

S

j

j

j

j

C

C

j

B

B

j

A

A

C

C

B

B

A

A

odb

C

B

A

+

=

+

+

=

=

+

+

=

+

+

=

o

o

o

ϕ

ϕ

ϕ

  

- moc elementów rezystancyjnych 

1120

655

,

0

100

444

,

2

100

191

,

2

100

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

R

P

 W, 

- moc elementów reaktancyjnych 

160

655

,

0

100

444

,

2

100

191

,

2

100

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

X

Q

 var. 

Równanie  

Q

j

P

S

S

odb

gen

 

+

=

=

  jest spełnione, tzn. moce się bilansują. 

Odbiornik o układzie trójkątowym 

Na  rys.  obok  pokazano  obwód  trójfazowy  z 
odbiornikiem  o  układzie  trójkątowym,  zasila-
nym  trójprzewodowo  ze  źródła  o  układzie 
gwiazdowym. 
Z  punktu  widzenia  pracy  odbiornika,  sposób 
połączenia  elementów  źródła  nie  ma  znacze-
nia,  dlatego  zaznaczono  je  liniami  przerywa-
nymi.  Fazy  linii  zasilającej  opatrzono  symbo-
lami L1, L2, L3 – alternatywnymi do ABC

Napięcia fazowe odbiornika są jednocześnie jego napięciami międzyfazowymi. Między nimi a fa-
zowymi napięciami źródła o układzie gwiazdowym zachodzą następujące związki: 

B

A

AB

E

E

U

=

 ,          

C

B

BC

E

E

U

=

 ,          

A

C

CA

E

E

U

=

 .                (7.27) 

W ogólnym przypadku  (

 

Z

AB 

 

Z

BC 

 

Z

CA 

)  korzysta się z zależności: 

AB

AB

Z

Y

1

=

 ,          

BC

BC

Z

Y

1

=

 ,          

CA

CA

Z

Y

1

=

 ,                                    (7.28a) 

AB

AB

AB

U

Y

I

=

 ,          

BC

BC

BC

U

Y

I

=

 ,          

CA

CA

CA

U

Y

I

=

 ,             (7.28b) 

CA

AB

A

I

I

I

=

 ,          

AB

BC

B

I

I

I

=

 ,          

BC

CA

C

I

I

I

=

 .                  (7.28c) 

Z

CA 

I

AB

 

 
 
I

BC

 

 
 
I

CA

 

Z

AB 

Z

BC 

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

A (L1) 
 
 
B
 (L2) 
 
 
C
 (L3) 

U

CA 

U

AB 

U

BC 

background image

7.  Rozwiązywanie obwodów prądu sinusoidalnego 

151 

Moc wydawana przez źródło idealne o układzie gwiazdowym, a pobierana przez odbiornik o ukła-
dzie trójkątowym, wynosi: 

*

*

*

*

*

*

CA

CA

BC

BC

AB

AB

C

C

B

B

A

A

I

U

I

U

I

U

I

E

I

E

I

E

jQ

P

S

+

+

=

+

+

=

+

=

 .            (7.29) 

Przykład. Odbiornik o układzie trójkątowym: 

)

100

 

100

(

j

Z

AB

=

)

100

 

100

(

j

Z

Z

CA

BC

+

=

=

jest zasilany napięciem symetrycznym 3

×

400 V.  Należy obliczyć wartości napięć i prądów wystę-

pujących w obwodzie, przedstawić wykres wskazowy odpowiadający tym wartościom oraz sporzą-
dzić bilans mocy obwodu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Schemat obwodu z zaznaczeniem charakteru gałęzi – rys. a. 

Wartości admitancji:  

o

45

2

10

2

5

,

0

j

AB

e

Y

=

S,    

o

45

2

10

2

5

,

0

j

CA

BC

e

Y

Y

=

=

S. 

Wartości symboliczne napięć źródła (umownie – gwiazdowego):  

231

231

0

=

=

o

j

A

e

E

 V, 

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

B

=

=

o

 V,    

)

200

5

,

115

(

231

120

 

j

e

E

j

C

+

=

=

o

 V. 

Wartości symboliczne napięć fazowych (międzyfazowych) odbiornika, wg wzorów (7.27): 

o

30

400

00

2

 

5

,

346

j

B

A

AB

e

j

E

E

U

+

=

=

 V, 

o

90

400

00

4

 

j

C

B

BC

e

j

E

E

U

=

=

 V, 

o

150

400

00

2

 

5

,

346

j

A

C

CA

e

j

E

E

U

+

=

=

 V. 

Wartości symboliczne prądów, obliczone wg wzorów (7.28b, c): 

=

o

75

828

,

2

j

AB

AB

AB

e

U

Y

I

 

(0,732

 

+

 

j

 

2,732) A, 

=

o

135

828

,

2

j

BC

BC

BC

e

U

Y

I

 

(

 

2

 

 

j

 

2) A, 

=

o

105

828

,

2

j

CA

CA

CA

e

U

Y

I

 

(

 

0,732

 

+

 

j

 

2,732) A. 

o

0

464

,

1

0

 

464

,

1

j

CA

AB

A

e

j

I

I

I

+

=

=

 A, 

o

120

464

,

5

732

,

4

 

732

,

2

j

AB

BC

B

e

j

I

I

I

=

=

 A, 

o

75

899

,

4

732

,

4

 

268

,

1

j

BC

CA

C

e

j

I

I

I

+

=

=

 A. 

Wykres wskazowy odpowiadający wartościom napięć i prądów – rys. b (obok schematu obwodu). 

Bilans mocy: 

- moc zespolona obwodu, wydawana przez źródło i pobierana przez odbiornik, wg wzoru (7.29) 

(VA),

  

800

 

2400

899

,

4

231

464

,

5

231

464

,

1

231

         

45

0

0

*

*

*

j

e

e

e

I

E

I

E

I

E

S

j

j

j

C

C

B

B

A

A

gen

+

+

+

=

=

+

+

=

o

o

o

 

I

AB

 

 
 
I

BC

 

 
 
I

CA

 

Z

AB 

Z

BC 

Z

CA 

I

A

 

 
 
I

B

 

 
 
I

C

 

E

E

E

A (L1) 
 
 
B
 (L2) 
 
 
C
 (L3) 

U

CA 

U

AB 

U

BC 

a)                                                                                              b) 

      -I

CA 

I

A

 

I

I

ϕ

AB 

ϕ

BC 

E

U

AB 

U

BC 

U

CA 

E

E

I

AB

-I

AB 

I

BC 

-I

BC 

I

CA 

 

ϕ

CA 

background image

Wykład XVII 

152

(VA),

  

00

8

 

2400

         

828

,

2

400

828

,

2

400

828

,

2

400

         

         

45

45

45

 

 

 

*

*

*

j

e

e

e

e

I

U

e

I

U

e

I

U

I

U

I

U

I

U

S

j

j

j

j

CA

CA

j

BC

BC

j

AB

AB

CA

CA

BC

BC

AB

AB

odb

CA

BC

AB

+

=

+

+

=

=

+

+

=

=

+

+

=

o

o

o

ϕ

ϕ

ϕ

  

- moc elementów rezystancyjnych 

2400

828

,

2

100

828

,

2

100

828

,

2

100

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

R

P

 W, 

- moc elementów reaktancyjnych 

800

828

,

2

100

828

,

2

100

828

,

2

100

2

2

2

2

+

+

=

=

k

k

k

I

X

Q

 var. 

Równanie  

Q

j

P

S

S

odb

gen

 

+

=

=

  jest spełnione, tzn. moce się bilansują. 

Uwaga.  Zadanie powyższe można rozwiązać z powodzeniem na podstawie starannie narysowane-
go wykresu wskazowego
. Procedura postępowania jest następująca: 

1.  Oblicza  się  wartości  kątów  fazowych  impedancji  gałęzi,  wartości  impedancji  gałęzi  i  wartości 

skuteczne prądów w gałęziach: 

o

45

=

AB

ϕ

,   

o

45

=

=

CA

BC

ϕ

ϕ

;      

4

,

141

2

100

=

=

=

=

CA

BC

AB

Z

Z

Z

Z

 

 , 

828

,

2

2

2

2

100

400

=

=

=

=

=

Z

U

I

I

I

CA

BC

AB

 A . 

2.  Przyjmuje się skale napięcia i prądu. 

3.  Rysuje się trójkąt napięć: U

AB

 

U

BC

 

U

CA

 

4.  Przy  właściwych  napięciach  i  pod  odpowiednimi  kątami  nanosi  się  wskazy  prądów:  I

AB

  o  45

°

 

przed U

AB

 

,  I

BC

 o 45

°

 za U

BC

 

,  I

CA

 o 45

°

 za U

CA

 

. Następnie dodaje się graficznie wskazy: -I

CA 

 do 

I

AB 

, -I

AB 

 do I

BC 

, -I

BC 

 do I

CA 

, otrzymując prądy w linii (przewodach zasilających): I

A

 

I

B

 

I

C

 

5.  Z  zależności  geometrycznych  na  wykresie  wskazowym,  określa  się  początkowe  kąty  fazowe  i 

wartości  skuteczne  prądów  (wartościom  skutecznym  odpowiadają  długości  wskazów).  Można 

tak wyznaczyć np. : 

o

o

o

120

15

135

.

=

+

=

B

i

ψ

,  

46

,

5

15

cos

2

828

,

2

=

o

B

I

 A. 

6.  Moce  wydawane  lub  pobierane  w  poszczególnych  fazach  oblicza  się  jako  iloczyny  długości 

wskazów napięcia i prądu oraz cosinusa (dla mocy czynnej) lub sinusa (dla mocy biernej) kąta 
między  tymi  wskazami.  Trzeba  przy  tym  określić  znak  tego  kąta  (jest  on  dodatni,  gdy  prąd 
„opóźnia się” względem napięcia). 

Wniosek.  Szkic wykresu wskazowego jest zawsze potrzebny do kontroli wyników obliczeń. Jeśli 
związki geometryczne między wskazami są w miarę proste, to można uzyskać rozwiązanie obwodu 
bez stosowania rachunku symbolicznego. Widać to dobrze np. dla innego obwodu (rys. poniżej), w 

którym szuka się wartości I

2

 i I

, przy danych: wartości  I

=

 

3 A  i związku liczbowym 

3

R

X

C

=

Oblicza się (z danych): 

o

60

31

23

=

=

ϕ

ϕ

R

Z

Z

2

31

23

=

=

stąd   

12

31

23

5

,

0

I

I

I

=

=

 . 

Wyznacza się (z wykresu): 

2

12

=

I

 A,   

1

31

=

I

 A, 

73

,

1

3

2

=

I

 A, 

73

,

1

3

3

=

I

 A. 

I

1 

-I

23 

U

12 

ϕ

U

23 

U

31 

I

31 

-I

31 

I

12 

ϕ

-I

12 

ϕ

I

23 

ϕ

I

2 

I

3 

I

12

 

 

        R 
I

23

 

       C 
R  
C     I

31

 

I

1

 

 
 
 
I

2

 

 
 
 
 
I

3

 

U

31 

U

12 

 
 
 

U

23

 

L1 
 
 
 
L
2 
 
 
 
 
L
3