В настоящее время электрическая энергия переменного тока вырабатывается, передается и распределяется между отдельными токоприемниками в системе трехфазных цепей.
Системой трехфазных цепей называют такую совокупность электрических цепей, в которой токоприемники получают питание от общего трехфазного генератора.
Трехфазным называется генератор, который имеет обмотку, состоящую из трех частей. Каждая часть этой обмотки называется фазой. Поэтому эти генераторы и получили название трехфазные. Следует отметить, что термин «фаза» в электротехнике имеет два значения:
- в смысле определенной стадии периодического колебательного процесса;
- как наименование части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).
Для уяснения принципа действия трехфазного генератора обратимся к модели, схематически изображенной на рисунке 1. Модель состоит из статора, изготовленного в виде стального кольца, и ротора — постоянного магнита. На кольце статора расположена трехфазная обмотка с одинаковым числом витков в каждой фазе. Фазы обмотки смещены в пространстве одна относительно другой на угол 120°.
Представим себе, что ротор модели генератора приведен во вращение с постоянной скоростью против движения часовой стрелки. Вследствие непрерывного движения полюсов постоянного магнита относительно проводников обмотки статора в каждой ее фазе будет наводиться ЭДС.
Применяя правило правой руки, можно убедиться, что ЭДС, наводимая в фазе обмотки северным полюсом вращающегося магнита, будет действовать в одном направлении, а наводимая южным полюсом — в другом. Следовательно, ЭДС фазы генератора будет переменной.
Крайние точки (зажимы) каждой фазы генератора всегда размечают: одну крайнюю точку фазы называют началом, а другую — концом. Начала фаз обозначают латинскими буквами A, B, C, а концы их — соответственно X, Y, Z. Наименования «начало» и «конец» фазы дают, руководствуясь следующим правилом: положительная ЭДС генератора действует в направлении от конца фазы к ее началу.
ЭДС генератора условимся считать положительной, если она наведена северным полюсом вращающегося магнита. Тогда разметка зажимов генератора для случая вращения его ротора против движения часовой стрелки должна быть такой, как показано на рисунке 1.
При постоянной скорости вращения полюсов ротора амплитуда и частота ЭДС, создаваемых в фазах обмотки статора, сохраняются неизменными. Однако в каждое мгновение величина и направление действия ЭДС одной из фаз отличаются от величины и направления действия ЭДС двух других фаз. Это объясняется пространственным смещением фаз. Все явления во второй фазе повторяют явления в первой фазе, но с опозданием.
Говорят, что ЭДС второй фазы отстает во времени от ЭДС первой фазы. Они, например, в разное время достигают своих амплитудных значений. Действительно, наибольшее значение ЭДС, наведенной в какой-либо фазе, будет в тот момент, когда центр полюса ротора проходит середину этой фазы. В частности, для момента времени, соответствующего расположению ротора, показанному на рисунке 1, электродвижущая сила первой фазы генератора будет положительной и максимальной.
Положительное максимальное значение ЭДС второй фазы наступит позже, когда ротор повернется на угол 120°. Поскольку за один оборот двухполюсного ротора генератора происходит полный цикл изменения ЭДС, то время T одного оборота является периодом изменения ЭДС. Очевидно, что для поворота ротора на 120° необходимо время, равное одной трети периода (T/3).
Следовательно, все стадии изменения ЭДС второй фазы наступают позже соответствующих стадий изменения ЭДС первой фазы на одну треть периода. Такое же отставание в периодическом изменении ЭДС наблюдается в третьей фазе по отношению ко второй. Разумеется, что по отношению к первой фазе периодические изменения ЭДС третьей фазы совершаются с опозданием на две трети периода (2/3 T).
Путем придания соответствующей формы полюсам магнитов можно добиться изменения ЭДС во времени по закону, близкому к синусоидальному.
Следовательно, если изменение ЭДС первой фазы генератора происходит по закону синуса
e1 = Eмsin?t ,
то закон изменения ЭДС второй фазы может быть записан формулой
e2 = Eм sin? (t ? T/3) , а третьей — формулой e3 = Eм sin? (t ? 2/3 T).
Сказанное иллюстрирует график рисунка 2.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: при равномерном вращении полюсов ротора во всех трех фазах генератора наводятся переменные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых по отношению друг к другу совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.
Трехфазный генератор служит источником питания как однофазных, так и трехфазных электрических устройств. Однофазные токоприемники, как известно, имеют два внешних зажима. К ним относятся, например, осветительные лампы, различные бытовые приборы, электросварочные аппараты, индукционные печи, электродвигатели с однофазной обмоткой.
Трехфазные устройства в общем случае имеют шесть внешних зажимов. Каждое такое устройство состоит из трех (обычно одинаковых) электрических цепей, которые называются фазами. Примерами трехфазных токоприемников могут служить электрические дуговые печи с тремя электродами или электродвигатели с трехфазной обмоткой.
fazaa.ru
Для расчета трехфазной цепи применимы все методы, используемые для расчета линейных цепей. Обычно сопротивления проводов и внутреннее сопротивление генератора меньше сопротивлений приемников, поэтому для упрощения расчетов таких цепей (если не требуется большая точность) сопротивления проводов можно не учитывать (ZЛ = 0, ZN = 0). Тогда фазные напряжения приемника Ua, Ub и Uc будут равны соответственно фазным напряжениям источника электрической энергии(генератора или вторичной обмотки трансформатора), т.е. Ua = UA; Ub = UB; Uc = UC. Если полные комплексные сопротивления фаз приемника равны Za = Zb = Zc, то токи в каждой фазе можно определить по формулам
İa = Úa / Za; İb = Úb / Zb; İc = Úc / Zc.
В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в нейтральном проводе
İN = İa + İb + İc = İA + İB + İC.
Фазное напряжение – возникает между началом и концом какой-либо фазы. По другому его еще определяют, как напряжение между одним из фазных проводов и нулевым проводом.
Линейное — которое определяют еще как межфазное или между фазное – возникающее между двумя проводами или одинаковыми выводами разных фаз.
При соединении источника питания треугольником (рис. 3.12) конец X одной фазы соединяется с началом В второй фазы, конец Y второй фазы – с началом С третьей фазы, конец третьей фазы Z – c началом первой фазы А. Начала А, В и С фаз подключаются с помощью трех проводов к приемникам.
Соединение фаз источника в замкнутый треугольник возможно при симметричной системе ЭДС, так как
ĖA + ĖB + ĖC = 0.
Если соединение обмоток треугольником выполнено неправильно, т.е. в одну точку соединены концы или начала двух фаз, то суммарная ЭДС в контуре треугольника отличается от нуля и по обмоткам протекает большой ток. Это аварийный режим для источников питания, и поэтому недопустим.
Напряжение между концом и началом фазы при соединении треугольником – это напряжение между линейными проводами. Поэтому при соединении треугольником линейное напряжение равно фазному напряжению.
UЛ = UФ.
Пренебрегая сопротивлением линейных проводов, линейные напряжения потребителя можно приравнять линейным напряжениям источника питания: Uab = UAB, Ubc = UBC, Uca = UCA. По фазам Zab, Zbc, Zca приемника протекают фазные токи İab, İbc и İca. Условное положительное направление фазных напряжений Úab, Úbc и Úca совпадает с положительным направлением фазных токов. Условное положительное направление линейных токов İA, İB и İC принято от источников питания к приемнику.
В отличие от соединения звездой при соединении треугольником фазные токи не равны линейным. Токи в фазах приемника определяются по формулам
İab = Úab / Zab; İbc = Úbc / Zbc; İca = Úca / Zca.
Линейные токи можно определить по фазным, составив уравнения по первому закону Кирхгофа для узлов a, b и c (рис 3.12)
İA = İab — İca; İB = İbc — İab; İC = İca — İbc.
Сложив левые и правые части системы уравнений, (3.20), получим
İA + İB + İC = 0,
т.е. сумма комплексов линейных токов равна нулю как при симметричной, так и при несимметричной нагрузке.
При соединение фаз обмотки генератора (или трансформатора) звездой их концы X, Y и Z соединяют в одну общую точку N, называемую нейтральной точкой (или нейтралью) (рис. 3.6). Концы фаз приемников (Za, Zb, Zc) также соединяют в одну точку n. Такое соединение называется соединение звезда.
Рис. 3.6
Провода A−a, B−b и C−c, соединяющие начала фаз генератора и приемника, называются линейными, провод N−n, соединяющий точкуN генератора с точкой n приемника, – нейтральным.
Трехфазная цепь с нейтральным проводом будет четырехпроводной, без нейтрального провода – трехпроводной.
В трехфазных цепях различают фазные и линейные напряжения. Фазное напряжение UФ – напряжение между началом и концом фазы или между линейным проводом и нейтралью (UA, UB, UC у источника; Ua, Ub, Uc у приемника). Если сопротивлением проводов можно пренебречь, то фазное напряжение в приемнике считают таким же, как и в источнике. (UA=Ua, UB=Ub, UC=Uc). За условно положительные направления фазных напряжений принимают направления от начала к концу фаз.
Линейное напряжение (UЛ) – напряжение между линейными проводами или между одноименными выводами разных фаз (UAB, UBC, UCA). Условно положительные направления линейных напряжений приняты от точек, соответствующих первому индексу, к точкам соответствующим второму индексу (рис. 3.6).
По аналогии с фазными и линейными напряжениями различают также фазные и линейные токи:
· Фазные (IФ) – это токи в фазах генератора и приемников.
· Линейные (IЛ) – токи в линейных проводах.
50. Понятие о несимметричных режимах работы в трехпроводной и четырехпроводной цепях. Назначение нулевого провода.
Трехпроводная цепь
В общем случае при несимметричной нагрузке Zab ≠ Zbc ≠ Zca. Обычно она возникает при питании от трехфазной сети однофазных приемников. Например, для нагрузки, рис. 3.15, фазные токи, углы сдвига фаз и фазные мощности будут в общем случае различными.
Рис. 3.15
Векторная диаграмма для случая, когда в фазе ab имеется активная нагрузка, в фазе bc – активно-индуктивная, а в фазе ca – активно-емкостная приведена на рис. 3.16, топографическая диаграмма – на рис. 3.17.
Рис. 3.16
Построение векторов линейных токов произведено в соответствии с выражениями
İA = İab — İca; İB = İbc — İab; İC = İca — İbc.
Рис. 3.17
Таким образом, при несимметричной нагрузке симметрия фазных токов İab, İbс, İca нарушается, поэтому линейные токи İA, İB, İC можно определить только расчетом по вышеприведенным уравнениям (3.20) или найти графическим путем из векторных диаграмм (рис. 3.16, 3.17).
Важной особенностью соединения фаз приемника треугольником является то, что при изменении сопротивления одной из фаз режим работы других фаз остается неизменным, так как линейные напряжения генератора являются постоянными. Будет изменяться только ток данной фазы и линейные токи в проводах линии, соединенных с этой фазой. Поэтому схема соединения треугольником широко используется для включения несимметричной нагрузки.
При расчете для несимметричной нагрузки сначала определяют значения фазных токов İab, İbc, İca и соответствующие им сдвиги фаз φab, φbc, φca. Затем определяют линейные токи с помощью уравнений (3.20) в комплексной форме или с помощью векторных диаграмм
Четырехпроводная цепь
При симметричной системе напряжений и несимметричной нагрузке, когда Za ≠ Zb ≠ Zc и φa ≠ φb ≠ φc токи в фазах потребителя различны и определяются по закону Ома
İa = Úa / Za; İb = Úb / Zb; İc = Úc / Zc.
Ток в нейтральном проводе İN равен геометрической сумме фазных токов
İN = İa + İb + İc.
Напряжения будут Ua = UA; Ub = UB; Uc = UC, UФ = UЛ / , благодаря нейтральному проводу при ZN = 0.
Следовательно, нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке.
Поэтому в четырехпроводную сеть включают однофазные несимметричные нагрузки, например, электрические лампы накаливания. Режим работы каждой фазы нагрузки, находящейся под неизменным фазным напряжением генератора, не будет зависеть от режима работы других фаз
Его называют нулевым потому, что в некоторых случаях ток в нем равен нулю, и нейтральным исходя из того, что он одинаково принадлежит любой из фаз.
Назначение нулевого провода в том, что он необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки,когда сопротивления этих фаз различны, а также для заземления электрооборудования в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Благодаря назначению нулевого провода напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически одинаковым при неравномерной нагрузке фаз. Осветительная нагрузка, включенная звездой, всегда требует наличия нулевого провода, так как равномерная нагрузка фаз не гарантируется.в э
Сечение нулевого провода трехфазных линий, в которых нулевые провода не используют для заземления (специальные или реконструируемые сети освещения), принимают близким к половине сечения фазных проводов.
Если, например, фазные провода имеют сечение 35 мм2, нулевой провод берется 16 мм2.
Сечение нулевого провода трехфазной системы с глухозаземленной найтралью, в которой нулевой провод используется для заземления, должно быть не менее половины сечения фазных проводов, а в некоторых случаях равно им.
Нулевой провод воздушных линий 320/220 В должен иметь одинаковую марку и сечение с фазными проводами:
на участках, выполненных стальными проводами, а также биметаллическими и сталеалюминиевыми фазными проводами, сечением 10 мм2;
при невозможности обеспечения другими средствами необходимой селективности защиты от коротких замыканий на землю (при этом допускается принимать сечение нулевых проводов большее, чем фазных проводов).
Поскольку в одно- и двухфазных линиях по нулевому и фазному проводам протекает ток одинаковой величины, то для этих линий сечение нулевых и фазных проводов берут одинаковым
51.Причины возникновения переходных процессов в электрических цепях. Дифференциальные уравнения электрического состояния цепей и методы их решения.
Переходные процессы возникают при любых изменениях режима электрической цепи: при подключении и отключении цепи, при изменении нагрузки, при возникновении аварийных режимов (короткое замыкание, обрыв провода и т.д.). Изменения в электрической цепи можно представить в виде тех или иных переключений, называемых в общем случае коммутацией. Физически переходные процессы представляют собой процессы перехода от энергетического состояния, соответствующего до коммутационному режиму, к энергетическому состоянию, соответствующему после коммутационному режиму.
Переходные процессы обычно быстро протекающие: длительность их составляет десятые, сотые, а иногда и миллиардные доли секунды. Сравнительно редко длительность переходных процессов достигает секунд и десятков секунд. Тем не менее изучение переходных процессов весьма важно, так как позволяет установить, как деформируется по форме и амплитуде сигнал, выявить превышения напряжения на отдельных участках цепи, которые могут оказаться опасными для изоляции установки, увеличения амплитуд токов, которые могут в десятки раз превышать амплитуду тока установившегося периодического процесса, а также определять продолжительность переходного процесса. С другой стороны, работа многих электротехнических устройств, особенно устройств промышленной электроники, основана на переходных процессах. Например, в электрических нагревательных печах качество выпускаемого материала зависит от характера протекания переходного процесса. Чрезмерно быстрое нагревание может стать причиной брака, а чрезмерно медленное отрицательно оказывается на качестве материала и приводит к снижению производительности.
В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).
После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.
52. Законы коммутации и их использование при определении начальных условий.
Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде iL(0—) = iL(0+), считая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0.
Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться: UC(0—) = UC(0+).
Следовательно, наличие ветви, содержащей индуктивность, в цепи, включаемой под напряжение, равносильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как iL(0—) = iL(0+). Наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как UC(0—) = UC(0+).
Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.
В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.
В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах существуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические поля.
Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств.
53. Описание процесса заряда и разряда конденсатора, включенного последовательно с резистором. Простейший генератор пилообразного напряжения.
life-prog.ru
а) Нулевой провод необходим, чтобы напряжения на фазах нагрузки оставалось одинаковыми в случае неравномерной нагрузки (не было перекоса фаз);
б) Нулевой провод необходим на случай аварийного режима:
— Короткое замыкание фазы. Если нет нулевого провода, то на оставшихся фазах нагрузки, вместо фазного напряжения будет действовать линейное напряжение (в корень из 3 раз большее), что приведет к выходу оборудования из строя. Если нулевой провод подключен, напряжение на нагрузках не изменится.
— Обрыв фазы. При отсутствии нулевого провода оставшиеся фазы оказываются соединены последовательно и включены на линейное напряжение, следовательно, напряжение на них уменьшится. Если нулевой провод подключен, напряжение на нагрузках не изменится.
Практически ток в нулевом проводе в 2 – 3раза меньше тока в линейных проводах, поэтому нулевой провод выполняется меньшим сечением. Обрыв нулевого провода крайне нежелателен, поэтому предохранители в него не ставят.
Пример:
Нагрузка соединена звездой,
Характер нагрузки индуктивный. Определить: IФ, IЛ, RФ, P, S, Q.
Решение:
Ток в нулевом проводе равен 0, следовательно, нагрузка равномерная.
Определим мощности цепи:
Построим векторную диаграмму:
studopedia.ru
Его называют нулевым потому, что в некоторых случаях ток в нем равен нулю, и нейтральным исходя из того, что он одинаково принадлежит любой из фаз.
Назначение нулевого провода в том, что он необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки,когда сопротивления этих фаз различны, а также для заземления электрооборудования в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Благодаря назначению нулевого провода напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически одинаковым при неравномерной нагрузке фаз. Осветительная нагрузка, включенная звездой, всегда требует наличия нулевого провода, так как равномерная нагрузка фаз не гарантируется.в э
Сечение нулевого провода трехфазных линий, в которых нулевые провода не используют для заземления (специальные или реконструируемые сети освещения), принимают близким к половине сечения фазных проводов.
Если, например, фазные провода имеют сечение 35 мм2, нулевой провод берется 16 мм2.
Сечение нулевого провода трехфазной системы с глухозаземленной найтралью, в которой нулевой провод используется для заземления, должно быть не менее половины сечения фазных проводов, а в некоторых случаях равно им.
Нулевой провод воздушных линий 320/220 В должен иметь одинаковую марку и сечение с фазными проводами:
на участках, выполненных стальными проводами, а также биметаллическими и сталеалюминиевыми фазными проводами, сечением 10 мм2;
при невозможности обеспечения другими средствами необходимой селективности защиты от коротких замыканий на землю (при этом допускается принимать сечение нулевых проводов большее, чем фазных проводов).
Поскольку в одно- и двухфазных линиях по нулевому и фазному проводам протекает ток одинаковой величины, то для этих линий сечение нулевых и фазных проводов берут одинаковым.
Аналогично нулевые проводники стояков в жилых зданиях при сечении фазных проводов до 16 мм2 (по меди) должны иметь сечение, равное сечению фазных проводов.
Особого подхода требует выбор нулевого провода в сетях с газоразрядными лампами. В нулевых проводах трехфазных линий, питающих газоразрядные лампы, протекает ток высших гармоник, вызванный индуктивно емкостными ПРА. Этот ток не влияет на потерю напряжения, а влияет только на нагрев проводов.
Сечение нулевого провода в таких случаях выбирают по допустимому току нагрузки.
Ток в нулевом проводе трехфазных линий при смешанной нагрузке (лампы накаливания и газоразрядные лампы) определяют приблизительно как сумму 90% тока газоразрядных ламп и 30% тока ламп накаливания самой нагруженной фазы.
elekkom56.ru
Краткая историческая справка
Исторически первым явление вращающегося магнитного поля описал Никола Тесла, и датой этого открытия принято считать 12 октября 1887 года, — момент подачи ученым заявок на патенты, касающиеся асинхронного двигателя и технологии передачи электроэнергии. 1 мая 1888 года в США, Тесла получит свои главные патенты — на изобретение многофазных электрических машин (в том числе на асинхронный электродвигатель) и на системы передачи электрической энергии посредством многофазного переменного тока.
Сутью новаторского подхода Тесла к данному вопросу явилось его предложение строить всю цепочку генерации, передачи, распределения и использования электроэнергии как единую многофазную систему переменного тока, включающую в себя и генератор, и линию передачи, и двигатель переменного тока, который Тесла называл тогда «индукционным».
На европейском континенте, параллельно изобретательской деятельности Тесла, аналогичную задачу решал Михаил Осипович Доливо-Добровольский, работа которого была направлена на оптимизацию способа широкомасштабного использования электроэнергии.
На основе технологии двухфазного тока Николы Тесла, Михаил Осипович самостоятельно разработал трёхфазную электрическую систему (как частный случай многофазной системы) и асинхронный электродвигатель совершенной конструкции — с ротором типа «беличья клетка». Патент на двигатель Михаил Осипович получит 8 марта 1889 года в Германии.
Трехфазная сеть по Доливо-Добровольскому строилась по тому же принципу, что и у Тесла: механическую энергию в электрическую преобразует трехфазный генератор, по линии электропередач к потребителям подаются симметричные ЭДС, при этом потребителями выступают трехфазные двигатели или однофазные нагрузки (такие как лампы накаливания).
Трехфазные цепи переменного тока по сей день служат для обеспечения генерации, передачи и распределения электрической энергии. Данные цепи, как следует из их названия, строятся каждая из трех электрических подцепей, в каждой из которых действует синусоидальная ЭДС. ЭДС эти генерируются общим источником, имеют равные амплитуды, равные частоты, однако смещены по фазе друг относительно друга на 120 градусов или на 2/3 пи (треть периода).
Каждая из трех цепей трехфазной системы именуется фазой: первая фаза – фаза «А», вторая фаза – фаза «В», третья фаза – фаза «С».
Начала этих фаз обозначаются соответственно буквами А, В и С, а концы фаз – X, Y и Z. Данные системы отличаются экономичностью, в сравнении с однофазными; возможностью простого получения вращающегося магнитного поля статора для двигателя, доступностью двух напряжений на выбор — линейного и фазного.
Генератор трехфазного тока и асинхронные двигатели
Итак, трехфазный генератор представляет собой синхронную электрическую машину, предназначенную для создания трех гармонических ЭДС, смещенных на 120 градусов по фазе (по сути — во времени) друг относительно друга.
На статоре генератора для этой цели установлена трехфазная обмотка, у которой каждая фаза состоит из нескольких катушек, причем магнитная ось каждой «фазы» обмотки статора физически в пространстве повернута на треть окружности относительно двух других «фаз».
Такое расположение обмоток позволяет получать он них систему трехфазных ЭДС в процессе вращения ротора. Ротором здесь служит постоянный электромагнит, возбуждаемый током обмотки возбуждения, расположенной на нем.
Турбина на электростанции вращает ротор с постоянной скоростью, магнитное поле ротора вращается вместе с ним, магнитные силовые линии пересекают проводники обмоток статора, в итоге получается система индуцированных синусоидальных ЭДС одинаковой частоты (50 Гц), смещенных друг относительно друга во времени на треть периода.
Амплитуда ЭДС определяется индукцией магнитного поля ротора и количеством витков в обмотке статора, а частота — угловой скоростью вращения ротора. Если принять начальную фазу обмотки А равной нулю, то для симметричных ЭДС трех фаз можно сделать запись в форме тригонометрических функций (фаза в радианах и в градусах):
Кроме того возможна запись действующих значений ЭДС и в комплексной форме, а также изображение множества мгновенных значений в графическом виде (см.рис2):
Векторные диаграммы отражают взаимный фазовый сдвиг трех ЭДС системы, причем в зависимости от направления вращения ротора генератора, направление чередования фаз будет различаться (прямое или обратное). Соответственно, направление вращения ротора подключенного к сети асинхронного двигателя будет разным:
Если нет дополнительных оговорок, то подразумевается прямое чередование ЭДС в фазах трехфазной цепи. Обозначение начал и концов обмоток генератора — соответствующих фаз, а также направление действующих в них ЭДС, показано на рисунке (справа схема замещения):
Схемы подключения трехфазной нагрузки — «звезда» и «треугольник»
Для питания нагрузки через три провода трехфазной сети, к каждой из трех фаз присоединяют как-бы по своему потребителю, или по фазе трехфазного потребителя (так называемого приемника электроэнергии).
Трехфазный источник можно изобразить схемой замещения из трех идеальных источников симметричных гармонических ЭДС. Идеальные приемники представлены здесь тремя полными комплексными сопротивлениями Z, каждое из которых питается от соответствующей фазы источника:
На рисунке для ясности изображены три цепи, не связанные между собой электрически, однако на практике такое включение не используется. В реальности три фазы все же имеют электрические соединения друг с другом.
Фазы трехфазных источников и трехфазных потребителей соединяют друг с другом различными способами, и чаще всего встречается одна из двух схем — «треугольник» или «звезда».
Фазы источника и фазы потребителя могут быть сопряжены между собой разными сочетаниями: источник соединен звездой и приемник звездой, или источник — звездой, а приемник — треугольником.
Именно такие сочетания соединений и применяются чаще всего на практике. Схема «звезда» предполагает наличие одной общей точки у трех «фаз» генератора или трансформатора, такая общая точка называется нейтралью источника (или нейтралью приемника, если речь о «звезде» потребителя).
Соединяющие источник и приемник провода, называются линейными проводами, они связывают выводы обмоток фаз генератора и приемника. Провод, соединяющий нейтраль источника и нейтраль приемника называют нейтральным проводом. Каждая фаза образует своеобразную индивидуальную электрическую цепь, где каждый из приемников присоединен к своему источнику парой проводов — одним линейным и одним нейтральным.
Когда конец одной фазы источника соединяется с началом второй его фазы, конец второй — с началом третьей, а конец третьей — с началом первой, такое соединение фаз источника называется «треугольник». Три провода приемника, присоединенные аналогичным образом между собой, тоже образуют схему «треугольник», и вершины данных треугольников присоединяются друг к другу.
Каждая фаза источника в данной схеме образует собственную электрическую цепь с приемником, где присоединение образовано двумя проводами. Для такого подключения названия фаз приемника записывают двумя буквами в соответствии с проводами: ab, ac, ca. Индексы для параметров фаз обозначают этими же буквами: комплексные сопротивления Zab, Zac, Zca.
Фазное и линейное напряжения
У источника, обмотка которого соединена по схеме «звезда», имеется две системы трехфазных напряжений: фазное и линейное.
Фазное напряжение — между линейным проводом и нейтралью (между концом и началом одной из фаз).
Линейное напряжение — между началами фаз или между линейными проводами. За положительное направление напряжения здесь условно принимают направление от точки цепи с более высоким потенциалом — к точке с более низким потенциалом.
Поскольку внутренние сопротивления обмоток генератора крайне малы, ими обычно пренебрегают, и считают, что фазные напряжения равны фазным ЭДС, поэтому и на векторных диаграммах напряжения и ЭДС обозначают одними и теми же векторами:
Приняв потенциал нейтральной точки за ноль, получим, что потенциалы фаз окажутся тождественны фазным напряжениям источника, а линейные напряжения — разностям фазных напряжений. Векторная диаграмма примет вид как на рисунке выше.
Каждая точка на такой диаграмме соответствует определенной точке трехфазной цепи, и проведенный между двумя точками диаграммы вектор покажет поэтому напряжение (его величину и фазу) между соответствующими двумя точками той цепи, для которой построена данная диаграмма.
В силу симметричности фазных напряжений, симметричны и линейные напряжения. Это видно по векторной диаграмме. Векторы линейных напряжений лишь сдвинуты между собой так же на 120 градусов. А соотношение между фазными и линейными напряжениями легко находится из треугольника на диаграмме: линейное в корень из трех раз больше фазного.
Кстати, для трехфазных цепей всегда нормируются именно линейные напряжения, ибо только при введении нейтрали можно будет говорить еще и о напряжении фазном.
Расчеты для «звезды»
На рисунке ниже изображена схема замещения приемника, фазы которого соединены «звездой», подключенного через провода ЛЭП к симметричному источнику, выводы которого обозначены соответствующими буквами. При расчетах трехфазных цепей решаются задачи по нахождению линейных и фазных токов когда известны сопротивления фаз приемника и напряжения источника.
Токи в линейных проводниках называются линейными токами, их положительное направление — от источника — к приемнику. Токи в фазах приемника — это фазные токи, их положительное направление — от начала фазы — к ее концу, как направление фазных ЭДС.
Когда приемник собран по схеме «звезда», имеет место ток и в нейтральном проводнике, его положительным направлением принимается — от приемника — к источнику, как на ниже приведенном рисунке.
Если рассмотреть для примера несимметричную четырехпроводную цепь нагрузки, то фазные напряжения приемника, при наличии нейтрального проводника, окажутся равны фазным напряжениям источника. Токи в каждой фазе находятся по закону Ома. А первый закон Кирхгофа позволит найти величину тока и в нейтрали (в нейтральной точке n на рисунке выше):
Далее рассмотрим векторную диаграмму данной цепи. На ней отражены линейные и фазные напряжения, также построены несимметричные фазные токи, показан цветом и ток в нейтральном проводнике. Ток нейтрального провода построен как сумма векторов фазных токов.
Пусть теперь нагрузка фаз симметрична и имеет активно-индуктивный характер. Построим векторную диаграмму токов и напряжений, приняв в расчет тот факт, что ток отстает от напряжения на угол фи:
Ток в нейтрально проводе будет равен нулю. Значит при соединении «звездой» симметричного приемника нейтральный провод влияния не оказывает, и может быть в принципе убран. Нет надобности в четырех проводах, достаточно трех.
Нейтральный провод в цепи трехфазного тока
Когда нейтральный проводник имеет достаточно большую длину, он оказывает ощутимое сопротивление прохождению тока. Отразим это на схеме добавив резистор Zn.
Ток в нейтральном проводнике создает падение напряжения на сопротивлении, что приводит к искажению напряжений в фазных сопротивлениях приемника. Второй закон Кирхгофа для цепи фазы А приводит нас к следующему уравнению, и далее — находим по аналогии напряжения фаз В и С:
Хотя фазы источника симметричны, фазные напряжения приемника несимметричны. И согласно методу узловых потенциалов напряжение между нейтральными точками источника и приемника будет равно (ЭДС фаз равны фазным напряжениям):
Иногда, когда сопротивление нейтрального провода очень мало, его проводимость можно принять бесконечной, и значит напряжение между нейтральными точками трехфазной цепи считать равным нулю.
Таким образом, симметричные фазные напряжения приемника не искажаются. Ток в каждой фазе и ток в нейтральном проводнике находятся по закону Ома или по первому закону Кирхгофа:
Симметричный приемник имеет одинаковые сопротивления в каждой из своих фаз. Напряжение между нейтральными точками равно нулю, сумма фазных напряжений равна нулю и ток в нейтральном проводнике равен нулю.
Таким образом для симметричного приемника соединенного «звездой» наличие нейтрали не влияет на его работу. Но соотношение между линейными и фазными напряжениями остаются в силе:
Несимметричный приемник, соединенный по схеме «звезда», в отсутствие нейтрального проводника будет обладать максимальным напряжением смещения нейтрали (проводимость нейтрали нулевая, сопротивление — бесконечность):
Максимальны в этом случае и искажения фазных напряжений приемника. Векторная диаграмма фазных напряжений источника, с построением напряжения нейтрали, отражает данный факт:
Очевидно, при изменении величин или характера сопротивлений приемника, величина напряжения смещения нейтрали варьируется в широчайших пределах, и нейтральная точка приемника на векторной диаграмме может располагаться в самых разных местах. При этом фазные напряжения приемника будут значительно различаться.
Вывод: симметричная нагрузка допускает удаление нейтрального провода без влияния на фазные напряжения у приемника; несимметричная нагрузка при удалении нейтрального проводника сразу ведет к устранению жесткой связи между напряжениями приемника и напряжениями фаз генератора, — на напряжения нагрузки влияют теперь только линейные напряжения генератора.
Несимметричная нагрузка приводит к несимметрии фазных напряжений на ней, и к смещению нейтральной точки дальше от центра треугольника векторной диаграммы.
Нейтральный провод поэтому необходим для выравнивания фазных напряжений приемника в условиях его несимметричности или при подключении к каждой из фаз однофазных приемников, рассчитанных на фазное, а не на линейное напряжение.
По этой же причине нельзя в цепь нейтрального провода устанавливать предохранитель, так как в случае разрыва нейтрального провода на фазных нагрузках возникнет тенденция к опасным перенапряжениям.
Расчеты для «треугольника»
Теперь рассмотрим соединение фаз приемника по схеме «треугольник». На рисунке показаны выводы источника, причем нейтральный провод отсутствует, да и присоединять его здесь некуда. Задача при такой схеме соединения обычно заключается в том, чтобы вычислить фазные и линейные токи при известных напряжении источника и фазных сопротивлениях нагрузки.
Напряжения между линейными проводами — это и есть фазные напряжения при соединении нагрузки «треугольником». Исключая из рассмотрения сопротивления линейных проводов, линейные напряжения источника приравниваем к линейным напряжениям фаз потребителя. Фазные токи замыкаются по комплексным сопротивлениям нагрузки и по проводам.
За положительное направление фазного тока принимают направление соответствующее фазным напряжениям, от начала — к концу фазы, а для линейных токов — от источника — к приемнику. Токи в фазах нагрузки находятся по закону Ома:
Особенность «треугольника», в отличие от звезды, в том, что фазные токи здесь не равны линейным. По фазным токам можно вычислить линейные, воспользовавшись первым законом Кирхгофа для узлов (для вершин треугольника). А сложив уравнения, получим, что сумма комплексов токов линейных равна в треугольнике нулю независимо от симметричности или несимметричности нагрузки:
При симметричной нагрузке линейные (равные фазным в данном случае) напряжения создают систему симметричных токов в фазах нагрузки. Фазные токи являются равновеликими, а отличаются лишь фазами на треть периода, то есть на 120 градусов. Линейные токи — тоже равны между собой величинами, отличия лишь в фазах, что и отражено на векторной диаграмме:
Допустим, что диаграмма построена для симметричной нагрузки индуктивного характера, тогда фазные токи запаздывают по отношению к фазным напряжениям на некоторый угол фи. Линейные токи образованы разностью двух токов фазных (так как соединение нагрузки «треугольник») и при этом симметричны.
Рассмотрев треугольники на диаграмме, легко видеть, что соотношение между токами фазными и линейными имеет вид:
То есть при симметричной нагрузке, соединенной по схеме «треугольник», действующее значение фазного тока в корень из трех раз меньше действующего значения тока линейного. В условиях симметрии для «треугольника» расчет для трех фаз сводится к расчету для единственной фазы. Линейное и фазное напряжения равны между собой, фазный ток находится по закону Ома, линейный ток — в корень из трех раз больше фазного.
Несимметричная нагрузка предполагает различие в комплексных сопротивлениях, что характерно для питания различных однофазных приемников от одной трехфазной сети. Здесь фазные токи, фазные углы, мощности в фазах, — будут различаться.
Пусть в одной фазе имеется чисто активная нагрузка (ab), в другой — активно-индуктивная (bc), в третьей — активно-емкостная (ca). Тогда векторная диаграмма будет иметь вид подобный тому, как на рисунке:
Токи в фазах не симметричны, и для нахождения линейных токов придется прибегать к графическим построениям или к уравнениям для вершин по первому закону Кирхгофа.
Отличительная особенность схемы приемника «треугольник» в том, что при варьировании сопротивления в одной из трех фаз, для оставшихся двух фаз условия не изменятся, поскольку линейные напряжения никак не поменяются. Изменится лишь ток в одной конкретной фазе и токи в передающих проводах, к которым данная нагрузка подключена.
В связи с данной особенностью схема соединения трехфазной нагрузки по схеме «треугольник» востребована обычно для питания несимметричной нагрузки.
В ходе расчета несимметричной нагрузки в схеме «треугольник», первым делом вычисляют фазные токи, затем сдвиги фаз, и только потом находят линейные токи в соответствии с уравнениями по первому закону Кирхгофа или прибегают к векторной диаграмме.
Мощность в трехфазной цепи
Для трехфазной цепи, как и для любой цепи переменного тока, характерны полная, активная и реактивная мощности. Так, активная мощность для несимметричной нагрузки равна сумме трех активных составляющих:
Реактивная мощность — есть сумма реактивных мощностей в каждой из фаз:
Для «треугольника» подставляются фазные величины, как то:
Полная мощность каждой из трех фаз считается так:
Полная мощность любого трехфазного приемника:
Для симметричного трехфазного приемника:
Для симметричного приемника, включенного по схеме «звезда»:
Для симметричного «треугольника»:
Значит и для «звезды», и для «треугольника»:
Мощности активная, реактивная, полная — для любой симметричной схемы приемника:
electricalschool.info
В звезде с нейтральным проводом каждая фаза нагрузки с помощью нейтрального провода и соответствующей линии независимо подключена к своему генератору. Следовательно, если не учитывать малые падения напряжения в линии, фазные напряжения, также как ЭДС генератора равны по величине и сдвинуты по фазе на 1200.
| |
Соответственно, линейные напряжения
Из векторной диаграммы линейных и фазных напряжений можно найти соотношение между ними. По теореме косинусов для любого линейного напряжения (учитывая, что cos1200 = – 0.5) получим
=
Следовательно, в звезде с нейтральным проводом при любой нагрузке линейные напряжения (Uл) равны по величине и в раз больше фазных (Uф).
Uл = UAB = UBC = UCA = Uф = Ua = Ub = Uc
Из схемы соединения нагрузки звездой следует, что линейные токи равны соответствующим фазным
Ток в нейтральном проводе можно определить из I закона Кирхгофа для нейтральной точки нагрузки “n” – сумма геометрическая (векторная), следовательно, для определения In нужно построить векторную диаграмму.
Пример расчета трехфазной нагрузки, соединенной
Звездой с нейтральным проводом
| |
Пусть известно линейное напряжение и сопротивления
всех фаз
1. Определяем фазные напряжения
Ua = Ub = Uc = Uл /
2. Определяем сопротивления фаз, фазные токи и углы сдвига фаз между током и напряжением
Аналогично определяются Zb, Ib, φb; Zc, Ic, φc
3. Ток в нейтральном проводе определяется по векторной диаграмме (ВД)
Порядок построения ВД
3.1. Строим 3 вектора фазных напряжений со сдвигом на 1200
| |
3.2. Относительно каждого из этих напряжений строим фазные токи , учитывая величину и направление угла сдвига фаз между током и напряжением.
3.3.Складываем геометрически
фазные токи и находим ток
в нейтральном проводе
Трехфазное соединение нагрузки треугольником
| |
При соединении нагрузки треугольником каждая фаза нагрузки включена между двумя линейными проводами, следовательно, фазные напряжения равны соответствующим линейным
Пример расчета трехфазной нагрузки, соединенной треугольником.
1. Определяем сопротивления фаз (Zab, Zbc, Zca) , фазные токи и углы сдвига фаз между током и напряжением
Аналогично определяются Zbc, Ibc, φbc ; Zca, Ica, φca
2. Линейные токи можно определить по векторной диаграмме (ВД) на основания I закона Кирхгофа в векторной форме
Для узла “a”
=>
Аналогично для узлов “b” и “c” получим
;
Порядок построения ВД
2.1. Строим 3 вектора фазных напряжений со сдвигом на 1200
2.2. Относительно каждого из этих напряжений строим фазные токи , учитывая величину и направление угла сдвига фаз между током и напряжением.
2.3. Строим вектор линейного тока по соотношению
– из фазного тока вычитаем фазный ток (т.е. из конца вектора строим вектор минус ) – получаем линейный ток . Аналогично находим линейные токи и .
При обрыве одной из фаз ток в этой фазе равен 0, токи в двух оставшихся фазах и все фазные напряжения не изменяются. Линейные токи определяются по векторной диаграмме, как и в предыдущем случае.
При обрыве линейного провода система перестает быть трехфазной. Схема представляет из себя две параллельные ветви, включенные между двумя оставшимися линейными проводами. Фазные и линейные токи можно определить на основе методов расчета цепи с параллельным соединением элементов.
Тема 3 Трансформаторы
Назначение –преобразование переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты, т.е. для повышения или понижения напряжения. Без трансформаторов передача электроэнергии на большие расстояния была бы невозможна.
Применение –очень широкое – вся силовая энергетика, практически все бытовые и промышленные электронные устройства и т.д.
| |
Устройство –две или более обмоток, расположенных на замкнутом ферромагнитном сердечнике (ФМС). Обмотка, которая подключается к сети, называется первичной.К остальным обмоткам (вторичным) подключаются нагрузки.
Принцип действия трансформатораоснован на явлении электромагнитной индукции – законе Фарадея. При подключении первичной обмотки W1 к сети переменного тока с напряжением ~ U1 по ней течет переменный ток ~ I1, который будет создавать переменный магнитный поток Ф1. Основная часть этого потока Ф распространяется по ФМС (основной поток), пронизывает витки вторичной обмотки W2 и индуктирует в них ЭДС E2 (закон Фарадея).
(при любом изменении магнитного потока в каждом витке индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока e ~ – dФ/dt. Если же ток постоянный, то Ф–const, => dФ/dt = 0, => e = 0, т.е. постоянный поток ЭДС не создает, => трансформатор не работает на постоянном токе).
Если W2 > W1 то ЭДС вторичной обмотки Е2 > E1 => U2 > U1 – трансформатор повышающий.
Если W2 < W1 то ЭДС вторичной обмотки Е2 < E1 => U2 < U1 – трансформатор понижающий.
Назначение ФМС –ФМС служат для усиления магнитного поля и придания ему нужной конфигурации. При введении в катушку ФМС он намагничивается и его собственное магнитное поле складывается с полем катушки. В результате магнитный поток (МП) резко возрастает (приблизительно в m раз).
m – магнитная проницаемость ФМС (до 10 000).
Следовательно, используя ФМС, при том же токе в катушке можно получить в m раз больший МП, или заданный МП получить при в m раз меньшем токе в обмотке.
Это огромный плюс использования ФМС.Но есть и минусы.
––В ФМС возникают дополнительные потери энергии (потери в стали)
Рст = Рвт + Рг
1. Вихревые потери Рвт –ток переменный => МП переменный, он будет в самом ФМС индуктировать ЭДС (закон Фарадея), сердечник проводящий, по нему текут вихревые токи, которые разогревают сердечник. Для уменьшения этих потерь сердечники делают не сплошными, а набирают из тонких изолированных пластин, или прессуют из ферромагнитного порошка с диэлектрическим связующим.
2. Гистерезисные потери Рг –или потери на перемагничивание. Ток переменный, при каждом изменении направления тока ФМС перемагничивается, на это тратится энергия, пропорциональная частоте и площади петли гистерезиса. Для уменьшения этих потерь ФМС изготавливают из магнито-мягких материалов с узкой петлей гистерезиса.
Потоки в трансформаторе
Ф – основной поток – в ФМС
Фs1 и Фs2 – потоки рассеяния каждой обмотки. Это часть потока, которая распространяется не по ФМС, а по воздуху. Но эти потоки малы, т.к. магнитное сопротивление воздуха в mФМС раз больше чем у ФМС (mвоздуха=1, а mФМС до 10000).
lektsia.com