Меню

Что включает в себя трехфазная цепь переменного тока

Что включает в себя трехфазная цепь переменного тока

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.

Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:

  • фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
  • фаза как составная часть многофазной электрической системы.

Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.

Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).

Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

— экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;

— самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

— возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

— уравновешенность симметричных трехфазных систем.

Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.

Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3.

Рис.3 Рис.4

Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).

Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).

Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.

Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.

Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии — линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе . Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; — фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

; (1)
; (2)
. (3)

Отметим, что всегда — как сумма напряжений по замкнутому контуру.

На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при основании, равными 300), в этом случае

Обычно при расчетах принимается . Тогда для случая прямого чередования фаз , (при обратном чередовании фаз фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: ; .

Соединение в треугольник

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

Для симметричной системы ЭДС имеем

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов

В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда — звезда» и «треугольник — треугольник» на практике также применяются схемы «звезда — треугольник» и «треугольник — звезда».

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
Читайте также:  Основы электротехники сильных токов

Контрольные вопросы и задачи

  1. Какой принцип действия у трехфазного генератора?
  2. В чем заключаются основные преимущества трехфазных систем?
  3. Какие системы обладают свойством уравновешенности, в чем оно выражается?
  4. Какие существуют схемы соединения в трехфазных цепях?
  5. Какие соотношения между фазными и линейными величинами имеют место при соединении в звезду и в треугольник?
  6. Что будет, если поменять местами начало и конец одной из фаз генератора при соединении в треугольник, и почему?
  7. Определите комплексы линейных напряжений, если при соединении фаз генератора в звезду начало и конец обмотки фазы С поменяли местами.
  8. На диаграмме на рис. 10 (трехфазная система токов симметрична) . Определить комплексы остальных фазных и линейных токов.
  9. Какие схемы соединения обеспечивают автономность работы фаз нагрузки?

Источник



Трехфазный ток

В домовых распределительных электрических сетях в основном используются одна фаза и нулевой проводник. Этого достаточно для работы бытовых электроприборов, освещения и отопления. Для организации производственного технологического процесса применяют трехфазный ток. Потребители, шинные сборки, распределительные щитки, узлы учёта и вся электрическая схема настроены на работу от сетей трёхфазного тока.

Трёхфазный ток

Трехфазная система переменного тока

Сети трёхфазной системы рассчитаны на питание от подстанций, подающих напряжение по четырём проводам: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где функционируют ЭДС, имеющие синусоидальные формы и равную частоту. Они произведены одним и тем же источником, но имеют угол сдвига между фаз в 120 градусов (2π/3).

Ещё электротехник М.О. Доливо-Добровольский, проводя изучение работы асинхронных двигателей, представил четырёхпроводную систему в качестве рабочей для питания такого типа машин и агрегатов. Каждый провод, образующий отдельную цепь внутри этой системы, называют «фазой». Структуру трёх смещённых по фазе переменных токов именуют трёхфазным током.

Четырёхпроводная схема питания

Важно! В подобной структуре фазное напряжение равно 220 В – это то, что покажет прибор при измерении между фазным и нулевым проводниками. Величина линейного напряжения составит 380 В при проведении измерения между двумя фазными тоководами.

Что такое трехфазный ток

Это система, объединяющая три электроцепи с токами, которые разнятся по фазе на 1/3 периода. Причём их собственные ЭДС совпадают по частоте и амплитуде и имеют такой же фазовый сдвиг. У такой структуры фазное и линейное напряжения соответственно равны 220 В и 380 В. Частота периодических колебаний – 50 герц (Гц).

Если подключить к осциллографу токовые синусоидальные сигналы от трёхфазной сети, то можно будет увидеть, что они совершают прохождение своих точек максимума в регулярной фазовой последовательности.

Общая формула мощности переменного тока:

где:

  • P – мощность, (Вт);
  • I – ток, (А);
  • U – напряжение, (В);
  • cosϕ – коэффициент мощности.

Значение cosϕ должно стремиться к единице. Средний коэффициент мощности лежит в интервале 0,7-0,8. Чем он выше, тем больше КПД установки.

В случае 3-х фазных сетей мощность будет зависеть от схемы соединения источника и нагрузки.

График трёхфазного тока

Почему используют трехфазный ток

Зная, что такое трехфазный ток, можно однозначно ответить на вопрос, почему он применяется.

Трехфазные системы переменного тока обладают целым рядом преимуществ, которые позволяют им выделяться среди многофазного построения электрических структур. К плюсам можно отнести следующие особенности:

  • экономичное транспортирование энергии на дальние расстояния без снижения параметров;
  • 3-фазные трансформаторы и кабели обладают меньшей материалоёмкостью, в отличие от однофазных моделей;
  • возможность обеспечить сбалансированность энергосистемы;
  • одновременное присутствие в установках двух напряжений для работы: фазное напряжение (220 В) и линейное (380 В).

К сведению. Подключение люминесцентных ламп к разным фазам и установка их в один светильник значительно уменьшат стробоскопический эффект и заметное глазу мерцание.

Неотъемлемой частью оборудования любого производственного предприятия являются асинхронные двигатели. Для их нормальной работы и развития паспортной мощности необходимо 3-х фазное питание. Оно обеспечивает возможность образования вращающегося МП (магнитного поля), которое приводит в движение ротор асинхронной машины. Такие двигатели экономичнее, проще в изготовлении и просты в эксплуатации, по сравнению с однофазными или любыми другими.

На электростанциях любого типа (ГЭС, АЭС, ТЭС), а также альтернативных обеспечено производство электроэнергии переменного типа при помощи генераторов.

Трёхфазная линия электропередач 10 кВ

Как осуществляется работа генератора

Устройство действует, превращая энергию вращения в энергию электричества. Электромашина, используя вращение МП, генерирует электрический ток. В тот момент, когда проволочная обмотка (катушка) крутится в МП, силовые линии магнитного поля пронизывают витки обмотки.

Внимание! В результате этого процесса электроны совершают перемещение в сторону плюсового полюса магнита. При этом ток движется, наоборот, в сторону отрицательного магнитного полюса.

Не важно, что вращается при механическом воздействии, обмотка или магнитное поле, – ток будет течь, пока вращение выполняется.

Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:

  • неподвижные магниты и подвижный (вращающийся) якорь;
  • неподвижный статор и магнитные полюса, которые вращаются.

В устройствах первой конструкции возникает потребность отбора большого тока при высоком напряжении. Для этого приходится использовать щётки (скользящие по контактным кольцам контакты).

Второе строение генератора проще и более востребовано. Здесь ротор – подвижный элемент, состоит из магнитных полюсов. Статор – неподвижная часть, собрана из пакета изолированных между собой листов железа и вложенной в пазы обмотки статора.

Информация. У ротора тело собрано из сплошного железа и имеет магнитные полюса в виде наконечников. Наконечники набираются из отдельных листов. Их форма подобрана с учётом того, чтобы генерируемый ток по форме был близок к синусоиде.

Полюсные сердечники имеют катушки возбуждения. На катушки подаётся постоянный ток. Подача осуществляется через графитовые щётки на кольца контакта, находящиеся на валу.

На схемах 3-х фазный генератор рисуют в виде трёх обмоток, угол между которыми равен 1200.

Существует несколько способов возбуждения генераторов, а именно:

  • независимый – с помощью аккумулятора;
  • от возбудителя – при помощи дополнительного генератора, закреплённого на одном валу;
  • благодаря самовозбуждению – собственным выпрямленным током.

Сюда же относится магнитное возбуждение, подаваемое от магнитов постоянной природы.

 Трёхфазный генератор переменного тока

Схемы трехфазных цепей

Обмотки генератора или трансформатора в трёхфазных цепях можно соединить между собой по двум схемам:

  • звезда;
  • треугольник.

Соединения выполняются на клеммнике (борно) агрегата или трансформатора, куда выводятся концы обмоток.

 Соединение перемычками обмоток

Присоединение нагрузки к генератору (трансформатору) можно произвести по следующим схемам:

  • присоединение «звезда – звезда» с использованием нулевого проводника;
  • подключение «звезда – звезда» без использования нулевого провода;
  • подсоединение «звезда – треугольник»;
  • схема «треугольник – треугольник»;
  • соединение «треугольник – звезда».

Внимание! Такое разнообразие схем вызвано тем, что собственные обмотки генератора и собственные обмотки нагрузки могут быть соединены по-разному. При различных типах сопряжения получаются разные соответствия между фазными и линейными значениями.

Соединение может быть выполнено на заводе при сборке генератора, к месту подсоединения питающего кабеля уже выведены вторые концы обмоток. Информация о схеме соединения обмоток наносится на прикреплённую к статору машины табличку.

На электрических двигателях, трансформаторах или иных потребителях также производят необходимые манипуляции по переключению выводов обмоток. На картинке, приведённой ниже, красным маркером отмечены концы обмоток, соединённые перемычкой. Синим маркером – фазы питания.

Соединения на борно двигателя

Соединение звездой

Буквенное обозначение начала обмоток – «А», «В», «С», концов – «X», «Y», «Z». Нулевая точка маркируется как «О». У каждой обмотки есть два конца. При соединении «звезда» все три одноименных вывода обмоток (начала) соединяются между собой в одну точку «О». К свободным концам подключается нагрузка.

 Схема соединения обмоток «звездой»

Соединение треугольником

При выполнении этого присоединения на борно ставятся перемычки, включающие обмотки в следующей последовательности:

  • конец «А» – с началом «В»;
  • конец «В» – с началом «С»;
  • конец «С» – с началом «А».

Графическое изображение катушек становится похожим на треугольник, отсюда пошло название.

Когда хотят использовать подключаемый асинхронный двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, то его обмотки соединяют в треугольник. В этом случае фазные напряжения совпадают (Uл = Uф), линейный ток будет вычисляться по формуле:

Подключая в качестве нагрузки двигатель, необходимо учесть ряд нюансов:

  • достигается увеличение мощности в 1,5 раза;
  • повышается значение пускового тока, по сравнению с рабочим в 7 раз из-за тяжёлого запуска;
  • резкое увеличение нагрузки на валу электромашины будет вызывать резкое увеличение тока.

Из-за всего этого есть риск возникновения перегрева машины, что не происходит при соединении обмоток нагрузки по схеме «звезда». Там двигатель не расположен к перегреванию, и его пуск осуществляется плавно.

Включение обмоток по схеме «треугольник»

При двух видах включения обмоток различают и дают определение двум видам токов: линейному и фазному. Запомнить различия просто:

  • ток, протекающий через проводник, который соединяет источник с приёмником, называется линейным;
  • ток, движущийся по обмоткам источника или нагрузки, называется фазным.

Стоит обратить внимание на формулы мощности при различных схемах соединения источника с нагрузкой.

Читайте также:  Сила тока инвертора толщина металла

Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:

P = 3*Uф*Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ,

где:

  • Uф – фазное напряжение;
  • Uл – линейное напряжение;
  • Iф – фазный ток;
  • Iл – линейный ток;
  • cosϕ – сдвиг фаз.

Мощность тока при схеме «треугольник» вычисляется по формуле:

P = 3* Uф* Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ.

К сведению. Обращать внимание на линейный и фазный токи необходимо тогда, когда генератор (источник) нагружается несимметрично при подключении нагрузки.

Соединения в трёхфазной цепи

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях

Следующий параметр, который требует внимательного рассмотрения, – это напряжение. Так же, как и токи, напряжение в этом случае бывает фазное и линейное. Чтобы было понятнее их отличие, лучше всего рассмотреть графическое изображение векторов напряжений (фаз). Уже известно, что они расположены друг к другу под углом 1200. Таков угол между обмотками трёхфазного генератора.

асположение векторов напряжений на диаграмме

Сохраняя угол наклона вектора Ub, откладывают его (изменив знак) от точки, где заканчивается вектор Ua. Тогда из полученной векторной диаграммы видно, что вектор линейного напряжения Uл равен расстоянию между точкой начала вектора напряжения Ua и точкой конца вектора напряжения Ub. Заметно, что вектор линейного напряжения превышает фазное. Насколько большая эта разница, можно определить, пользуясь формулой:

Так как sin600= √3/2, то формула принимает вид:

Значит, Uл = 1,73*Uф

При практических измерениях параметров напряжения фазное напряжение измеряют, касаясь щупами тестера фазного и нулевого проводников. Линейное значение должно измеряться прикосновением щупами к двум фазным проводникам.

Подключение нагрузки к источнику в трёхфазной цепи может осуществляться, как по трём проводам, без нулевого проводника, так и с его использованием. Всё зависит от того, какого типа нейтраль у сети. В сетях с глухозаземлённой нейтралью нулевой проводник служит для избегания перекоса по фазам. К тому же его используют в цепях защиты от пробоя изоляции на корпус оборудования. Он даёт возможность для срабатывания защитного отключения или перегорания вставки предохранителя.

Сети с изолированной нейтралью прекрасно работают по трём фазным проводам. Соединения такого типа исключают одновременное использование и фазного, и линейного напряжения. При такой схеме существует риск получить удар током при пробое изоляции.

Отличия от однофазного тока

Как правило, в многоквартирные дома подводится трехфазный переменный ток. Это обусловлено подключением большого числа однофазных нагрузок. В этом случае есть возможность равномерно нагрузить каждую фазу цепи трансформаторной подстанции. Это позволит не допустить перекоса межфазного и фазного напряжений.

Основные различия, по сравнению с однофазным током, лежат в следующей плоскости:

  • линейное напряжение не рассчитано на питание однофазных потребителей;
  • величина мощности нагрузки зависит от сечения питающего кабеля;
  • возможность включения в сеть трёхфазных потребителей;
  • допустимость переключения однофазного потребителя на другую фазу.

В связи с этим использование трёхфазного тока более эффективно на производстве.

Распределение электроэнергии

Важно! Стоимость оборудования, кабельной продукции, электроэнергии, приборов учёта при подведении к объекту напряжения, равного 380 В, значительно выше, чем однофазной сети.

Какой вариант тока выбрать, трёхфазный или однофазный, решать владельцу жилья. Особенно это касается больших частных домов, где современное электрооборудование требует наличия всех трёх фаз. Затраты на подведение 3-х фазного тока и установку узла учёта с лихвой окупятся возможностями использования трёхфазных потребителей в приусадебном хозяйстве.

Видео

Источник

ГЛАВА 5: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основные понятия о трехфазных системах и цепях

Трехфазная система переменного тока представляет собой совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 1/3 периода Т (120°).

Каждая из электрических цепей, входящих в состав трехфазной системы, называется фазой этой системы. Система считается симметричной (рисунок 5.1), если ЭДС во всех трех фазах имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на одинаковый угол.

Впервые в мире передача энергии трехфазным током была осуществлена русским ученым М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г.

Рисунок 5.1 — Диаграмма ЭДС симметричной трехфазной системы: а) — векторная; б) — синусоидальная

Источником трехфазного переменного тока является обычно синхронный генератор. В зависимости от типа первичного двигателя различают турбогенераторы, гидрогенераторы, дизельгенераторы. Как правило, турбогене­раторы строят на 3000 и 1500 об/мин, гидрогенераторы при больших мощностях — на 60 — 125 об/мин и при средних и малых — на 125 — 750 об/мин, т. е. они являют­ся тихоходными.

В системах с электрически связанными фазами используют две схемы соединения источников и приемников: звездой и треугольником.

Соединение звездой

Соединение фаз генератора или приемника звездой получается при соединении их концов (или начал) в одну общую точку, которая называется нейтральной (рисунок 5.2). Провод, соединяющий нейтральные точки генератора 0 и приемника 0′, называется нейтральным, остальные провода — линейными. ЭДС, напряжения и токи в фазах генератора или приемника называются фазными: Еф, Uф, Iф. Токи в линейных проводах и ЭДС или напряжения между проводами называются соответственно линейными: Ел, Uл, Iл. Положительное направление линейных токов во всех линейных проводах принимается единообразным — от генератора к приемнику или наоборот. Аналогично линейные ЭДС или напряжения считаются положительными, если они направлены от предыдущей фазы к последующей (или все — противоположно). Фазные напряжения приемника считаются положительными, если они направлены от концов фаз (точка 0′) к их началам или наоборот (к точке 0′).

Рисунок 5.2 — Трехфазная система, соединения звездой

При равномерной нагрузке соотношения между ли­нейными и фазными величинами следующие: линейное напряжение равно фазному, умноженному на т.е. Uл = ∙ Uф, а линейный ток равен фазному, т.е. Iл = Iф.

Трехфазная цепь с нейтральным проводом называется четырехпроводной, а без него — трехпроводной.

При равномерной нагрузке фазные токи одинаковы по величине и сдвинуты по фазе на 120°, поэтому их сумма равна нулю. Следовательно, равен нулю и ток нейтрального провода. Таким образом, при равномерной нагрузке можно использовать систему без нейтрального провода.

В тех случаях, когда возможна неравномерная нагрузка, схему соединения звездой без нейтрального провода не применяют. Для большей надежности работы нейтрального провода, т. е. для предотвращения перехода от звезды с нейтральным проводом к звезде без нейтрального провода, в нем не устанавливают ни предохранителей, ни выключателей.

Схему «звезда» применяют для соединения приемников в тех случаях, когда их номинальное напряжение Uн меньше линейного напряжения Uл источника питания в √3 раз:

По схеме «звезда» без нейтрального провода включают равномерную нагрузку (электродвигатели, электрические печи, трансформаторы и другие трехфазные устройства), по схеме «звезда» с нейтральным проводом — неравномерную нагрузку (например, осветительную), а также обмотки трансформаторов и генераторов трехфазного тока.

Четырехпроводная система широко используется для электроснабжения смешанных осветительно-силовых нагрузок. Осветительные нагрузки включаются на фазное напряжение, а силовые (электродвигатели) — на линейное.

Пример. К трехфазной сети с линейными напряжениями Uл = 380 В подключена соединенная звездой равномерная нагрузка, каждая фаза которой содержит последовательно включенные сопротивления r = 11 Ом и xL = 6,35 Ом. Определить фазные напряжения и токи, а также коэффициент мощности фаз.

Решение.Фазные напряжения:

Общие сопротивления фаз:

Коэффициент мощности фаз:

Соединение треугольником

Соединение фаз генератора или приемника треугольником получается при соединении конца каждой фазы с началом следующей (рисунок 5.3).

Питание приемников, соединенных треугольником, осуществляется с помощью трех линейных проводов. Приемники включены непосредственно между линейными проводами. Поэтому для данной схемы справедливо соотношение Uл = Uф, т.е. линейное напряжение равно фазному, а линейный ток при равномерной нагрузке в раз больше фазного, т.е. Iл = .

Ток любой фазы треугольника (рисунок 5.3) может замыкаться через два линейных провода, минуя две другие фазы. Это обусловливает независимость фаз треугольника нормальную их работу как при равномерной, так и при неравномерной нагрузке. Возможность нормального питания приемников при неравномерной нагрузке с помощью только трех проводов — одно из основных достоинств этой схемы по сравнению с соединением звездой. Недостатком схемы является то, что при обрыве одного линейного провода перестают нормально рабо­тать две прилегающие к нему фазы, в то время как при таком же повреждении в соединении звездой с нейтраль­ным проводом не работает только одна фаза.

Рисунок 5.3 -Трехфазная система, соединенная треугольником

Схему соединения треугольником применяют в тех случаях, когда их номинальное напряжение Uн равно линейному напряжению Uл источника питания, т. е. Uн = Uл. По этой схеме могут работать электродвигатели, трансформаторы, электрические печи и другие приемники с равномерной и неравномерной нагрузкой.

Трехфазные приемники приходится часто подключать к источникам с напряжением 220/127 и 380/220 В (числитель — линейное напряжение, знаменатель — фазное). Одни и те же приемники с номинальным напряжением Uн = 220 В в сеть 220/127 В должны быть включены по схеме «треугольник», в сеть 380/220 В — по схеме «звезда». В обоих случаях они находятся под номинальным напряжением и получают расчетную мощность.

Пример.К трехфазной сети с линейными напряжениями (Uл = 380 В) подключена соединенная треугольником равномерная нагрузка, каждая фаза которой имеет сопротивление z = 12,7 Ом. Определить фазные и линейные токи.

Читайте также:  Ток пропускной способности 2000 мкс

Решение.При соединении треугольником:

Мощность трехфазного тока

Активная мощность, потребляемая приемником от сети трехфазного тока, равна арифметической сумме активных мощностей отдельных фаз:

При равномерной нагрузке мощность, потребляемая каждой фазой:

Реактивная мощность равна алгебраической сумме реактивных мощностей фаз Q = QA + QB + QC,причем реактивная мощность индуктивностей берется со знаком плюс, а емкостей — со знаком минус.

Реактивная мощность, потребляемая каждой фазой:

Полная, или кажущаяся, мощность равна геометриче­ской сумме общей активной и реактивной мощностей:

При равномерной нагрузке напряжения, токи и коэффициенты мощности всех фаз одинаковы, поэтому активная мощность трехфазной цепи:

Если приемники энергии соединены звездой:

При соединении приемников треугольником:

Таким образом, активную мощность трехфазного тока при равномерной нагрузке независимо от способа ее соединения («звезда» или «треугольник») можно определить по формуле:

где U — линейное напряжение цепи, В;

I — линейный ток цепи, А.

В практических расчетах линейные величины напряжения и тока обозначают без индексов «л», т.е. U и I.

Аналогично можно выразить реактивную и полную мощности трехфазного тока:

В таблице 5.1 приведена зависимость величины тока от мощности приемника электроэнергии в трехфазной системе при различных номинальных напряжениях.

Для измерения мощности применяются измерительные приборы, называемые ваттметрами.

Активная энергия в цепи трехфазного тока:

Для измерения расхода электроэнергии в трехфазных цепях обычно пользуются трехфазными счетчиками.

Пример. К трехфазной линии переменного тока напряжением U = 380/220 В подключены звездой электрические лампы накаливания мощностью 100 Вт по 30 шт. в фазе (нагрузка активная) и трехфазный асинхронный электродвигатель номинальной мощностью Рн = 10 кВт, имеющий cosφ = 0,85; sin φ = 0,53; ηн = 0,88 (нагрузка реактивная) Определить токи в линиях цепи.

Решение. Суммарная мощность ламп накаливания :

Таблица 5.1 — Зависимость величины тока от мощности в трехфазной системе

Линейный ток осветительной нагрузки (cos φ = 1):

Активная мощность, потребляемая электродвигателем из сети:

Ток, потребляемый электродвигателем:

Активная составляющая тока электродвигателя:

Активная составляющая тока:

Общий активный ток:

Ток в линейных проводах цепи:

Пример. К трехфазной сети напряжением U = 220 В присоединена треугольником активная нагрузка (по 50 ламп на фазу). Мощность лампы Pо = 100 Вт. Определить токи в фазах и линейных проводах.

Решение. Суммарная мощность ламп:

Линейные токи (cosφ = 1):

Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле можно получить с помощью трех катушек (рисунок 5.4), оси которых сдвинуты и пространстве на 120°, если питать их трехфазной симметричной системой токов. Токи, протекающие в катушках, возбуждают переменные магнитные поля, которые пронизывают обмотки в направлении, перпендикулярном их плоскостям. Направления магнитных полей всех трех катушек показаны векторами ВА, ВВ и ВС, сдвинутыми относительно друг друга также на 120°.

Суммарный магнитный поток, создаваемый трехфазной системой переменного тока в симметричной системе обмоток, является величиной постоянной и в любой момент времени равен полуторному значению максимального потока одной фазы, т. е. Ф = 1,5 Фм.

И любой другой момент времени это значение магнитногого потока не изменяется. С течением времени изменяется лишь его направление. Таким образом, во времени происходит непрерывное и равномерное изменение направления магнитного поля, созданного трехфазной обмоткой, т. е. магнитное поле вращается с постоянной скоростью.

Рисунок 5.4 — Получение вращающегося магнитного поля

Направление вращения поля зависит от порядка чередования фаз, к которым подключаются катушки. Если его изменить, например, вторую катушку подключить к первой фазе, а первую — ко второй, направление вращения поля изменится на обратное. Этим широко пользуются на практике для изменения направления вращения двигателей переменного тока.

Вращающееся магнитное поле, образованное тремя катушками (одна пара полюсов), называется двухполюсным. Частота вращения поля определяется частотой переменного тока. При f = 50 Гц поле делает 50 об/с или 3000 об/мин. Увеличивая число катушек и тем самым число пар полюсов, можно замедлять вращение магнитного поля. Так, например, при шести катушках (2 пары полюсов) поле будет совершать 1500 об/мин. Следовательно, частота вращения магнитного поля в минуту обратно пропорциональна числу пар полюсов, т. е.:

где f — частота переменного тока, Гц;

р — число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле лежит в основе работы трехфазных электродвигателей — асинхронных и синхронных, оно возникает также в трехфазных генераторах. На нем базируется работа многих измерительных приборов (фазометров, тахометров и других устройств).

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №6

«Электрические цепи трехфазного переменного тока»

Задание 1

Указать единицы измерения:

1. Число оборотов вала
2. Период колебаний Т
3. Полное сопротивление
4. Полная мощность
5. Активная мощность
6. Реактивная мощность
7. Реактивная энергия
8. Активная энергия

Задание 2

Написать формулу:

1. Линейное напряжение при соединении по схеме «звезда»
2. Линейные ток при соединении по схеме «звезда»
3. Линейное напряжение при соединении по схеме «треугольник»
4. Линейные ток при соединении по схеме «треугольник»
5. Активная мощность, потребляемая приемником от сети трехфазного тока.
6. Активная мощность, потребляемая фазой
7. Реактивная мощность потребляемая от сети трехфазного тока
8. Реактивная мощность, потребляемая фазой
9. Активная мощность трехфазной цепи при соединении в звезду
10. Активная мощность трехфазной цепи при соединении в треугольник
11. Реактивная мощность трехфазного тока
12. Полная мощность трехфазного тока
13. Активная мощность трехфазного тока
14. Реактивная энергия трехфазного тока
15. Ток в трехфазной цепи

Задание 3

Решить задачу:

К трехфазной линии переменного тока напряжением U = 380/220 В подключены звездой электрические лампы накаливания мощностью 90 Вт по 20 шт. в фазе (нагрузка активная) и трехфазный асинхронный электродвигатель номинальной мощностью РН = 7,5 кВт, имеющий cos φ = 0,85; sin φ = 0,53; η Н = 0,88 (нагрузка реактивная) Определить токи в линиях цепи.

Задание 4

Решить задачу:

К трехфазной сети напряжением U = 380 В присоединена треугольником осветительная нагрузка (по 50 люминесцентных ламп на фазу). Мощность лампы P = 80 Вт, cos φ = 0.95 Определить токи в фазах и линейных проводах.

Задание 5

Решить задачу:

К трехфазной сети с линейными напряжениями (Uл = 380 В подключена соединенная треугольником равномерная нагрузка, каждая фаза которой имеет сопротивление z = 0,7 Ом. Определить фазные и линейные токи.

Задание 6

Изобразить схему подключения трехфазного электродвигателя:

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 4054 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Трехфазная система переменного тока

В электротехнике, широкое распространение и практическое применение получила трехфазная система переменного тока. Благодаря свойствам данной системы, передача электроэнергии по проводам на большие расстояния, осуществляется в наиболее оптимальных условиях. Кроме того, принцип действия переменного тока с тремя фазами, дал возможность создавать простые и удобные электрические двигатели.

Понятие трехфазной системы

Устройство трехфазной системы переменного тока включает в себя три цепи, в которых действуют электродвижущие силы, имеющие одинаковую частоту. Эти силы сдвигаются между собой по фазе на одну третью часть. Название фазы получила каждая отдельно взятая цепь, являющаяся составной частью системы. Вся система, включающая в себя три переменных тока, и есть не что иное, как трехфазный ток.

Трехфазная система переменного тока

Все виды генераторов, установленных на электростанциях, являются устройствами трехфазного тока. Они представляют собой общую конструкцию, соединяющую сразу три генератора в одном агрегате. Это устройство состоит из трех отдельных якорей, расположенных на статоре. Между собой они смещены на 120 градусов. По центру генератора происходит вращение индуктора, воздействующего на все три якоря. В каждой из катушек происходит индуцирование переменной электродвижущей силы с одинаковой частотой. Через ноль прохождение этих ЭДС происходит со сдвигом на одну треть.

Каждая обмотка представляет собой самостоятельный источник энергии и генератор тока. Фактически, весь генератор состоит из трех независимых цепей. В классическом варианте, электроэнергия может передаваться с помощью шести проводов. Однако, существуют другие виды соединений, позволяющие сэкономить большое количество провода.

Виды соединений трехфазной системы

Когда на практике применяется трехфазная система переменного тока, она предполагает два основных вида соединений.

При соединении способом звезды, соединение концов всех обмоток осуществляется в одной точке генератора, получившей название нулевой точки. Соединение с потребителями осуществляется при помощи трех линейных проводов, выходящих из начала обмоток и одного нулевого провода, подключенного к нулевой точке генератора.

Способ треугольника предполагает соединение конца предыдущей обмотки с началом последующей. В результате, образуется правильный треугольник. По этой схеме, происходит соединение линейных проводов и вершин треугольника, из-за чего получается совпадение фазного и линейного напряжения. В сравнении с вариантом звезда, треугольник способствует снижению линейного напряжения приблизительно в 1.73 раза. Это допускается при одинаковой нагрузке фаз, в противном случае, увеличение силы тока в обмотках может быть опасным для генератора.

Трехфазные цепи

Что такое трехфазный ток

Подключение трехфазного двигателя к трехфазной сети

Генератор переменного тока: принцип работы

Как рассчитать мощность трехфазного тока

Схема подключения трехфазного электродвигателя

Источник