close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

5. Электрические цепи трехфазного тока

код для вставки
1. Получение трехфазного тока. Трехфазные генераторы.
Ранее рассмотрены свойства однофазного переменного тока. Однако
однофазная система неэкономична вследствие несовершенства однофазных
электрических машин. Так, например, при одинаковых габаритах, массе
активных материалов (стали и меди) и потерях энергии мощность
однофазной машины в 1,5 раза меньше мощности трехфазной машины.
Поэтому для электрификации используется трехфазная система переменного
тока.
Трехфазной системой переменного тока или просто трехфазной
системой называется цепь или сеть переменного тока, в которой действуют
три эдс одинаковой частоты, но взаимно смещенные по фазе на одну треть
периода.Отдельные цепи, составляющие трехфазную систему, называются
фазами. Если эдс во всех трех фазах имеют одинаковую амплитуду и
сдвинуты по фазе на одинаковый угол, то такая система называется
симметричной.
Впервые в мире передача энергии
трехфазным током была осуществлена
русским
ученым
М.
О.
ДоливоДобровольским в 1891 г. Схема устройства
простейшего трехфазного генератора
На рисунке показана схема устройства
простейшего двухполюсного трехфазного
генератора. В пазах статора (неподвижная
часть машины) расположены катушки А—
X, В—Y и C—Z, оси которых сдвинуты в
пространстве на одну треть окружности
(120°).
Внутри статора помещается ротор
(вращающаяся
часть
машины),
представляющий собой двухполюсный
электромагнит, питаемый постоянным током, возбуждающим магнитное
поле. Ротор приводится во вращение каким-либо двигателем. Магнитное
поле, вращаясь вместе с ротором, пересекает проводники катушек,
заложенных в пазах статора, и индуктирует в этих катушках эдс,
изменяющиеся синусоидально.
Кривые изменения эдс в трехфазной обмотке генератора
Однако синусоиды эдс фаз еA, еB и еC будут сдвинуты одна по
отношению к другой на 1/3 периода.
На рисунке показаны кривые изменения эдс в катушках А—Х, В—Y и
С—Z и положения ротора, соответствующие положительному максимуму
эдс Еm в этих катушках.
Пусть положительный максимум эдс Еm в катушке А—X наступает в
момент, когда сторона А окажется против центра северного полюса, а
сторона X - против центра южного полюса. Положительный максимум эдс
Еm в катушке В—Y наступит в тот момент, когда центр северного полюса
окажется под проводником В.
Для этого ротор должен повернуться на 2/3 окружности (120°), что
соответствует промежутку времени, равному 2 /3 периода.
Положительный максимум эдс Еm в катушке С—Z наступит через 1/3
периода после такого же максимума в катушке В—Y, что соответствует
дальнейшему повороту ротора на Vs окружности.
При нагрузке генератора на зажимах катушек А—X, В—Y и С—Z
устанавливаются напряжения, называемые фазными. Если нагрузка
отсутствует (холостой ход), фазные напряжения равны эдс, индуктируемым в
катушках статора.
2. Соединение обмоток генератора.
В трехфазном генераторе (см. рисунок ранее "Схема устройства
простейшего трехфазного генератора") с тремя независимыми однофазными
цепями их электродвижущие силы имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты
по фазе на 1/3 периода. К каждой паре зажимов обмотки статора генератора
можно подключить провода, подводящие ток к нагрузке, и получить
несвязанную трехфазную систему (рисунок а).
Обмотки генератора соединяют между собой в звезду или в
треугольник. При соединении обмоток генератора звездой (рисунок б) концы
всех трех фаз соединяют в общую точку О, а к началам подсоединяют
провода, отводящие энергию в сеть.
Эти три провода называются линейными, а напряжение между
любыми двумя линейными проводами — линейным напряжением Uл.
От общей точки соединения концов (или начал) трех фаз (от нулевой точки
звезды) может быть отведен четвертый провод, называемый нулевым.
Напряжение между любым из трех линейных проводов и нулевым
проводом равно напряжению между началом и концом одной фазы, т. е.
фазному напряжению Uф.
Обычно все фазы обмотки генератора выполняются одинаковыми, так
что действующие значения эдс в фазах равны, т. е. ЕА - ЕВ = ЕС. Если в
цепь каждой фазы генератора включить нагрузку, то по этим цепям будут
проходить токи.
В случае одинакового по величине и характеру
сопротивления всех трех фаз приемника, т. е. при равномерной нагрузке,
токи в фазах будут равны по величине и сдвинуты по фазе относительно
своих напряжений на один и тот же угол .
Как максимальные, так и действующие значения фазных напряжений
при равномерной нагрузке равны,
т. е. UA = UB = UС.
Эти напряжения сдвинуты по фазе на 120°, как показано на векторной
диаграмме (рисунок в). Напряжения между любыми точками схемы (см.
рисунок б) соответствуют векторам (см. рисунок в) между теми же точками.
Так, например, напряжение между точками А и О схемы (фазное
напряжение UA) соответствует вектору А—О диаграммы, а напряжение
между линейными проводами А и В схемы — вектору линейного
напряжения А—В диаграммы.
По векторной диаграмме легко установить соотношение между
линейным и фазным напряжениями. Из треугольника АОа можно записать
следующее соотношение:
1/2Uл = Uф cos 30° = Uф З/2, откуда Uл = 3Uф или Uф = Uл 3,
т. е. при соединении обмоток симметричного генератора звездой
линейное напряжение в
3 = 1,73 раза больше фазного. Из схемы (см.
рисунок б) видно, что при соединении обмоток генератора звездой ток в
линейном проводе равен току в фазах генератора, т. е. Iл = Iф.
На основании первого закона Кирхгофа ток в нулевом проводе равен
геометрической сумме токов в фазах генератора o = А+ В+ С.
При равномерной нагрузке токи в фазах генератора равны между собой
и сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Геометрическая сумма токов трех фаз в
таком случае равна нулю, т. е. в нулевом проводе тока не будет. Поэтому при
симметричной нагрузке нулевой провод может отсутствовать.
При
несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе не равен нулю. Обычно
нулевой провод имеет меньшее поперечное сечение, чем линейные провода.
При соединении обмоток генератора треугольником (рисунок а) начало
каждой фазы соединяется с концом другой фазы. Таким образом, три фазы
генератора образуют замкнутый контур. Так как эдс в фазах генератора
равны и сдвинуты на 1/3 периода по фазе, то геометрическая сумма их равна
нулю и, следовательно, в замкнутом контуре трехфазной системы,
соединенной треугольником, никакого тока при отсутствии внешней
нагрузки не будет.
Линейные провода при соединении треугольником подключаются к
точкам соединения начала одной фазы и конца другой. Напряжение между
линейными проводами равно напряжению между началом и концом одной
фазы.
Схема соединения обмоток генератора треугольником (а), векторные
диаграммы напряжений и токов в фазах (б) и векторная диаграмма фазовых и
линейных токов (в)
Таким образом, при соединении обмоток генератора треугольником
линейное напряжение равно фазному, т. е. Uл = Uф.
При равномерной нагрузке в фазах обмоток генератора проходят
равные токи, сдвинутые относительно фазных напряжений на одинаковые
углы ф, т. е. IAB = IBC = ICA.
Векторная диаграмма фазных напряжений и токов изображена на
рисунке б. Приняв направление фазных и линейных токов за положительное,
которое указано на рисунке а, на основании первого закона Кирхгофа для
мгновенных значений токов можно написать следующие выражения:
iA = iАВ - iСА; iВ = iВС - iАВ; iС = iСА - iВС.
Так как токи синусоидальны, заменим алгебраическое вычитание
мгновенных значений токов геометрическим вычитанием векторов,
изображающих действующие значения токов:
А = АВ - СА; В = ВС - АВ; С = СА - ВС;
Ток IА линейного провода А определится геометрической разностью
векторов фазных токов АВ и СА.
Для построения вектора линейного тока А изобразим вектор фазного
тока АВ на рисунке в в виде отрезка Оа, а из точки а построим вектор —
CA (отрезок аб), равный и противоположно направленный вектору СА (см.
рисунок б).
Вектор, соединяющий начало вектора АB (точка О) с концом вектора
СА (точка б), является вектором линейного тока А.
Аналогично могут быть построены векторы линейных токов B и с.
Из векторной диаграммы, показанной на рисунке в, легко определить
соотношение между линейными и фазными токами при соединении обмоток
генератора в треугольник.
Из треугольника Оав можно записать: 1/2Iл = Iф/соs 30° = Iф 3/2,
откуда Iл = 3Iф = 1,73Iф, т. е. при соединении обмоток генератора в
треугольник линейный ток в 3 раз больше фазного (при равномерной
нагрузке).
3. Мощность трехфазной цепи.
Мощность, потребляемая нагрузкой от сети трехфазного тока, равна
сумме мощностей в отдельных фазах, т. е. Р = РА + Рв + Рс. При
равномерной нагрузке мощность, потребляемая каждой фазой, Рф = Uф Iф
cos , где Uф - фазное напряжение; Iф - фазный ток; cos - коэффициент
мощности нагрузки. Мощность, потребляемая всеми тремя фазами,
Р = 3 Uф Iф соs .
При соединении приемников энергии в звезду соотношения между
линейными и фазными значениями напряжений и токов такие:
Uл = 3Uф и Iл = Iф.
Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой от трехфазной сети,
Р = 3(Uл/ 3)Iлсоs = 3 Uл Iл соs .
При соединении приемников энергии в треугольник соотношения
между линейными и фазными значениями напряжений и токов такие:
Uл = Uф и Iл = 3 Iф.
Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой,
P = 3Uл (Iл/ 3)cos = 3 UлIл соs.
Таким образом, при равномерной нагрузке мощность, потребляемая от
трехфазной сети, независимо от способа включения нагрузки, выражается
следующей формулой:
P = 3 Uл Iл соs .
Для измерения мощности применяют специальные измерительные
приборы, называемые ваттметрами.
При симметричной или равномерной нагрузке мощность, потребляемая
от трехфазной системы, может быть определена одним однофазным
ваттметром.
В четырехпроводной системе (с
нулевым проводом) токовая обмотка
ваттметра включается последовательно в
один из линейных проводов, а обмотка
напряжения - между теми же линейным и
нулевым проводами (рисунок а).
При таком включении ваттметр
показывает мощность в одной фазе Рф, а
так как при равномерной нагрузке
мощности фаз одинаковы, то суммарная мощность трехфазной системы
Р = 3 Рф.
При несимметричной нагрузке одного ваттметра для определения
мощности трехфазной системы недостаточно. В четырехпроводной системе
необходимо применение трех ваттметров, обмотки напряжений которых
включаются между нулевым и соответствующим линейным проводами.
Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы. Мощность трехфазной
системы равна сумме показаний трех
ваттметров, т. е. P = P1 + P2 + P3.
В
трехпроводной
системе
при
несимметричной нагрузке наиболее часто
используют схему двух ваттметров (рисунок
б), которая не может быть применена в
четырехпроводной
системе.
В схеме двух ваттметров обмотки напряжений
каждого ваттметра соединены с входным
зажимом обмотки тока и линейным проводом,
оставшимся свободным. Полная мощность
трехфазной системы равна сумме показаний ваттметров, т. е.
P = P1 + P2.
При больших углах сдвига фаз между напряжением и током показания
одного из ваттметров могут оказаться отрицательными, и для измерения
мощности следует изменить направление тока в обмотке, переключив ее.
В этом случае суммарная мощность равна разности показаний
ваттметров, т. е.
Р = Р1 - Р2.
Энергия в трехфазной системе измеряется как однофазными, так и
трехфазными счетчиками электрической энергии. Однофазные счетчики
включают в трехфазную сеть так же, как и ваттметры.
Трехфазные счетчики составляются из двух или трех однофазных
счетчиков, размещенных в одном корпусе и имеющих общий счетный
механизм, и называются соответственно двухэлементными или
трехэлементными.
В трехпроводной системе (без нулевого провода) применяют
двухэлементные, а в четырехпроводной системе (с нулевым проводом) трехэлементные счетчики.
Схема включения счетчика электрической энергии указывается на
съемной крышке, которой закрывается панель зажимов.
Автор
perspektiva.da
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
110
Размер файла
90 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа