ВВІМКНЕННЯ НАВАНТАЖЕННЯ В МЕРЕЖУ ТРИФАЗНОГО СТРУМУ

Трифазний струм передається чотири- або трипровідною системою, і споживачі енергії можуть бути ввімкнені в мережу за схемою «зірка» або «трикутник».

Споживачі енергії, ввімкнені в чотирипровідну систему зіркою (рис. 51), одним проводом приєднані до лінійного проводу, іншим — до нульового. Вище ми встановили, що в разі з'єднання обмоток зір­кою за рівномірного навантаження співвідношення між лінійними та фазними напругами і силами струмів такі: U _л = U _Ф та І_л = І_ф. Сила струму нульового проводу, яка дорівнює геометричній сумі сил струмів трьох фаз, за рівномірного навантаження дорівнює нуле­ві. Отже, у нульовому проводі струм не протікатиме і потреба в ньому відпадає. Наприклад, трифазні двигуни змінного струму вмикаються в мережу зіркою без нульового проводу.

За нерівномірного навантаження сила струму в нульовому проводі не дорівнює нулеві, тому він обов'язково має бути в чотирипровідній системі, хоча його й виконують з меншою, ніж у лінійних проводів, площею поперечного перерізу. У разі відсутності нульового проводу або його обриву за нерівномірного навантаження виникає різка зміна напруги (рис. 52). Так, якщо у фазі А навантаження немає, а у фазах В і С навантаження однакові, то за від­сутності нульового проводу навантаження у фазах В і С будуть ввімкнені послідовно на лінійну напругу, яка рівномірно роз­поділиться між ними (у разі однакових навантажень). Отже, опори навантажень у фазах В і С будуть під на­пругою, яка дорівнює половині лінійної напруги, тобто U _В = U _С = U_Л/2= =U _Ф = 0,86U _Ф. Нейтральна точка зміститься в точ­ку О так, що напруга фази А дорівнюватиме 1,5 U _Ф.

Виходить, що від'єднання нульового проводу за нерівномірного навантаження недопустиме. Тому нульовий провід виконують завжди «глухим», тобто в ньому не встановлюють запобіжників, вимикачів тощо.

Для безпеки обслуговування нульовий провід заземлюють, якщо немає регулярного контролю за опором ізоляції.

Якщо навантаження вмикають в мережу трифазного струму за схе­мою трикутник, то кожну групу навантаження приєднують до двох лінійних проводів (рис. 53). Як було доведено вище, співвідношення між лінійними та фазними напругами й силами струмів у разі з'єд­нання приймачів енергії трикутником такі: U_Л = U _Ф  і І_л = = (за рівномірного навантаження).

Дуже цінним у чотирипровідної системи є можливість ввімкнення двох приймачів енергії на різні напруги. Для цього їх вмикають між лінійними проводами та нульовим проводом, з'єднуючи зіркою. Ці приймачі будуть ввімкнені на фазну напругу. Другу групу приймачів з'єднують трикутником так, щоб вони буди ввімкнені тільки між лінійними проводами і перебували під лінійною напругою, яка в  разів більша від фазної.

Чотирипровідна система широко використовується для електро­постачання змішаних освітлювально-силових навантажень. Освіт­лювальні навантаження вмикають на фазну напругу, а силові (елек­тродвигуни) — на лінійну.

Для трифазних систем справедливі співвідношення, виведені для однофазного змінного струму: І_ф = U _Ф /Z_ф; cos φ = R_ф /Z_ф, де U _Ф ,Z_ф та R_ф  — відповідно напруга, повний та активний опори роз­глядуваної фази.

ПОТУЖНІСТЬ ТРИФАЗНОГО СТРУМУ

Потужність, яку споживає навантаження від мережі трифазного струму, дорівнює сумі потужностей в окремих фазах: Р — Ра + Р_В + Р_С

У разі рівномірного навантаження потужність, яку споживає кожна фаза, Р_ф = U _Ф І_ф cos φ, де U _Ф — фазна напруга; І_ф — сила фазного струму; cos φ  — коефіцієнт потужності навантаження.

Потужність, споживанатрьома фазами,

Р = 3 U _Ф І_ф cos φ.

Якщо приймачі енергії з'єднані зіркою, співвідношення між лі­нійними та фазними напругами й силами струмів такі: U_Л = U _Ф; І_Л = І_ф. Звідсипотужність, споживана навантаженням від трифазної мережі,

 

Р = U _л І_л cos φ.

 

У разі з'єднання приймачів енергії трикутником співвідношення між лінійними та фазними напругами й силами струмів будуть такими: U _л = U _Ф І_л =  І_ф . Звідси нотужність, споживана наванта­женням,

 

Р = U _л І_л cos φ.

 

Отже, в разі рівномірного навантаження потужність, яка спожи­вається від трифазної мережі, незалежно від способу ввімкнення наван­таження виражається формулою Р = U _л І_л cos φ. При цьому дже­рело електричної енергії, яке живить споживачів, має бути розрахо­ване на повну потужність: S = U _л І_л .

Для вимірювання потужності застосовують спеціальні вимірю­вальні прилади — ватметри. Якщо навантаження симетричне, або рівномірне, то потужність, яка споживається від трифазної сис­теми, можна визначити одним однофазним ватметром. У чотирипровідній системі (з нульовим проводом) струмова обмотка ватметра вмикається послідовно в один із лінійних прово­дів, а обмотка напруги — між тим самим лінійним і нульовим проводами (рис. 54, а). За такого ввімкнення ватметр показує по­тужність в одній фазі Р_ф , а оскільки при рівномірному навантаженні потужності фаз однакові, то сумарна потужність три­фазної системи Р = 3Р_ф.

У трипровідній системі коло напруги ватметра ввімкнено на лінійну напругу ме­режі, а по його струмовій обмотці проті­кає лінійний струм. Тому потужність три­фазної системи в    разів більша від показів ватметра Р_W, тобто Р = P_W .

У разі несиметричного навантаження недостатньо одного ватмет­ра для визначення потужності трифазної системи. У чотирипровідні системі треба застосовувати три ватметри, обмотки напруги яких вми­каються між нульовим і відповідним лінійним проводами. Кожен ватметр вимірює потужність однієї фази. Потужність трифазної си­стеми дорівнює сумі показів трьох ватметрів: Р = P ₁ + Р₂ + Р₃. У трипровідній системі за несиметричного навантаження найчастіше використовується схема двох ватметрів (рис. 54, б), яку не можна застосувати у чотирипровідній системі. У схемі двох ватметрів обмотки напруги кожного ватметра з'єднані з вхідним затискачем струмової обмотки та лінійним проводом, що залишився вільним. Повна потуж­ність трифазної системи дорівнює сумі показів ватметрів: Р = Р₁ + Р ₂.

У лабораторній практиці для цієї схеми вимірювання потужності застосовують один ватметр і спеціальний перемикач, який без розри­ву струмового кола дає змогу вмикати ватметр в один і в другий лінійні проводи.

Якщо кут зсуву фаз між напругою й силою струму великий, то покази ватметра в одній із фаз можуть бути від'ємними, і для вимірю­вання потужності треба буде змінити напрямок струму у струмовій обмотці, перемкнувши її. У цьому випадку сумарна потужність дорів­нюватиме різниці між показами ватметрів: Р = Р₁ — Р₂.

Енергія у трифазній системі вимірюється одно- і трифазними лі­чильниками електричної енергії. Однофазні лічильники вмикають у трифазну мережу так само, як і ватметри. Трифазні лічильники збира­ють в одному корпусі з двох чи трьох однофазних зі спільним лічильним механізмом. Називають їх відповідно дво- чи триелементними. У трипровідній системі (без нульового проводу) застосовують двоелементні лічильники, а в чотирипровідній системі (з нульовим прово­дом) — триелементні. Схему вмикання лічильника електричної енер­гії показано на знімній кришці, якою закривається панель затис­качів.

ОБЕРТОВЕ МАГНІТНЕ ПОЛЕ

Робота багатофазної машини змінного струму грунтується на вико­ристанні обертового магнітного поля. Обертове магнітне поле створює будь-яка багатофазна система змінного струму, тобто система з кіль­кістю фаз дві, три і т. д.

Вище зазначалося, що найбільшого поширення набув трифазний змінний струм. Тому розглянемо обертове магнітне поле трифазної системи машини змінного струму. На рис. 55, а показано найпростішу трифазну систему, ввімкнену в мережу трифазного струму. У ста­торі, зібраному з листової сталі, як це робиться у всіх машинах змінно­го струму, розміщено три котушки, осі яких зсунуті взаємно на кут 120°. Кожну котушку для наочності зображено такою, що складається з одного витка, розміщеного у двох пазах (западинах) статора. Насправ­ді котушки мають більшу кількість витків. Літерами А, В, С позна­чено початки обмоток, а літерами X , Y , Z — їхні кінці. Фази з'єдну­ються зіркою або трикутником.

По обмотках протікають синусоїдні струми з однаковими ампліту­дами їхніх сил (І_т) і з однаковою кутовою частотою (ω = 2πƒ), фази яких зміщені на третину періоду (рис. 55, в). Струми, що протікають у котушках, збуджують змінні магнітні поля, які пронизують котуш­ки обмотки в напрямку, перпендикулярному до їхніх площин. Отже, середня магнітна лінія, або вісь магнітного поля, створюваного ко­тушкою А — X , спрямована під кутом 90° до площини цієї котушки (рис. 55, б). Напрямки магнітних полів усіх трьох котушок показано векторами В_А, В_в, В_с, зміщеними один відносно одного також на кут 120°.

Умовимося вважати додатними напрямки струмів у котушках від початку до кінця обмотки кожної фази. При цьому у провідниках статора, приєднаних до початкових точок А, В і С, струми будуть спрямовані із-за площини рисунка, а у провідниках, приєднаних до кінцевих точок X , Y , Z ,— за площину рисунка. Додатним напрям­кам струмів відповідатимуть додатні напрямки магнітних полів, які показані на рис. 55,б і визначаються за правилом свердлика.

Напрямок результуючого магнітного поля, утвореного трифазною системою, для різних моментів часу визначимо так. У момент часу t = 0 сила струму в котушці А — X дорівнює нулеві, у котушці В — Y — від'ємна, у котушці С — Z — додатна. Отже, в цей момент струму в провідниках А і X немає, у провідниках С і Z він має додатний на­прямок, а у провідниках В і Y — від'ємний (рис. 56, а). Іншими словами, у вибраний нами момент t = 0 у провідниках С і Y струм спря­мований на глядача, а у провідниках В і Z — від глядача. За такого напрямку струму, згідно з правилом свердлика, утворене магнітне поле спрямоване знизу вгору, тобто у нижній частині всередині ста­
тора знаходиться північний полюс, а у верхній — південний.

У момент t ₁ струм у фазі А додатний, у фазах В і С — від'ємний. У провідниках Z, А і Y струми спрямовані на глядача, у провідниках С, X і В — від глядача (рис. 56, б), і магнітне поле повернуте на 90° за годинниковою стрілкою відносно свого початкового напрямку.

У момент t₂ струми у фазах А і В додатні, а у фазі С — від'ємний. У провідниках A , Z і В струми спрямовані на глядача, а у провідни­ках Y , С і X — від глядача, і магнітне поле повернуте ще на більший кут відносно початкового положення (рис. 56, в).

Отже, з часом відбувається безперервна й рівномірна зміна напрям­ку магнітного поля, утвореного трифазною обмоткою, тобто магнітне поле обертатиметься зі сталою швидкістю. У нашому випадку магніт­не поле обертається за годинниковою стрілкою.

Якщо поміняти чергування трифазних обмоток, тобто змінити приєднання до мережі будь-яких двох котушок, то зміниться й напря­мок обертання магнітного поля. На рис. 57 показано трифазну систему, у якої змінено приєднання котушок В і С до мережі. Якщо розгляне­мо магнітне поле для вибраних до цього моментів часу t = 0, t = t_l і t = t ₂ , то побачимо, що магнітне поле обертається тепер проти годин­никової стрілки.

Магнітний потік, створюваний трифазною системою змінного стру­му за симетричного розміщення котушок, є сталим і в будь-який мо­мент часу дорівнює полуторному значенню максимального потоку однієї фази: Ф = 1,5Ф_т. Це можна довести, визначивши результую­чий магнітний потік Ф_р для будь-якого моменту часу. Наприклад, для моменту t ₁ , коли ωt_l = 90°, сили струмів у котушках мають такі зна­чення: і_А = І_т sin 90° = І _m; і_В = І_т sin (90° - 120°) = - I _т /2; і_с = І_т sin (90°—240°) = -I _т /2. Отже, магнітний потік Ф_А котушки А у вибраний момент має найбільше значення і спрямований по осі цієї котушки у додатному напрямку (рис. 58). Магнітні потоки коту­шок В і С вдвічі менші від максималь­ного і від'ємні, тобто спрямовані у від'­ємному напрямку вздовж осей цих ко­тушок.

Знайдемо геометричну суму потоків Ф_А, Ф_в і Ф_с. Наприклад, для моменту t ₁ результуючий магнітний потік Ф_р = Ф_А + Ф_В cos 60° + Ф_с cos 60°, ос­кільки в цей момент результуючий потік збігається з потоком Ф_А і зміщений від­носно потоків Ф_в і Ф_с на 60°. Маючи на увазі те, що в момент t ₁ магнітні потоки котушок набувають значень Ф_А = Ф_т, Ф_в = Ф_с = Ф_т/2, результуючий магнітний потік можна виразити так: Ф_р = Ф_т + 0,5Ф_т cos 60° + 0,5Ф_т cos 60° = 1,5Ф_т.

В момент t = 0 результуюче магнітне поле було спрямоване вздовж вертикальної осі (див. рис. 56, а). За час, що дорівнює одному періо­дові зміни струму в котушках, магнітний потік повернеться на один повний оберт у просторі і знову буде спрямований вздовж вертикальної осі, як і в момент t = 0. Якщо частота струму ƒ, тобто струм зазнає ƒ змін за одну секунду, то магнітний потік трифазної обмотки зробить ƒ обертів за секунду або 60ƒ обертів за хвилину, тобто п = 60 ƒ, де п — частота обертання магнітного поля за хвилину. Ми розглянули най­простіший випадок, коли обмотка має одну пару полюсів.

Якщо обмотку статора виконати так, щоб проводи кожної фази були розбиті на 2, 3, 4 і т. д. однакові групи, симетрично розташовані на обводі статора, то кількість пар полюсів буде відповідно 2, 3, 4 і т. д.

На рис. 59 показано обмотку однієї фази, яка складається з трьох симетрично розташованих по обводу статора котушок і утворює шість полюсів або три пари полюсів. У багатополюсних обмотках магнітне поле за один період зміни струму повертається на кут, що відпові­дає відстані між двома однойменними полюсами. Отже, якщо обмотка має 2, 3, 4 і т. д. пари полюсів, то магнітне поле за один період зміни струму повертається на 1/2, 1/3, 1/4 і т. д. обводу статора. Позначивши літерою р кількість пар полюсів, знайдемо шлях, пройдений полем за один період зміни струму. Цей шлях становитиме 1/р обводу статора. Отже, частота обертання магнітного поля за хвилину обернено про­порційна кількості пар полюсів: п = 60 ƒ/р.

Звідси витікає, що частота обертання магнітного поля за хвили­ну — величина стала й дорівнює частоті струму, помноженій на 60 і поділеній на кількість пар полюсів.

Робота електричних двигунів змінного струму малої потужності, а також вимірювальних приладів індукційної системи (лічильників електричної енергії) грунтуєть-ся на використанні обертового магніт­ного поля, що збуджується дво-фазною системою змінного струму (рис. 60). Найпростіша двофазна система складається з двох котушок А —X і В — Y , осі яких зміщені у просторі на кут 90°. Якщо через ці котушки, що мають однакову кількість витків, пропустити однако­ві за силою і зміщені на чверть періоду (90°) синусоїдні струми [і_А = І_т sin ω t ; і_в = І _m sin (ω t + 90°) = І_m cos ω t ], то магнітні поля, які збуджуються струмами цих котушок, будуть також синусоїдними і зміщеними за фазою на чверть періоду: В_А = В_т sin ω t ; В_в = В_тcosω t. При цьому вектор максимуму магнітної індукції В_А спрямований вздовж осі котушки А —X , а вектор В_в —вздовж осі котушки В — Y . У будь-який момент результуюче магнітне поле В_р буде виражене як геометрична сума магнітних полів котушок А і В:

В_р = = = В_т.

Отже, у будь-який момент результуюче магнітне поле двофазної обмотки буде незмінним і дорівнюватиме амплітуді магнітної індукції однієї фази.

Можна записати:

tg а = В_А/В_В = sin ω t / cos ω t = tg ω t,

звідки а = ω t , тобто кут між вектором В_р і віссю ординат лінійно змі­нюється у часі, а отже, повертається зі сталою частотою обертання. За один період зміни струму в котушках вектор В_р повернеться на один повний оберт і кінець цього вектора опише коло. У загальному випадку для багатололюсної машини частота обертання магнітного поля за хвилину п = 60ƒ/р.

Щоб змінити напрямок обертання магнітного поля, треба змінити напрямок струму в одній із котушок, помінявши місцями провідники, що приєднують цю котушку до мережі, або помінявши місцями про­відники, що приєднують до мережі котушки А і В.

Колове обертове магнітне поле зі сталою амплітудою матимемо в разі виконання таких трьох умов: рівність амплітуд В_Ат = В_Вт ; про­сторовий зсув осей котушок на кут 90°; зсув за фазою сил струмів і_А та і_в на 90°. Якщо хоч одна з цих умов не буде виконана, то амплі­туда результуючого поля не залишатиметься сталою і кінець вектора В_р опише не коло, а еліпс.

На практиці двигуни малої потужності живляться від однофазної мережі змінного струму і для того, щоб утворити фазний зсув між струмами двох котушок, одну з них вмикають у мережу безпосередньо, а другу — через конденсатор.

 

---

Дата добавления: 2022-12-03; просмотров: 40; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!