РАЗДЕЛ 3. ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕМЕНТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

В настоящее время получение, передача и распределение электроэнергии в большинстве случаев производится посредством трехфазной системы.

Эта система была изобретена и практически разработана во всех основных се частях выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским.

Как показывает само название, трехфазная система состоит из трех источников электроэнергии и трех цепей, соединенных общими проводами линии передачи.

Источником энергии для всех фаз системы является трехфазный генератор (рис. 3.1). Он отличается от однофазного генератора переменного тока тем, что у него на статоре размещены три изолированные друг от друга одинаковые обмотки. Они расположены так, чтобы индуктируемые в них э.д.с. были сдвинуты по фазе одна относительно другой на 120°.

Если генератор двухполюсный, как на рис. 3.1, то оси катушек обмоток фазы сдвинуты одна по отношению к другой на одну треть окружности статора.

Рис.3.1 Схема устройства трехфазного генератора.

Рис.3.2 Кривые мгновенных значений э.д.с. трехфазной системы.

При вращении ротора его постоянное магнитное поле пересекает проводники обмоток не одновременно. Э.д.с. обмотки А достигает своего максимального значения, когда мимо нее проходит середина полюса ротора. Э.д.с. в следующей обмотке В достигает максимума позже, когда ротор повернется на 1/3 оборота. В двухполюсном генераторе повороту на 1/3 оборота соответствует 1/3 периода индуктируемой э.д.с. Следовательно, э.д.с. в обмотке В отстает по фазе от э.д.с. в обмотке А на 1/3 периода. В свою очередь, э.д.с. в обмотке С отстает по фазе от э.д.с. обмотки Д на 1/3 периода и от э.д.с. обмотки А на 2/3 периода. При такой симметрии устройства генератора максимальные значения этих э.д.с. одинаковы. Конструкция генератора должна обеспечивать их синусоидальность.

Уравнения мгновенных значений э.д.с. будут:

E_A = E_m sin wt

(3.1)

Кривые мгновенных значении э.д.с. показаны на рис. 3.2. На рис. 3.3 дана векторная диаграмма для их действующих значений

Сумма этих векторов образует замкнутый треугольник: Е_А + Е_В + Е_С = О — это трехфазная симметричная система э.д.с. Алгебраическая сумма мгновенных значений э.д.с. e_А + е_B + е_C = 0, что легко проверить, подставив выражения этих значений как синусоидальных функций времени.

Рис. 3.3 Векторы э.д.с. трехфазной системы.

Изображения э.д.с. трехфазной системы в комплексной форме будут:

Ė_A = E_ф · e^j⁰ = E_ф

(3-2)

От последовательности фаз системы зависит направление вращения трехфазных двигателей, поэтому в трехфазных устройствах она проверяется специальными указателями последовательности фаз и обозначается раскраской шин на распределительных устройствах; приняты следующие цвета: фаза А — желтый, фаза В — зеленый и фаза С — красный; незаземленная нейтраль — белый, заземленная нейтраль — черный. Зажимы обмоток генератора различают: начала A, В, С, концы X, Y, Z.

Два основных способа соединения обмоток генераторов, трансформаторов и приемников в трехфазных цепях: звездой и треугольником.

СОЕДИНЕНИЕ ФАЗ ЗВЕЗДОЙ

Обмотки фаз генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками электроэнергии шестью проводами (рис. 3.4а) и получить таким путем три независимые фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, но с помощью такой схемы можно нагляднее представить условия, возникающие при объединении цепей в трехфазную систему. Как и в однофазных цепях переменного тока, стрелки на схеме показывают положительные направления фазных э.д.с. и создаваемых ими токов. Положительные направления определяет разметка зажимов обмоток фаз генератора. Внутри обмоток э.д.с. и токи направлены от «концов» (X, Y, Z) к «началам» (А, В, С). Во внешней цепи токи направлены от начал обмоток фаз генераторов к приемникам.

Для соединения звездой (условное обозначение Y) зажимы X, Y, Z («концы» обмоток фаз генератора) объединяются в одну общую точку N. Соответственно в точке п объединяются и три конца фазных цепей приемника (рис. 3.4б) Между нейтральными точками генератора и приемника проложен общий нейтральный провод (или нейтраль) трехфазной системы, образуемый объединением трех обратных проводов.

Рис.3.4 Образование соединения фаз звездой:

а — схема не объединенной трехфазной системы.

б — объединенная трехфазная система

Если предположить равными нулю поочередно все фазные эдс, кроме одной (например, проследить в объединенной системе контур тока IA при наличии в системе одной э.д.с. Е_А) то легко убедиться, что объединение системы не изменит контуры, по которым замыкаются фазные токи. Следовательно, в нейтральном проводе системы ток будет равен векторной сумме фазных токов:

İ_N = İ_A + İ_B + İ_C (3.3)

Нагрузка всех трех фаз называется симметричной, если ток во всех фазах одинаков и равны сдвиги фаз между фазными напряжениями и токами, а также полные сопротивления отдельных фаз приемника (т, е. равны комплексные сопротивления фаз приемника).

Рис. 3.5. Положительные направления фазных напряжений при соединении фаз звездой.

Рис. 3.6. Векторная диаграмма линейных и фазных напряжений

для соединения фаз звездой.

При симметричной нагрузке сумма векторов фазных токов образует замкнутый треугольник. Следовательно, в этом случае ток в нейтральном проводе İ_N = 0. По этой причине для заведомо симметричной трехфазной нагрузки нейтральный провод не нужен. В частности, он не используется для трехфазных двигателей.

При соединении звездой фаз генератора и приемника напряжения на их зажимах называются фазными напряжениями U_ф (U_A , U_B, U_C на рис. 3.5). Но в системе имеются также напряжения между линейными проводами, называемые линейными напряжениями Uл (U_AB,U_BC, U_CA) Положительные направления фазных напряжений противоположны по отношению к приемнику, включенному между линейными проводами (рис. 3.5). Следовательно, каждое из трех линейных напряжений равно векторной разности соответствующих фазных напряжений:

Ů_AB = Ů_A – Ů_B;

Ů_BC = Ů_B – Ů_C; (3.4)

Ů_CA = Ů_C – Ů_A;

Численные соотношения между линейными и фазными напряжениями в симметричной системе легко определить на основании векторной диаграммы (рис. 3.6). За основу диаграммы можно взять три вектора фазных напряжений Ů_A, Ů_B и Ů_C. Углы между ними равны 120^o . Для построения вектора линейного напряжения Ů_AB следует из Ů_A вычесть Ů_B, следовательно, нужно к Ů_A прибавить (—Ů_B).

Рис. 3.7. Соотношения между фазными и линейными напряжениями при соединении фаз звездой.

Рис. 3.8. Осветительная нагрузка при соединении приемников

звездой с нейтральным проводом (четырехпроводная система)

1 - квартирные предохранители;

2 - домовые предохранители;

3 - муфта; 4 - кабель.

Последний равен Ů_B по величине, но противоположен ему по направлению. Так же строятся Ů_B_C и Ů_CA. Так как рассматриваемая система напряжений симметрична, то векторы фазных и линейных напряжений образуют три равнобедренных треугольника с острыми углами по 30° и тупым углом 120°. Опустив из вершины тупого угла любого из треугольников перпендикуляр на противоположную сторону (рис. 3.7), можно найти, что

U_ф cos 30^o = U_л /2 или U_л = √3 U_ф;

В трехфазной системе, соединенной звездой, линейные напряжения больше фазных в √3 раз. При смешанной осветительной и силовой нагрузке линейное напряжение 380 В подается на зажимы трехфазных двигателей, а фазное 220 В=380/ √3 — на осветительные приборы.

При соединении звездой токи в проводах линии передачи—линейные токи I_Л равны фазным, так как все части фазной цепи и линейные провода соединены последовательно: I_Л = I_Ф.

При осветительной нагрузке в случае соединения звездой приемники включаются между линейными проводами и нейтральным проводом.

Часто осветительная нагрузка бывает несимметричной, в этом случае необходим нейтральный провод (рис. 3.8). При отсутствии нейтрального провода в зависимости от отношения сопротивлений фаз приемника одно фазное напряжение может быть ниже необходимого, а другое слишком велико. По этой причине в нейтральном проводе магистрали запрещается устанавливать предохранители или выключатели.

СОЕДИНЕНИЕ ФАЗ ТРЕУГОЛЬНИКОМ

Несколько реже, чем соединение звездой, в трехфазных устройствах применяют соединение треугольником (условное обозначение D).

При соединении треугольником (рис. 3.9) обмотки фаз генератора соединяются так, чтобы начало одной обмотки фазы соединялось с концом предыдущей (А с Z; В с X и С с Y). Положительные направляя э.д.с. при таком соединении направлены внутри треугольника обмоток фаз одинаково; следовательно, внутри этого треугольника действует алгебраическая сумма мгновенных значений фазных э.д.с. е_A + e_B + е_C = 0 и поэтому уравнительного тока в мотках генератора не возникает[6]. Общие точки, созданные объединением двух зажимов обмоток, соединяются с линейными проводами, к которым подключаются фазы приемника. Ток в каждом из линейных проводов системы равен сумме двух токов, положительные направления которых противоположны (см. рис. 3.9). На основании сказанного ясно, что результирующие, токи линейных проводах равны векторной разности соответствующих фазных токов:

Рис. 3.9 Соединение фаз треугольником

İ_A = İ_AB - İ_CA ; İ_B = İ_BC - İ_AB ; İ_C = İ_CA – İ_BC ; (3.5)

В этой системе три фазных напряжения будут вместе с тем линейными, поэтому как линейные, так и фазные токи, ими создаваемые, обозначают двумя индексами узлов («начал» обмоток генератора или фаз приемника).

Три линейных напряжения Ů_AB. Ů_BC и Ů_CA могут быть исходными при построении векторной диаграммы системы (рис. 10а). Углы между ними равны 120°. Векторы фазных токов İ_ab , İ_bc, İ_ca симметричной нагрузке сдвинуты по отношению создающим их напряжениям на некоторый угол φ значение которого зависит от отношения реактивного и активного сопротивлений приемника.

На основании соотношений (3.5), чтобы построить вектор линейного тока İ_A ,нужно к İ_ab прибавить (—İ_ca), т. е. вектор, равный по İ_ca величине, но противоположный ему по направлению, На этом же основании определяются и два остальных линейных тока.

При симметричной нагрузке фазные токи по величине одинаковы: I_ab = I_bc – I_ф и должны быть равны между собой линейные токи I_A = I_B = I_C = I_Л.

На диаграмме векторы фазных и линейных токов образуют три равнобедренных треугольника с острыми углами по 30° и тупым углом 120°. В таком треугольнике, опустив из вершины угла перпендикуляр на противолежащую сторону (рис. 3.10б), найдем, что

I_ф cos 30^o = I_л / 2 или I_л = √3 × I_ф; (3.6)

Следовательно, в трехфазной симметричной системе, соединенной треугольником, фазные напряжения являются одновременно линейными: U_ф_D = U_л_D, а линейные токи больше фазных в Ö3 раз:

I_ф_D = Ö3 I_ф_D;

Рис. 3.10 Векторная диаграмма напряжений и токов трехфазной системы, соединенной треугольником (а), и векторные соединения между фазными и линейными токами (б)

Рис. 3.11 Осветительная сеть, соединенная треугольником:

1 — квартирные предохранители, 2 — ломовые предохранители,

3 — муфт,. 4 — кабель.

Некоторым преимуществом соединения фаз треугольником является то, что при несимметричной нагрузке нет необходимости использовать четвертый провод. На рис. 3.11 показана схема осветительной сети жилого дома при соединении фаз приемников треугольником.

Приемники подключаются к трем проводам трехфазной сети, причем они могут быть соединены звездой или треугольником независимо от способа соединения фаз генератора, питающего сеть.

В ряде случаев целесообразно в зависимости от условий работы приемников изменять способ соединения фаз — переключать фазы приемника от звезды на треугольник и обратно. Такое переключение применяется для уменьшения пусковых токов трехфазных электродвигателей, для изменения температуры трехфазных электрических печей, для изменения вторичных напряжений трансформаторов.

При переключении со звезды, на треугольник фаз симметричных приемников, сопротивления которых не зависят от напряжения, линейные токи увеличиваются в три раза:

I_Л_D = 3I_Л_Y

но фазные токи возрастают в Ö3 раз:

I_Ф_D = Ö3I_Ф_Y;

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 385; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!