Какие преимущества имеют трехфазные цепи перед однофазными. Трёхфазные электрические цепи

1. Теоретическая часть

1.1. Трехфазные цепи. Область применения. Достоинства и недостатки. Схемы включения. Режимы …………….................................................................................3

1.2. Трехфазные трансформаторы.……………………………19

1.3. Электрические измерители тока и напряжения тока …………………………………..……………………………26

2. Практическая часть

2.1. Расчет по трансформаторам.………………………………..37

2.2. Расчет по асинхронным двигателям……………………….42

Трехфазные цепи. Область применения. Достоинства и недостатки. Схемы включения. Режимы.

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.

Преимущества трехфазного тока заключаются в экономичности передачи на большие расстояния и.  

Преимущества трехфазного тока оказались настолько значительными, что уже со второй половины 90 - х годов началось широкое строительство электростанций трехфазного тока и постепенное вытеснение ими станций однофазного и постоянного тока.  

Одним из преимуществ трехфазного тока является его способность создавать вращающееся магнитное поле.  

В чем заключается преимущество трехфазного тока перед однофазным.  

Но экономией не исчерпываются преимущества трехфазного тока. С его помощью удается получить вращающееся магнитное поле.  

Из рассмотренных примеров достаточно отчетливо видим преимущества трехфазного тока при передаче электрической энергии по проводам. Но самым существенным достоинством трехфазных систем является их удобство для устройства электрических двигателей.  

Из рассмотренных примеров достаточно отчетливо видим преимущества трехфазного тока.  

Электрическая энергия в настоящее время почти исключительно производится и распределяется как энергия трехфазного переменного тока. Выбор трехфазного переменного тока в качестве основной промышленной системы обусловлен рядом преимуществ трехфазного тока по сравнению с другими системами.  

Доливо-Добровольский разрабатывал все звенья трехфазной системы и внедрял ее в Европе. Подлинным триумфом трехфазного тока явилась установка по передаче энергии на расстояние 175 км от Лауфенского водопада до Франкфурта на Майне, осуществленная М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Преимущества трехфазного тока были несомненны и он быстро получил всеобщее признание и повсеместное применение.  

Доливо-Добровольский разрабатывал все звенья трехфазной системы и внедрял ее в Европе. Подлинным триумфом трехфазного тока явилась установка по передаче энергии на расстояние 175 Км от Лауфенского водопада до Франкфурта-на - Майне, осуществленная М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Преимущества трехфазного тока были несомненны, и он быстро получил общее признание и повсеместное применение.  

В 1887 - 1888 гг. физик-инженер Никола Тесла сконструировал двухфазный асинхронный двигатель (наименование асинхронный будет пояснено в следующем параграфе), а в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел и построил трехфазный асинхронный двигатель. Доли-во - Добровольский разрабатывал все звенья трехфазной системы и внедрял ее в Европе. Подлинным триумфом трехфазного тока явилась установка по передаче энергии на расстояние 175 км от Лауфенского водопада до Франкфурта-на - Майне, осуществленнная М. О. Доливо-До - бровольским в 1891 г. Преимущества трехфазного тока были несомненны и он быстро получил всеобщее признание и повсеместное применение.  

Страницы:      1

Лекция Трёхфазные электрические цепи

Совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые в одном источнике электрической энергии, называется многофазной системой электрических цепей. Каждую из однофазных цепей, входящую в многофазную систему, принято наз фазой.

Наибольшее распространение в современной энергетике получили трёхфазные цепи, которые представляют собой частный случай многофазных систем переменного тока.

Под трёхфазной симметричной системой ЭДС понимают совокупность трёх синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на угол 120º. И создаваемых в одном источнике электрической энергии ().

Чтобы отличить три ЭДС их обозначают соответствующим образом. Если одну из ЭДС обозначить через EA, то отстающую от неё на угол 120º ЭДС обозначают EB, а опережающую на 120º - EC.

Последовательность прохождения ЭДС через одинаковые значения (например через нулевое) наз. последовательностью фаз.

Трёхфазная цепь состоит из трёх основных частей:

1) Трёхфазного генератора - в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трёхфазной системой ЭДС ;

2) Линии электропередачи (куда входят не только сами линии, но и трансф. подстанции с необходимым оборудованием);

3) приёмников энергии которые могут быть как трёхфазными, так и однофазными.

Преимущества трёхфазных цепей.

1. Простота получения вращающегося магнитного поля, применяемого в трёхфазных асинхронных эл. двигателях (основных потребителях электр. энергии) (около 70 %).

3. Меньше затраты при передаче энергии.

4. Постоянство мощности в определённых условиях.

Генератор - синхронная машина с тремя симметрично расположенными обмотками на статоре (Рис. 5.2)

Способы изображения 3-х фазн. симм. сист. ЭДС.

3-х фазн. симметричная система ЭДС может быть изображена Графиками, тригонометрич. ф-циями, и функциями комплексного переменного.

В 3-х фазн. симм. сист. ЭДС. справедливо рав-во

2. Если синусоид. ЭДС фазы A принять за исходную фазу равной нулю, то мгновенные значения ЭДС можно выразить, то мгновенные значения ЭДС можно выразить Тригонометрическими ф-циями

;

3. Векторами.

И в этом случае геометрическая сумма векторов ЭДС равна нулю

Прямая последовательность черед. фаз АВС .

4. Изображение ЭДС ф-циями комплексного переменного.

; ;

Способы соединения фаз трёхфазного генератора.

Получили распростр. соединение фаз «звездой» и «треугольником»

Векторная диаграмма.

За условные полож. направления Фазных напряжений принимают направление от начала к концу фаз обмоток а Линейных напряжений от последующей.

Тогда по второму закону Кирхгофа

Или комплексные значения

Соотношение между фазными и линейными напряжениями из вект. диаграммы

Основные схемы соединения 3-х фазных цепей

Соединение «звезда»-«звезда» с нулевым проводом. (Трёхфазная четырёхпроводная цепь)

Если сопротивл. проводов пренебречь

Токи в фазах

Ток в нейтрали

При симметричной нагрузке сумма токов равна нулю и ток в нулевом проводе отсутствует. I0=0

Отпадает необходимость в нулевом проводе (Векторная диагр. токов и напряж)

При неравномерной нагрузке ток в нулевом провод не равен нулю

Пусть Сопротивл. фаз равны между собой по модулю (6,35 Ом) но имеют различный характер

Определить ток в нулевом проводе

Решение: Построим векторную диаграмму токов и напряжений:

Токи по модулю во всех фазах равны

Если учесть сопротивление нейтрального провода

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, разработанная русским учёным М.О.Доливо-Добровольским. В разработку трёхфазных систем большой вклад также внесли учённые Н.Тесла, Ф. Хазельвандер, М. Депре, Ч. Бредли и другие.

В настоящее время в энергетике трехфазные системы получили наибольшее распространение, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

Экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния, т.к. вместо шести проводов (про однофазной системе) здесь требуется всего три провода;

Самым надежным и экономичным является трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и трёхфазный трансформатор;

Возможность получения вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного, асинхронного и линейного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств.

Простейший трехфазный генератор, изображённый на рис4.1а представляет собой три однофазных генератора, размещённые в одном корпусе. Статор генератора представляет собой полый цилиндр на внутренней поверхности которого имеются пазы в которых размещены три одинаковые обмотки (фазы). Эти обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120°. На рис. 4.1а каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными Х,У,Z. Ротор представляет собой постоянный электромагнит при вращении которого, в неподвижных обмотках статора индуцируются синусоидальные ЭДС (рис. 4.2.б).

Рис.4.1. а) упрощенная схема генератора б) временные диаграммы ЭДС в) векторная диаграмма фазных ЭДС

Основные соотношения

При включении обмотки возбуждения ротора в сеть постоянного тока по ней потечет ток, который создает постоянный магнитный поток. При вращении ротора первичным двигателем этот поток, согласно закону электромагнитной индукции, наведет в обмотках статора A , B , C три одинаковых по величине и частоте синусоидальных ЭДС, сдвинутых по фазе на угол 120 ° (рис. 4.1б).

Если ЭДС фазы А принять за исходную, т.е. совместить с вещественной осью комплексной плоскости (рис4.1в), то ЭДС других обмоток (фаз) генератора можно записать в виде:

;

Такая трехфазная система ЭДС называется симметричной системой .

Комплексы действующих значений фазных ЭДС в показательной форме запишутся в виде:

; ; .

Обозначим множитель

через a и будем называть оператором трехфазной цепи .

Комплексы действующих значений ЭДС фаз можно записать и в виде

;

;

Пусть , тогда ,

Алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС (напряжений,токов) симметричной системы в любой момент времени равна нулю (рис. 4.1.б и 4.1.в):

,

или в комплексной форме (рис. 4.1. в)

или ,

Последовательность прохождения ЭДС через одинаковые значения (например, через нулевое значение) называют порядок следования фаз . Рассмотренная система ЭДС (рис4.1.б,в) образует прямой порядок следования фаз (АВС ), в которой напряжение (ЭДС) сдвинуты на 120°. Если две фазы поменять местами (АСВ ), то получим обратный порядок следования фаз (сдвиг фаз 240°). Если ЭДС всех трех фаз проходят через ноль одновременно, то имеем нулевой порядок следования фаз (сдвиг фаз 360°). Порядок следования фаз определяет характер (направление движения) магнитного потока и, следовательно, влияет на режим работы ассинхронного двигателя.

Рассмотрим способы соединения элементов трехфазных цепей.

Существуют различные способы соединения обмоток трехфазного генератора и нагрузки. Из них основные – «звезда» и « треугольник ». Соединением «звезда» называется такое соединение, когда начало трех фаз (X,Y,Z) объединяются в одну (нулевую) точку, а концы фаз (A,B,C) подсоединяются к линейным проводам (рис. 4.2. а).

В трехфазных цепях различают фазные и линейные величины напряжений и токов.

Провода, соединяющие генератор с нагрузкой, называются линейными проводами , а протекающие по ним токи – линейными токами ( , , ). (рис.4.2. а)

Напряжения между линейными проводами называются линейными (междуфазными) напряжениями (

,

,

- на источнике и

,

, -на нагрузке). (рис.4.2. а)

Протекающие по фазам генератора или приемника токи называются фазными токами ( , , ), а напряжения между началом и концом фаз называются фазными напряжениями (

,

,

- на генераторе и , , - на нагрузке).

При соединении звездой фазный ток равен соответствующему линейному току, т.к. фаза и линия включены последовательно :

.

Выразим линейные напряжения

,

,

через фазные

,

,

(рис.4.2б).

Для этого запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для трех контуров, образованных одним из линейных напряжений и двумя фазными напряжениями и из них выразим линейные напряжения (рис.4.2. б), получим:

Рис.4.2. а) Схема соединения генератора «звезда» б) векторная диаграмма фазных и линейных напряжений.