Принцип построения многофазных электрических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Красноярский Государственный Педагогический Университет им. В. П. Астафьева.

Курсовая работа

«Трехфазные цепи. Принцип построения много фазных электрических систем. Соединение «Звезда»»

Автор работы:

Студент 3 курса

Ярв Вячеслав Вениаминович

Руководитель:

Васильев Борис Викторович



Содержание

Введение

1. Многофазные цепи и системы

2. Трехфазные электрические цепи

3. Получение трехфазной системы ЭДС

4. Способы соединения фаз в трехфазной цепи

5. Напряжения трехфазного источника

6. Классификация приемников в трехфазной цепи

Литература



Введение

В 1878 году Томмас Амльва Эмдисон основывает компанию «Эдисон электрик лайт» (ныне General Electric). К 1879 году закончилась доводка электрической лампочки. В 1880 году Эдисон патентует всю систему производства и распространения электроэнергии, которая включала три провода -- нулевой и ±110 вольт. В январе 1882 года Эдисон запускает первую электростанцию в Лондоне, а несколькими месяцами позже -- в Манхэттене.

Так началась эпоха электрификации.

Но Т. А. Эдисон столкнулся с проблемой. При увеличении расстояния, на которое передается ток, растёт электрическое сопротивление проводов, а также потери на их нагрев. При создании электрической линии, рассчитанной на передачу определённой мощности, существенно снизить потери можно только снижая сопротивление (делая провода толще) или повышая напряжение. Поскольку эффективных способов изменять напряжение постоянного тока на тот момент времени не существовало, в электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому -- от 100 до 200 вольт. Такие электростанции не позволяли передавать потребителю большие мощности. В результате эффективно использовать генерируемую электрическую энергию могли потребители, расположенные на расстоянии, не превышающем порядка 1,5 км от электростанции.

Ознакомившись с патентом Эдисона, Джордж Вестингауз обнаружил слабое звено его системы -- большие потери мощности в проводах. В 1881 году Люсьен Голар (Франция) и Джон Гиббс (Великобритания) демонстрируют первый трансформатор, пригодный для работы на высоких мощностях. В 1885 Вестингауз покупает несколько трансформаторов Голара-Гиббса и генератор переменного тока производства Siemens & Halske и начинает эксперименты.

В 1882 году Нимкола Темсла изобретает многофазный электромотор, патент на который был получен в 1888 году.

В 1891 году трёхфазная система переменного тока, разработанная М.О.Доливо-Добровольским в компании AEG, была представлена на выставке в Франкфурте-на-Майне.

В 1893 году Вестингауз выиграл тендер на строительство электростанции на Ниагарском водопаде. По словам Теслы, «мощности водопада хватит на все США».

Электроснабжение постоянным током неохотно сдавало свои позиции. Хотя уже в начале XX века большинство электростанций выдавали переменный ток, существовало немало потребителей постоянного тока.

С исчезновением в Нью-Йорке последнего потребителя постоянного тока в ноябре 2007 года главный инженер компании «Консолидейтед Эдисон», которая предоставляла электроснабжение постоянным током, перерезал символический кабель. Это положило конец «войне токов» в отдельно взятом городе.



1. Многофазные цепи и системы

Многофазной системой электрических цепей называют совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые общим источником электрической энергии.

Отдельные электрические цепи, входящие в состав многофазной электрической цепи, называются фазами. Совокупность ЭДС, действующих в фазах многофазной цепи, а также совокупность токов и напряжений в многофазной цепи называют многофазной системой, соответственно, ЭДС, токов и напряжений.

Различают системы симметричные и несимметричные.

Симметричной называют многофазную систему ЭДС, в которой ЭДС в отдельных фазах равны по амплитуде и отличны по фазе друг от друга на углы, равные

,

где q - любое целое число, а m - число фаз.

При m = 3 мы имеем трёхфазную цепь.

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных систем переменного тока.

2. Трехфазные электрические цепи

Трехфазная цепь - это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе одна от другой на угол = 120° и создаваемые общим источником энергии.

Каждую отдельную цепь, входящую в трехфазную цепь принято называть фазой.

Широкое распространение трехфазных цепей объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями:

* экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;

* возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя;

* возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений - фазного и линейного.

Каждая фаза трехфазной цепи имеет стандартное наименование:

первая фаза - фаза "А";

вторая фаза - фаза "В";

третья фаза - фаза "С".

Начала и концы каждой фазы также имеют стандартные обозначения. Начала первой, второй и третьей фаз обозначаются соответственно А, В, С, а концы фаз - X, Y, Z.

3. Получение трехфазной системы ЭДС

Рис. 1 Схема устройства трехфазного генератора



Трехфазный генератор создает одновременно три ЭДС, одинаковые по величине и отличающиеся по фазе на 1200. Получение трехфазной системы ЭДС основано на принципе электромагнитной индукции, используемом в трехфазном генераторе. Трехфазный генератор представляет собой синхронную электрическую машину. Простейшая конструкция такого генератора изображена на рис. 1.

На статоре 1 генератора размещается трехфазная обмотка 2. Каждая фаза трехфазной обмотки статора представляет собой совокупность нескольких катушек с определенным количеством витков, расположенных в пазах статора. Три фазы обмотки статора генератора повернуты в пространстве друг относительно друга на 1/3 часть окружности, т.е. магнитные оси фаз повернуты в пространстве на угол = 120° Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы - X, Y, Z.

Ротор 3 генератора представляет собой постоянный электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4. Ротор создает постоянное магнитное поле, силовые линии которого показаны на рис.1 пунктиром. При работе генератора это магнитное поле вращается вместе с ротором.

При вращении ротора турбиной с постоянной скоростью происходит пересечение проводников обмотки статора с силовыми линиями магнитного поля. При этом в каждой фазе индуктируется синусоидальная ЭДС.

Величина этой ЭДС определяется интенсивностью магнитного поля ротора и количеством витков в обмотке. Частота этой ЭДС определяется частотой вращения ротора.

Поскольку все фазы обмотки статора одинаковы (имеют одинаковое количество витков) и взаимодействуют с одним и тем же магнитным полем вращающегося ротора, то ЭДС всех фаз имеют одинаковую амплитуду Em и частоту щ.

Но, так как магнитные оси фаз в пространстве повернуты на угол = 120°, начальные фазы их ЭДС отличаются на угол

Примем начальную фазу ЭДС фазы А, равной нулю, то есть шeA = 0

тогда:

eA=EmsinѓЦt

ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на :

eB=Em sin(щt-2р?3)= Em sin(щt-120)

ЭДС фазы С отстает от ЭДС фазы В еще на :

eC=Em sin(щt-4р?3)= Em sin(щt-240)

Действующее значение ЭДС всех фаз одинаковы:

EA=EB=EC=E.

Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться тригонометрическими функциями, функциями комплексного переменного, графиками на временных диаграммах, векторами на векторных диаграммах.

Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС на временной диаграмме показаны на рис. 2. Они представляют из себя три синусоиды, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 часть периода.



Рис. 2 Графики мгновенных значений трехфазной симметричной системы ЭДС.

На векторной диаграмме ЭДС фаз изображаются векторами одинаковой длины, повернутыми друг относительно друга на угол 120° (рис.3).

Рис. 3 Векторные диаграммы ЭДС трехфазных симметричных систем. (а - прямая последовательность фаз; б - обратная последовательность фаз).

Следует отметить, что чередование во времени фазных ЭДС зависит от направления вращения ротора генератора относительно трехфазной обмотки статора. При вращении ротора по часовой стрелке, как показано на рис.1, полученная симметричная трехфазная система ЭДС имеет прямое чередование (А - В - С) (рис.3а). При вращении ротора против часовой стрелки образуется также симметричная трехфазная система ЭДС. Однако чередование фазных ЭДС во времени изменится. Такое чередование называется обратным (А - С - В) (рис.3б).

Чередование фазных ЭДС важно учитывать при анализе трехфазных цепей и устройств. Например, последовательность фаз определяет направление вращения трехфазных двигателей, и т.п. Для практического определения последовательности фаз используются специальные приборы - фазоуказатели. многофазный электрический напряжение приемник

По умолчанию при построении трехфазных цепей и их анализе принимается прямое чередование фазных ЭДС трехфазного источника.

На схемах обмотку статора генератора изображают как показано на рис.4 с использованием принятых обозначений начал и концов фаз.

Рис.4. Условное изображение обмотки статора генератора.

За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца фазы к началу.

4. Способы соединения фаз в трехфазной цепи

Соединение «Звезда».

Для построения трехфазной цепи к каждой фазе трехфазного источника присоединяется отдельный приемник электроэнергии, либо одна фаза трехфазного приемника.



Рис.5 Схема несвязанной трехфазной цепи.

Здесь трехфазный источник представлен тремя идеальными источниками

ЭДС , , . Три фазы приемника представлены условно идеальными элементами с полными комплексными сопротивлениями Za, Zb, Zc . Каждая фаза приемника подсоединяется к соответствующей фазе источника, как показано на рис. 5. При этом образуются три электрические цепи, объединенные конструктивно одним трехфазным источником, т.е. трехфазная цепь. В этой цепи три фазы объединены лишь конструктивно и не имеют между собой электрической связи (электрически не связаны между собой). Такая цепь называется несвязанной трехфазной цепью и практически не используется.

На практике три фазы трехфазной цепи соединены между собой (электрически связаны). Существуют различные способы соединения фаз трехфазных источников и трехфазных потребителей электроэнергии. Наиболее распространенными являются соединения "звезда" и "треугольник". При этом способ соединения фаз источников и фаз потребителей в трехфазных системах могут быть различными. Фазы источника обычно соединены "звездой", фазы потребителей соединяются либо "звездой", либо "треугольником". При соединении фаз обмотки генератора (или трансформатора) "звездой" их концы X, Y и Z соединяют в одну общую точку N, называемую нейтральной точкой (или нейтралью) (рис.6). Концы фаз приемников x, y, z также соединяют в одну точку n (нейтральная точка приемника). Такое соединение называется соединение "звезда".

Рис.6. Схема соединения фаз источника и приемника в звезду.

Провода A-a, B-b и C-c, соединяющие начала фаз генератора и приемника, называются линейными проводами (линейный провод А, линейный провод В, линейный провод С). Провод N-n, соединяющий точку N генератора с точкой n приемника, называют нейтральным проводом.

Здесь по-прежнему каждая фаза представляет собой электрическую цепь, в которой приемник подключен к соответствующей фазе источника посредством нейтрального провода и одного из линейных проводов (пунктир на рис.6). Однако, в отличие от несвязанной трехфазной цепи, в линии передачи используется меньшее количество проводов. Это определяет одно из преимуществ трехфазных цепей - экономичность передачи энергии.

5. Напряжения трехфазного источника

Трехфазный источник, соединенный способом "звезда", создает две трехфазные системы напряжения разной величины. При этом различают фазные напряжения и линейные напряжения. На рис.7 показана схема замещения трехфазного источника, соединенного "звездой" и присоединенного к линии электропередачи.



Рис.7. Схема замещения трехфазного источника

Фазное напряжение UФ - напряжение между началом и концом фазы или между линейным проводом и нейтралью ( , , ). За условно положительные направления фазных напряжений принимают направления от начала к концу фаз.

Линейное напряжение (UЛ) - напряжение между линейными проводами или между началами фаз ( , , ). Условно положительные направления линейных напряжений приняты от точек соответствующих первому индексу, к точкам соответствующим второму индексу (то есть, от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким) (рис. 7).

Внутреннее сопротивление фаз генератора (источника) очень мало и имможно пренебречь. Тогда можно записать:

EA=UA, EB=UB, EC=UC.

На векторной диаграмме они обозначаются теми же векторами, что иЭДС (рис.8).

Рис. 8. Топографическая векторная диаграмма напряжений трехфазного генератора



Каждой точке этой диаграммы соответствует определенная точка цепи. Вектор, проведенный между двумя точками топографической диаграммы, изображает по величине и фазе напряжения между соответствующими точками цепи.

Из векторной диаграммы видно, что при симметричной системе фазных напряжений система линейных напряжений тоже симметрична, т.е. линейные напряжения равны по величине

UAB = UBC = UCA

и сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120° .

Соотношение по величине между линейным и фазным напряжениямилегко определить по диаграмме (рис.8) из треугольника ANB.

UAB = 2UA cos30o = Ѓг3UA

или

UЛ = UФ , UФ =

Например, ГОСТ определяет следующие величины линейных и фазных напряжений для силовых цепей низкого напряжения:

UЛ = 660 В; UФ = 380 В;

UЛ = 380 В; UФ = 220 В;

UЛ = 220 В; UФ = 127 В.

Номинальными напряжением в трехфазных цепях считается линейное напряжение.

Два напряжения источника UЛ и UФ можно использовать только при выведенной нейтрали, то есть в четырехпроводной цепи.

6. Классификация приемников в трехфазной цепи

Приемники, включаемые в трехфазную цепь, могут быть либо однофазными, либо трехфазными. К однофазным приемникам относятся электрические лампы накаливания и другие осветительные приборы, различные бытовые приборы, однофазные двигатели и т.д. К трехфазным приемникам относятся трехфазные асинхронные двигатели и индукционные печи. Причем, способ соединения фаз приемника не зависит от способа соединения фаз трехфазного генератора.

Приемники делятся на

* симметричные

Za = Zb = Zc = Ze

Комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников равны между собой.

* несимметричные

Za ? Zb ? Zc ? Ze (в общем случае).

Комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников разные.

Значение нейтрального провода.

Построим векторную диаграмму напряжений и токов (рис.9). Примемсопротивление каждой фазы равным Za = Zb = Zc = Ze

Ток каждой фазы отстает на угол ц от соответствующего фазного напряжения и имеет одинаковую величину.

Рис. 9. Векторная диаграмма напряжений и токов при соединении фаз симметричного приемника в звезду.

Ток в нейтральном проводе в соответствии с (рис. 9)

=++

Сложив векторы фазных токов, получаем = 0. Следовательно при соединении в звезду фаз симметричного приемника нейтральный провод не оказывает влияния на работу цепи и может быть исключен. Т.е. при симметричном приемнике может использоваться трехпроводная трехфазная цепь.

Т.е. при симметричном приемнике, соединенном "звездой", нейтральный провод не оказывает влияния на его работу. При этом остается справедливым соотношение

UЛ = UФ , UФ =

Трехпроводная электрическая цепь при несимметричном приемнике, соединенном "звездой"

При отсутствии нейтрального провода можно принять его сопротивление бесконечно большим, следовательно UnN Ѓ‚0

Векторы фазных напряжений можно определить графически, построив векторную (топографическую) диаграмму фазных напряжений источника питания и UnN

Рис. 10. Напряжение смещения нейтрали

При изменении величины (или характера) фазных сопротивлений напряжение смещений нейтрали UnN может изменяться в широких пределах. При этом нейтральная точка приемника n на диаграмме может занимать разные положения, а фазные напряжения приемника , , могут отличаться друг от друга весьма существенно. Таким образом, при симметричной нагрузке нейтральный провод можно удалить и это не повлияет на фазные напряжения приемника. При несимметричной нагрузке и отсутствии нейтрального провода фазные напряжения приемника уже не связаны жестко с фазными напряжениями генератора, так как на нагрузку воздействуют только линейные напряжения генератора. Несимметричная нагрузка в таких условиях вызывает несимметрию ее фазных напряжений , , и смещение ее нейтральной точки n из центра треугольника напряжений (смещение нейтрали). Направление смещения нейтрали зависит от последовательности фаз системы и характера нагрузки.

Поэтому нейтральный провод необходим для того, чтобы:

* выравнивать фазные напряжения приемника при несимметричной нагрузке;

* подключать к трехфазной цепи однофазные приемники с номинальным напряжением в 3 раз меньше номинального линейного напряжения трехфазной сети.

Следует иметь в виду, что в цепь нейтрального провода нельзя ставить предохранитель, так как перегорание предохранителя приведет к разрыву нейтрального провода и появлению значительных перенапряжений на фазах нагрузки.



Литература

1. В.С. Проскуряков, С.В. Соболев, Н.В. Хрулькова «Электротехника: Трехфазные электрические цепи»

2. Аполлонский С.М., Леонтьев В.В. «Электротехника и электроника. Трехфазные электрические цепи: Учебное пособие»

Размещено на Allbest.ru

...