Методические указания к выполнению лекционного материала

Тема: Соединение обмоток трехфазного генератора и нагрузки «треугольником». Построение векторных диаграмм.

       Цель: Изучить основные характеристики генераторов, записать классификацию и принцип работы генераторов постоянного и переменного тока. Изучить схемы соединения обмоток генераторов, научится составлять уравнения по второму и первому закону Кирхгофа для типа соединения обмоток по схеме «звезда», «треугольник». Научиться строить векторные диаграммы выходных характеристик

Задание:

1. Выполнить задание в лекционной тетради.

2. Ознакомится с содержанием теоретического материала.

3. Кратко законспектировать основные понятия и термины.

4. Выписать основные формулы и обозначения.

5. Зачертить схемы и таблицы.

6. Фото отчет по работе отправлять на электронной почту (kurshutov1994@mail.ru) или же в специальную группу сети Вконтакте в раздел обсуждения, согласно группе (https://vk.com/club193331707).

План:

1. Соединение обмоток трехфазного генератора.

2. Построить векторную диаграмму.

3. Соединение обмотки трехфазного генератора треугольником. Построить векторную диаграмму.

4. Соединение трехфазного генератора звездой. Построение векторной диаграммы.

 

Методические рекомендации к выполнению:

Для получения связанной трехфазной системы обмотки трехфазного генератора нужно определенным способом соединить между собой. Обозначим начала и концы обмоток трехфазного генератора соответственно буквами Н и К.

Соединение звездой
Если, как показано на рис. 1, концы всех обмоток соединены вместе, получаем соединение звездой.

Точка соединения называется нулевой точкой, или просто нулем. В этом случае нагрузка может быть соединена с генератором с помощью трех или четырех проводов. На рис.2 показаны оба эти случая.

Провода, идущие от начала обмоток генератора, называют линейным, а провод, выведенный от нулевой точки,—нулевым. Напряжение между одним из линейных проводов и нулевым проводом называется фазным напряжением. Фазные напряжения (U_ф) обозначаются U₁, U₂ и U₃. Пренебрегая падением напряжения внутри обмоток трехфазного генератора, можно считать, что фазные напряжения равны фазным э. д. с. Таким образом, фазные напряжения равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на угол

На рис.3 приведены векторная и развернутая диаграммы фазных напряжений. Напряжения между линейными проводами называются линейными напряжениями. Линейные напряжения (U_л) обозначаются U_1-2, U_2-3 и U_3-1.

Рассмотрим зависимость между линейным и фазным напряжениями. На рис.2, а вольтметр включен между 1 и 2 линейными проводами и показывает линейное напряжение U_1-2. Обходя контур, состоящий из двух фаз обмотки генератора и вольтметра, можем составить уравнение второго закона Кирхгофа в комплексной форме:

E₁-E₂=U_1-2 (1)
Знак минус перед Е₂ взят потому, что направление обхода фазы 1 — от конца к началу, а фазы 2 — от начала к концу. Считая Е1≈U1 и E2≈U2 можем написать
U_1-2=U₁-U₂. (2) Аналогично U_2-3=U₂-U₃ (3); U_3-1=U₃-U₁ (4). Вычитание комплексов напряжений удобно произвести на векторной диаграмме (рис.4).

Как известно, по правилам векторного сложения для получения суммы двух векторов нужно из конца первого вектора провести вектор, равный и параллельный второму, и тогда вектор, соединяющий начало первого вектора с концом второго, будет представлять собой векторную сумму. В случае вычитания из конца первого вектора проводится вектор, равный по величине второму, но сдвинутый относительно него на 180°. Полученные на диаграмме треугольники представляют собой равнобедренные треугольники с боковой стороной, равной величине фазного напряжения, и углом при вершине, равным 120° (рис5).

Углы при основании треугольника будут, очевидно, равны 30°.Из треугольника следует

(5)
Следовательно, линейные напряжения в трехфазной системе, соединенной звездой, в раз больше фазных напряжений. Линейные напряжения, так же как и фазные, сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, причем напряжение U_1-2 опережает напряжение U1 на 30°, соответственно напряжение U_2-3 опережает на 30° напряжение U₂, а напряжение U_3-1— напряжение U₃.
Низковольтные электросети работают либо с линейным напряжением 380 в, либо с линейным напряжением 220 в. При этом фазные напряжения составляют:
1) при линейном напряжении 380 в

2) при линейном напряжении 220 в

Так как при соединении звездой конец фазной обмотки непосредственно соединен с линейным проводом, то величина линейного тока равна величине тока соответствующей фазы, т. е. I_л=I_ф

Соединение треугольником
Обмотки трехфазного генератора могут быть соединены и другим способом: если конец первой обмотки соединить с началом второй, конец второй обмотки — с началом третьей и конец третьей — с началом первой, получим соединение треугольником (рис6).

Рассматривая рис.6, мы видим, что обмотки генератора образуют замкнутую последовательную цепь. На первый взгляд создается впечатление, что они замкнуты накоротко, однако фактически короткого замыкания нет, так как сумма э. д. с, действующих в этом замкнутом контуре, в любой момент времени равна нулю, что показано на векторной диаграмме (рис.6). Другое дело, если при соединении спутать концы одной из обмоток (рис.7), тогда фаза соответствующего фазного напряжения опрокинется на 180°и результирующее напряжение, действующее внутри треугольника обмоток, будет равно удвоенной величине фазного напряжения: векторная сумма U_ф1 + U_ф3 =U_ф2 и общее напряжение U= U_ф1+ U_ф2+ U_ф3=2U_ф2

Линейные провода при соединении треугольником отводятся от точек соединения обмоток. Очевидно, что напряжение между линейными проводами в этом случае равно напряжению фазы, включенной между этими проводами. Таким образом, если обмотки генератора соединены треугольником, линейное напряжение равно фазному, т. е.

U_л=U_ф

Рассмотрим теперь зависимость между линейными и фазными токами. Если нагрузка равномерна (т. е. если комплексы сопротивлений, включенных на стороне потребителя в каждую из фаз, равны), то фазные токи в каждой из фаз генератора будут равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 120°. На рис.8 показаны обмотки трехфазного генератора, соединенные треугольником, и векторная диаграмма напряжений и токов для данного случая. Примем за положительное направление тока в обмотке направление против часовой стрелки, а за положительное направление тока в линии— направление от генератора к потребителю

Напишем в комплексной форме уравнения первого закона Кирхгофа для узлов I, II и III:

I_л1=I_ф1-I_ф3; (7)

I_л2=I_ф2-I_ф1; (8)

I_л3=I_ф3-I_ф1, (9)

т. е. линейный ток равен геометрической разности токов двух фаз, сходящихся в точке включения данного линейного провода. Произведем вычитание комплексов токов на векторной диаграмме. Фазные токи, как мы уже условились, взяты равной величины и сдвинуты от своих фазных напряжений на одинаковые, углы (φ). Техника вычитания не отличается от рассмотренной нами при определении величины линейного напряжения для системы с соединением обмоток генератора звездой. Для того чтобы не усложнять рисунок, мы показали на нем только определение линейного тока I_л1
Из построения очевидно, что величина , т. е. при соединении обмоток генератора треугольником величина линейного, тока больше величины фазного тока в раз.
Необходимо подчеркнуть, что эта зависимость имеет место только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке необходимо находить линейные токи в каждом отдельном случае по уравнениям (7), (8) и (9) графически или аналитически (пользуясь символическим методом).
Из сравнения двух способов соединения обмоток генераторов следует, что при соединении звездой увеличивается напряжение между проводами линии передачи, но (при одинаковой нагрузке) уменьшаются линейные токи. При соединении обмоток треугольником не может быть проложен нулевой провод между генератором и потребителем, что создает значительные неудобства при неравномерной нагрузке фаз. Поэтому в распределительных сетях низкого напряжения вторичные обмотки силовых трансформаторов, как правило, соединяются звездой.

Контрольные вопросы

1. Что такое векторная диаграмма.

2. По каким характеристикам строят векторную диаграмму.

3. Зачертите схему соединения генератора трехфазного звездой.

4. Зачертите схему соединения трехфазного генератора треугольником.

5. Как изменяется активная и полная мощности потребляемые разветвленной цепью при изменении соотношения между емкостной и индуктивной проводимостями?

Список литературы и ссылки на Интернет-ресурсы, содержащие информацию по теме:

Основные источники

1. Алиев, И. И. Электротехника и электрооборудование: [Электронный ресурс] базовые основы: учебное пособие для СПО / И. И. Алиев. — 5-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 291 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-04256-6. Режим доступа: https://biblio-online.ru/book/28170629-85FB-4D24-9F24-D092209FFFD7/elektrotehnika-i-elektrooborudovanie-bazovye-osnovy

2. Прошин В.М. Электротехника:[Текст] учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 288 с.

3. Алиев, И. И. Электротехника и электрооборудование в 3 ч. Часть 1:[Электронный ресурс] учебное пособие для СПО / И. И. Алиев. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 374 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-04339-6. Режим доступа: https://biblio-online.ru/book/A846BC52-313B-4E8C-BE94-5891571A25D1/elektrotehnika-i-elektrooborudovanie-v-3-ch-chast-1

Дополнительные источники:

1. Прошин В.М. Электротехника для неэлектрических профессий: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – М.: Издательский центр «Академия«2014. – 464 с.

2. Лабораторно-практические работы по электротехника: учеб. Пособие для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – 8 – е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 208 с.