Методические указания. Рассмотрим решение задачи №4 на примере при наличии нейтрального провода

Рассмотрим решение задачи №4 на примере при наличии нейтрального провода.

1. Схема замещения электрической цепи. Пусть в таблице 6.9 задано

Вариант Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Нейтраль ный провод
ХХ R1 -j XC3 R2 + jXL2 R3 R1 есть

Данным таблицы соответствует схема замещения рис. 6.17.


Рис. 6.17. Схема замещения трехфазной электрической цепи при наличии нейтрального провода

Из схемы видно, что электрическая цепь состоит из симметричного источника, соединённого звездой, симметричного приёмника энергии, соединённого треугольником (Z 4 = R1), и несимметричного приёмника, соединённого звездой (Z 1 = R1 – jXC3 , Z 2 = R2 + jXL2 , Z 3 = R3).

2. Расчёт напряжений и сопротивлений (см. 5.5).Пусть в таблице 6.10 заданы следующие параметров электрической цепи.

Вари- ант Фаза ЭДС Нач. фаза R1 R2 R3 ХL1 ХL2 ХL3 ХC1 ХC2 ХC3
В Градусы Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом
Х ЕВ   – 1200                  

Поскольку заданы величина ЭДС фазы В и её начальная фаза, то комплекс её действующего значения имеет вид.

В = 300е -j120 В.

Фаза А, оставаясь той же по величине, что и фаза В, опережает её на 1200, а фаза С отстаёт от фазы В на 1200 . Следовательно комплексы действующего значения ЭДС этих фаз примут вид.

А = 300е j (-120 + 120) = 300е j 0 В; C = 300е j(-120 – 120) = 300е -j240 = 300е j120 В.

Фазные напряжения трёхфазного источника равны их ЭДС. То есть

А = 300е j 0В; ỦВ = 300е -j120 В; ỦС = 300е j120 В.

Линейные напряжения при соединении источника энергии звездой больше фазных в раз и сдвинуты по фазе на +300 .

АB = Ае j 30 = •300е j 0 • е j 30 = 520 е j 30 В;

ВC = Bе j 30 = •300еj 120 • е j 30 = 520 еj 90 В;

CA = Cе j 30 = •300е j 120 • е j 30 = 520 е j 150 В.

Сопротивления ветвей электрической цепи, соединённых звездой.

Z 1 = R1 – jXC3 = 100 – j70 = (√1002 + 702 )e j arc tg (– 70 / 100) = 122e j 35 Ом;

Z 2 = R2 + jXL2 = 80 + j60 = (√802 + 602 )e j arc tg (60 / 80) = 100e j 37 Ом;

Z 3 = R3 = 90 = 90e j 0 Ом.

Сопротивления ветвей электрической цепи, соединённых треугольником.

Z 4 = R1 = 100 = 100e j 0 Ом.

3. Расчёт токов в ветвях электрической цепи проведём отдельно для симметричного приёмника, соединённого треугольником, и для несимметричного, соединённого звездой.

Для симметричного приёмника, соединённого треугольником, комплекс действующего значения фазного тока AB определяется по формуле

AB = АB: R1 = 520 е j 30 : 100e j 0 = 5,2 е j 30 А.

Токи в других фазах симметричного трехфазного приёмника могут быть найдены сдвигом по фазе рассчитанного тока ỈAB на 1200 (см. 5.5).

ВС = ABеj 120 = 5,2 е j 30 •еj 120 = 5,2 еj 90 А;

СА = ABе j 120 = 5,2 е j 30 •е j 120 = 5,2 е j 150 А.

Линейные токи, подходящие к симметричному треугольнику (A1, ỈВ1 и С1), могут быть определены по первому закону Кирхгофа (см. рис 6.15). Так линейный ток A1 определяется по формуле.

A1 = ỈABСА = 5,2 е j 30 – 5,2 е j 150 = 5,2cos(300) + j5,2sin(300) – 5,2cos(1500)

– j5,2sin(1500) = 4,5 + j2,6 + 4,5 – j2,6 = 9ej0 А.

В то же время линейный ток A1 можно рассчитать и по-другому. В симметричной трёхфазной цепи, соединённой в треугольник, линейные токи в раз больше фазных и сдвинуты относительно их на –300 . Тогда

A1 = AB • еj 30 = • 5,2 е j 30 • е -j 30 = 9ej0 = 9 А.

Аналогично можно найти и два других линейных тока (В1 и С1). Однако в симметричной трехфазной цепи токи всех фаз равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на 1200. Поэтому

В1 = ỈA1 • еj 120 = 9 еj 120 = – 4,5 – j 7,8 А;

С1 = ỈA1 • е j 120 = 9 е j 120 = – 4,5 + j7,8 А.

Для несимметричного приёмника, соединённого звездой с нейтральным проводом, комплекс действующего значения фазных токов (A2, ỈВ2 и С2) определяется приложенным к фазе напряжением и сопротивлением фазы.

A2 = ỦА: Z 1 = 300е j 0:122e –j 35 = 2,46e j 35 = 2,02 + j1,41 A;

B2 = ỦB : Z 2 = 300е – j 120: 100e j 37 = 3 е – j 157 = – 2,76 – j1,17 А;

C2 = ỦC : Z 3 = 300е j 120:90e j 0 = 3,33 е j 120 = – 1,66 + j2,88 А.

Из-за несимметрии приёмника, соединённого звездой, в нейтральном проводе протекает ток.

İN = İA2 + İB2 + İC2 = 2,02 + j1,41–2,76– j1,17–1,66 + j2,88 = – 2,4 + j3,12=3,9e j127,6

Расчёт фазных токов источника электрической энергии проводим по первому закону Кирхгофа (см. рис. 6.15).

A = A1 + ỈA2 = 9 + 2,02 + j1,41 = 11,02 + j1,41 = 11,11e j 7,3 А;

В = В1 + ỈВ2 = – 4,5 – j 7,8 – 2,76 – j1,17 = – 7,26 – j8,97 = 11,54e j 129 А;

С = С1 + ỈС2 = – 4,5 + j 7,8 – 1,66 + j2,88 = – 6,16 + j10,68 = 12,33e j 120 А.

4. Определим напряжение на всех элементах электрической цепи.

Напряжение на фазах приёмника энергии, соединённого треугольником, равно линейным напряжениям источника энергии.

АB = 520 е j 30 В; ỦВC = 520 еj 90 В; ỦCA = 520 е j 150 В.

Напряжение на элементах фаз приёмника энергии, соединённого звездой, рассчитаем по закону Ома.

R1 = ỦАa1 = R1A2 = 100 • 2,46e j 35 = 246е j 35 В;

C3 =Ủa1N =(– jXC3)A2 = – j70• 2,46e j 35 = 70еj 90 • 2,46e j 35 =172,2 еj 55 В;

R2 = ỦBb1 = R2B2 = 80 • 3еj 157 = 240еj 157 В;

L2 = Ủb1N = jXL2B2 = j60 • 3еj 157 = 60е j 90 • 3еj 157 = 180еj 67 B.

Напряжение на фазе С приёмника энергии в связи с наличием нейтрального провода равно напряжению фазы С источника энергии.

R3 = UCN = ỦC = 300е j 120В.

5. Проверка расчёта по балансу мощности проводится расчётом мощности источника и приёмника энергии и их сопоставлением.

Расчёт активной, реактивной и полной мощности источника электрической энергии может быть проведён с помощью комплекса полной мощности или как сумму мощностей отдельных фаз.

Расчёт активной, реактивной и полной мощности источника электрической энергии проведём с помощью комплекса полной мощности.

S И= +

,

где , , сопряжённые комплексы токов трёхфазного источника, отличающиеся от комплексов действующего значения знаком начальной фазы.

Активная мощность трёхфазного источника энергии равна действительной части комплекса полной мощности PИ = 10420 Вт. Реактивная мощность равна мнимой части комплекса полной мощности QИ =117,21 ВАр. Полная мощность равна модулю комплекса полной мощности SИ = 10421 ВА.

При расчёте мощности источника по отдельным фазам имеем.

Активная мощность фазы А

PA = UAIAcos(ΨUA – ΨIA) = 300 • 11,11• cos(00 – 7,30) = 3306 Вт,

где UA и IA действующее значение напряжения и тока фазы А;

ΨUA и ΨIA начальные фазынапряжения и тока фазы А.

Реактивная мощность фазы А

QA = UA IA sin(ΨUA – ΨIA ) = 300 • 11,11• sin(00 – 7,30) = – 425,5 ВАр.

Полная мощность фазы А

SA = UAIA = 300 • 11,11= 3333 ВA.

Аналогично рассчитываются активная, реактивная и полная мощности фаз В и С.

PB = UBIBcos(ΨUB – ΨIB) = 300•11,54•cos(–1200 – (–1290)) = 3418 Вт,

QB = UBIBsin(ΨUB – ΨIB) = 300•11,54• sin(–1200 – (–1290)) = 545,6 ВAр,

SB = UB IB = 300•11,54 = 3462 ВA,

PC = UC IC cos(ΨUC – ΨIC ) = 300 • 12,33• cos(1200 – 1200) = 3698 Вт,

QC = UC IC sin(ΨUC – ΨIC ) = 300 • 12,33• sin(1200 – 1200) = 0 ВAр,

SC = UCIC = 300 • 12,33 = 3699 ВА.

Активная мощность трехфазного источника энергии

P = PA + PВ + PС = 3305 + 3418 + 3698 = 10421 Вт.

Реактивная мощность трехфазного источника энергии

Q = QA + QВ + Q С = – 425,5 + 545,6 + 0 = 117,18 ВАр.

Полная мощность трехфазного источника энергии

S = SA + SВ + S С = 3333 + 3462 + 3699 = 10424 ВА.

В соответствии с балансом мощности мощность приёмников энергии должна быть равна мощности источников энергии электрической цепи.

Комплекс полной мощности приёмников энергии определяется выражением.

S П= ∑(RK ± jXK ) =

.

Сопоставление мощностей источника и приёмника показывает их отличие, которое можно объяснить округлением результатов расчёта на каждом из этапов. Погрешность в расчёте мощностей:

% = 0%, % = 0,02%,

% = 0%.

6. Построение потенциальной (топографической) диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов рационально начать с потенциальной (топографической) диаграммы напряжений. На диаграмме откладываем векторы всех напряжений в соответствии с их величиной и угловым положением.

А = 300е j 0В; ỦВ = 300е -j120 В; ỦС = 300е j120 В,

АB = 520 е j 30 В; ỦBC = 520 е-j 90 В; ỦCA = 520 е j 150 В;

R1 = ỦАa1 = 246е j 35 В; ỦC3 =Ủa1N = 172,2 еj 55 В;

R2 = ỦBb1 = 240еj 157 В; L2 = Ủb1N = 180еj 67 B.

Обратите внимание на то, что при построении диаграмм для трехфазных цепей оси координат сдвинуты относительно однофазных на 900 против часовой стрелки.

Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений имеет вод

рис. 6.18.


Рис. 6.18. Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений трехфазной цепи

На векторной диаграмме токов откладываем векторы токов в соответствии с их величиной и угловым положением.

AB = 5,2 е j 30 А; ВС = 5,2 еj 90 А; СА = 5,2 е j 150 А;

A1 = 9ej0 А; В1 = 9 еj 120 А; С1 = 9 е j 120 А;

A2 = 2,46e j 35 А; B2 = 3 еj 157 А; C2 = 3,33 е j 120 А;

A = 11,11e j 7,3 А; В = 11,54e j 129 А; С = 12,33e j 120 А.

Векторная диаграмма токов электрической цепи представлена на рис 6.19.

 
 

Рис. 6.19. Векторная диаграмма токов электрической цепи

Совмещая потенциальную (топографическую) диаграмму напряжений с векторной диаграммой токов, получим общую диаграмму напряжений и токов (рис. 6.20), по которой легко проследить их взаимное расположения (у резисторов напряжение и ток совпадают по фазе, у катушек индуктивности ток отстаёт от напряжения на 900 , а у конденсаторов он опережает напряжение на 900 ).

 
 

Рис. 6.20. Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов трехфазной электрической цепи

Рассмотрим решение задачи №4 на примере при отсутствии нейтрального провода.

1. Схема замещения электрической цепи. Пусть в таблице 6.9 задано

Вариант Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Нейтраль ный провод
ХХ R1 -j XC3 R2 + jXL2 R3 R1 нет

Данным таблицы соответствует схема замещения рис. 6.21.

Рис. 6.21 Схема трёхфазной цепи при отсутствии нейтрального провода

Схема рис. 6.21 отличается от рис. 6.17 только отсутствием нейтрального провода между нейтралью источника (N) и нейтралью приёмника, соединённого звездой (n). При этом наличие или отсутствие нейтрального провода никак не влияет на приёмник, соединённый треугольником. То есть методика расчета приёмника при отсутствии нейтрального провода, соединённого треугольником, будет та же, что и при наличии нейтрального провода. Поэтому для упрощения сохраним те же параметры элементов схемы.

Вари- ант Фаза ЭДС Нач. фаза R1 R2 R3 ХL1 ХL2 ХL3 ХC1 ХC2 ХC3
В Градусы Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом Ом
Х ЕВ   – 1200                  

2.Тогда, в соответствии с предыдущим расчётом, имеем (см.5.5)

В = 300е -j120 В.

А = 300е j (-120 + 120) = 300е j 0 В; C = 300е j(-120 – 120) = 300е -j240 = 300е j120 В.

А = 300е j 0В; ỦВ = 300е -j120 В; ỦС = 300е j120 В.

АB = Ае j 30 = •300е j 0 • е j 30 = 520 е j 30 В;

ВC = Bе j 30 = •300еj 120 • е j 30 = 520 еj 90 В;

CA = Cе j 30 = •300е j 120 • е j 30 = 520 е j 150 В.

Сопротивления ветвей электрической цепи, соединённых звездой.

Z 1 = R1 – jXC3 = 100 – j70 = (√1002 + 702 )e j arc tg (– 70 / 100) = 122e j 35 Ом;

Z 2 = R2 + jXL2 = 80 + j60 = (√802 + 602 )e j arc tg (60 / 80) = 100e j 37 Ом;

Z 3 = R3 = 90 = 90e j 0 Ом.

Сопротивления ветвей электрической цепи, соединённых треугольником.

Z 4 = R1 = 100 = 100e j 0 Ом.

3. Из расчёта токов в ветвях электрической цепи имеем

AB = АB: R1 = 520 е j 30 : 100e j 0 = 5,2 е j 30 А.

ВС = ABеj 120 = 5,2 е j 30 •еj 120 = 5,2 еj 90 А;

СА = ABе j 120 = 5,2 е j 30 •е j 120 = 5,2 е j 150 А.

A1 = ỈABСА = 5,2 е j 30 – 5,2 е j 150 = 5,2cos(300) + j5,2sin(300) – 5,2cos(1500)

– j5,2sin(1500) = 4,5 + j2,6 + 4,5 – j2,6 = 9ej0 А.

В1 = ỈA1 • еj 120 = 9 еj 120 = – 4,5 – j 7,8 А;

С1 = ỈA1 • е j 120 = 9 е j 120 = – 4,5 + j7,8 А.

Для расчёта токов несимметричного приёмника, соединённого звездой без нейтрального провода (A2, ỈВ2 и С2), необходимо определить приложенные к фазам напряжение. Поскольку нейтраль приёмника не соединена с нейтралью источника, то потенциал точки n за счёт несимметрии смещается относительно потенциала точки N. Напряжение смещения определяется формулой.

ŮnN = ,

где проводимости фаз приёмника Y 1 , Y 2 и Y 3 рассчитываются по формулам

См,

См,

См.

Подставляя численные значения, получим величину напряжения смещения.

ŮnN =

В.

Напряжения на фазах несимметричного приёмника

Ůan = ŮA – ŮnN = 300 – (– 98,8 +j115,3) = 399,2 – j115,7 = 415,7ej16 ,

Ůbn = ŮB – ŮnN = –150 – j260 – (– 98,8 +j115,3) = – 50.8 – j375,5 = 378,9e-j97,8 ,

Ůcn = ŮC – ŮnN = –150 + j260 – (– 98,8 +j115,3)= – 50,8 + j144,08 = 152,8ej109,5 .

Фазные токи несимметричного приёмника

İА2 = Y 1 Ůan = 0,0082ej35 415e-j16 = 3,4ej19 = 3,2 +j1,1,

İB2 = Y 2 Ůbn = 0,01e-j37 388,8e-j97,8 = 3,8e-j134,8 = –2,7 – j2,7,

İC2 = Y 3 Ůcn = 0,011ej0 153,5ej109,5 = 1,7ej109,5 = – 0,56 + j1,6.

Расчёт фазных токов источника электрической энергии проводим по первому закону Кирхгофа (см. рис. 6.19).

A = A1 + ỈA2 = 9 + 3,2 + j1,1 = 12,2 + j1,1 = 12,25e j 5,2 А;

В = В1 + ỈВ2 = – 4,5 – j 7,8 – 2,7 – j2,7 = – 7,2 – j10,5 = 12ej 124,4 А;

С = С1 + ỈС2 = – 4,5 + j 7,8 – 0,5 + j1,6 = – 5 + j9,4 = 10,7e j 118 А.

4. Определим напряжение на всех элементах электрической цепи.

Напряжение на фазах приёмника энергии, соединённого треугольником, равно линейным напряжениям источника энергии.

АB = 520 е j 30 В; ỦВC = 520 еj 90 В; ỦCA = 520 е j 150 В.

Напряжение на элементах фаз приёмника энергии, соединённого звездой, рассчитаем по закону Ома.

R1 = Ủaa1 = R1A2 = 100 • 3,4e j 19 = 340,5е j 19 В;

C3 =Ủa1n =(– jXC3)A2 = – j70• 3,4e j 19 = 70еj 90 • 3,4e j19 = 238,4 еj 71 В;

R2 = Ủbb1 = R2B2 = 80 • 3,8еj 134,8 = 303еj 134,8 В;

L2 = Ủb1n = jXL2B2 = j60 • 3,8еj 134,8 = 60е j 90 • 3,8еj 134,8 = 227еj 44,8 B.

Напряжение на фазе c приёмника энергии в связи с отсутствием нейтрального провода равно напряжению Ůcn.

R3 = Ůcn = 152,8ej109,5 В.

5. Проверка расчёта по балансу мощности – это равенство мощностей источника и приёмника энергии. Расчёт активной, реактивной и полной мощности источника электрической энергии проведём с помощью комплекса полной мощности.

S И= +

,

где , , сопряжённые комплексы токов трёхфазного источника, отличающиеся от комплексов действующего значения знаком начальной фазы.

Активная мощность трёхфазного источника энергии равна действительной части комплекса полной мощности PИ = 10637 Вт. Реактивная мощность равна мнимой части комплекса полной мощности QИ =102,2 ВАр. Полная мощность равна модулю комплекса полной мощности SИ = 10638 ВА.

В соответствии с балансом мощности мощность приёмников энергии должна быть равна мощности источников энергии электрической цепи.

Комплекс полной мощности приёмников энергии определяется выражением.

S П= ∑(RK ± jXK ) =

.

Сопоставление мощностей источника и приёмника показывает их отличие, которое можно объяснить округлением результатов расчёта на каждом из этапов. Погрешность в расчёте мощностей:

% = 0%, % = 0,2%,

% = 0%.

6. Построение потенциальной (топографической) диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов рационально начать с потенциальной (топографической) диаграммы напряжений. На диаграмме откладываем векторы всех напряжений в соответствии с их величиной и угловым положением.

А = 300е j 0 В; В = 300е -j120 В; ỦС = 300е j120 В,

АB = 520 е j 30 В; ỦBC = 520 е-j 90 В; ỦCA = 520 е j 150 В;

ŮnN = 152,5 ej130,6 B; ỦR1 = ỦАa1 = 340,5е j 19 В; ỦC3 =Ủa1n = 238,4 е –j 71 В;

R2 = ỦВb1 = 303е – j 134,8 В; ỦL2 = Ủb1n = 227е – j 44,8 B;

R3 = ŮСn = 152,8ej109,5 В.

Обратите внимание на то, что при построении диаграмм для трехфазных цепей оси координат сдвинуты относительно однофазных на 900 против часовой стрелки.

Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений имеет вод

рис. 6.22.


Рис. 6.22. Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений

На векторной диаграмме токов откладываем векторы токов в соответствии с их величиной и угловым положением.

AB = 5,2 е j 30 А; ỈВС = 5,2 еj 90 А; ỈСА = 5,2 е j 150 А;

A1 = 9ej0 А; ỈВ1 = 9 еj 120 А; ỈС1 = 9 е j 120 А;

İА2 = 3,4ej19 ; İB2 = 3,8e-j134,8 ; İC2 = 1,7ej109,5;

A = 12,25e j 5,2 А; В = 12ej 124,4 А; С = 10,7e j 118 А.

Векторная диаграмма токов электрической цепи представлена на рис 6.23.


Рис. 6.23. Векторная диаграмма токов

Совмещая потенциальную (топографическую) диаграмму напряжений с векторной диаграммой токов, получим общую диаграмму напряжений и токов (рис. 6.24), по которой легко проследить их взаимное расположения (у резисторов напряжение и ток совпадают по фазе, у катушек индуктивности ток отстаёт от напряжения на 900 , а у конденсаторов он опережает напряжение на 900 ).


Рис. 6.24. Потенциальная (топографическая) диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: