Тема 2. 3. 1: трехфазные электрические цепи

1. Получение трехфазной ЭДС. Соединение обмоток генератора «звездой» и «треугольником». Векторная диаграмма напряжений и токов.

2. Соединение трехфазной цепи звездой. Четырех- и трехпроводная цепь

3. Роль нулевого провода

 

1. Три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые по фазе на 120°, образуют трехфазную симметричную систему. Аналогично получаются трехфазные системы напряжений и токов.

В настоящее время трехфазные системы получили широкое распространение, что объясняется главным образом следующими причинами:

1) при одинаковых условиях питание трехфазным током позволяет получить значительную экономию материала про­водов по сравнению с тремя однофазными линиями;

2) при прочих равных условиях трехфазной генератор дешевле, легче и экономичнее, чем три однофазных генератора такой же общей мощности; то же относится к трехфазным двигателям и трансформаторам;

3) трехфазная система токов позволяет получить вращающееся магнитное поле с помощью трех неподвижных катушек, что существенно упрощает производство и эксплуатацию трехфазных двигателей;

4) при равномерной нагрузке трехфазный генератор создает на валу приводного двигателя постоянный момент в отличие от однофазного генератора, у которого мощность и момент на валу пульсируют с двойной частотой тока.

 

На рис. 1 изображена схема простейшего трехфазного генератора, с помощью которой легко пояснить принцип получения трехфазной ЭДС. В однородном магнитном поле постоянного магнита вращаются с постоянной угловой скоростью три рамки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на угол 120°.

В момент времени t =0 рамка АХ расположена горизонтально и в ней индуцируется ЭДС . Точно такая же ЭДС будет индуцироваться и в рамке ВY, когда она повернется на 120° и займет положение рамки АХ. Следовательно, при t =0 .

Рассуждая аналогичным образом, находим ЭДС в рамке CZ:

.

На рис. 2 представлен график мгновенных значений ЭДС , ,  и векторная диаграмма трехфазной системы ЭДС.

Если к каждой из рамок АХ, BY и CZ подсоединить нагрузку (посредством щеток и контактных колец), то в образовавшихся цепях появятся токи.

При симметричной нагрузке, когда все три нагрузочных сопротивления равны по значению и имеют одинаковый характер, синусоиды напряжений и токов изображаются графиками, аналогичными графику ЭДС. При этом начальные фазы токов определяются характером нагрузки, токи , ,  равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 120° один относительно другого. Векторная диаграмма трехфазных напряжений и токов при симметричной нагрузке изображена на рис.3.

Следует отметить, что в реальном трехфазном генераторе три неподвижные обмотки размещаются на статоре, а магнитное поле, индукция которого распределена по синусоидальному закону, создаётся вращающимся ротором.

Трехфазный генератор, соединенный проводами с трехфазным потребителем, образует трехфазную цепь. В трехфазной цепи протекает трехфазная система токов, т. е. синусоидальные токи с тремя различными фазами. Участок цепи, по которому протекает один из токов, называют фазой трехфазной цепи.

Возможны различные способы соединения обмоток генератора с нагрузкой. На рис. 4 показана несвязанная трехфазная цепь, в которой каждая обмотка генератора питает свою фазную нагрузку. Такую цепь, требующую шести соединительных проводов практически не применяют.

В целях экономии обмотки трехфазного генератора соединяют звездой или треугольником. При этом число соединительных проводов от генератора к нагрузке уменьшается до трех или четырех.

 

На электрических схемах трехфазный генератор принято изображать в виде трех обмоток, расположенных под углом 120° друг к другу. При соединении звездой (рис.5) концы этих обмоток объединяют в одну точку, которую называют нулевой точкой генератора и обозначают О. Начала обмоток обозначают буквами А, В, С.

 

 

При соединения треугольником (рис.6) конец первой обмотки генератора соединяют с началом второй, конец второй — с началом третьей, конец третьей —с началом первой. К точкам А, В, С подсоединяют провода соединительной линии.

Отметим, что при отсутствии нагрузки ток в обмотках такого соединения отсутствует, так как геометрическая сумма ЭДС , ,  равна нулю.

2. Рассмотрим соединение генератора с нагрузкой, включенной звездой (рис.7).

Провод ОО' называют нулевым (четырехпроводная цепь). В соответствии с первым законом Кирхгофа вектор тока в нулевом проводе

 

 

Как отмечалось, при симметричной нагрузке, когда сопротивления  равны между собой и имеют одинаковый характер, векторы токов  равны по абсолютному значению и образуют трехлучевую звезду, у которой углы между лучами равны 120°.

Из геометрического построения, показанного на рис.8, следует, что в этом случае векторная сумма токов равна нулю:

 

 

Таким образом, при симметричной нагрузке нулевой провод не нужен. Получается схема трехфазной трехпроводной цепи, изображенная на рис.9. Соединение звездой с нулевым проводом принято условно обозначать значком Y₀, а соединение звездой без нулевого провода — значком Y.

Площадь поперечного сечения нулевого провода принимают равной половине площади поперечного сечения каждого из остальных трех проводов (их сечения равны между собой).

Система ЭДС обмоток трехфазного генератора, работающего в энергосистеме, всегда симметрична: ЭДС поддерживаются строго постоянными по амплитуде и сдвинуты ми по фазе на 120°.

Рассмотрим симметричную нагрузку (рис.10), для которой

К зажимам А, В, С подходят провода линии электропередачи—линейные провода.

Введем обозначения: I_л — линейный ток в проводах линии электропередачи; I_ф — ток в сопротивлениях (фазах) нагрузки; U_л — линейное напряжение между линейными проводами; U_ф — фазное напряжение на фазах нагрузки.

В рассматриваемой схеме фазные: и линейные токи совпадают: I_л = I_ф, напряжения U_AB, U_BC и U_CA являются линейными, а напряжения U_A, U_B, U_C – фазными. Складывая напряжения, находим (рис. 10): U_AB=U_A-U_B, U_BC=U_B-U_C, U_AC=U_A-U_C.

 

Векторную диаграмму, удовлетворяющую этим уравнениям (рис. 11), начинаем строить с изображения звезды фазных напряжений U_A, U_B, U_C. Затем строим вектор U_AC -— как геометрическую сумму векторов U_A и -U_B, Вектор U_BC — как геометрическую сумму векторов U_B и –U_С, вектор U_AC — как геометрическую сумму векторов U_A и -U_C.

Для полноты картины на векторной диаграмме изображены также векторы токов, отстающих на угол  от векторов соответствующих фазных напряжений (нагрузку считаем индуктивной).

На построенной векторной диаграмме начала всех векторов совмещены в одной точке (полюсе), поэтому ее называют полярной. Основное достоинство полярной векторной диаграммы — ее наглядность.

Уравнениям, связывающим векторы линейных и фазных напряжений, удовлетворяет также векторная диаграмма рис.12, которую называют топографической. Она позволяет графически найти напряжение между любыми точками схемы, изображенной на рис.10. Например, для определения напряжения между точкой С и точкой, которая делит пополам сопротивление, включенное в фазу В, достаточно соединить на векторной диаграмме точку С с серединой вектора U_B. На диаграмме вектор искомого напряжения показан пунктиром.

При симметричной нагрузке модули векторов фазных (и линейных) напряжений равны между собой. Тогда топографическую диаграмму можно изобразить так, как показано на рис.13.

Опустив перпендикуляр ОМ, из прямоугольного треугольника находим .

В симметричной звезде фазные и линейные токи и напряжения связаны соотношениями

I_л=I_ф, .

 

3. Ток в нулевом проводе равен нулю при строго симметричной нагрузке. Если нагрузка несимметричная, т. е. , то неравными будут и токи: . Тогда на основе построения, аналогичного приведенному на рис.8, нетрудно убедиться, что при симметрии фазных напряжений ток в нулевом проводе не равен нулю:  (за исключением некоторых частных случаев). Таким образом, при симметрии фазных напряжений и несимметрии нагрузки в нулевом проводе есть ток. Представим себе, что нулевой провод оборвался: I₀ =0. При этом токи  должны измениться так, чтобы их векторная сумма оказалась равной нулю:

Но при заданных сопротивлениях нагрузки Z_A, Z_B, Z_С токи могут измениться только за счет изменения фазных напряжений. Следовательно, обрыв нулевого провода в общем случае, приводит к изменению фазных напряжений; симметричные фазные напряжения становятся несимметричными.

Рассмотрим топографическую векторную диаграм­му, представленную на рис.14.

Для простоты пренебрежем падением напряжения внутри обмоток генератора и проводах линии и будем считать, что напряжения на нагрузке равны ЭДС генератора.

При несимметрии нагрузки и отсутствии нулевого провода фазные напряжения U_А, U_B U_С будут различными и точка О' займет на векторной диаграмме положение, отличное от точки О.

Введем нулевой провод с пренебрежимо малым сопротивлением, как показано на рис.7. При этом потенциалы точек О и О' окажутся одинаковыми. Это означает, что точки О и О' на топографической диаграмме рис.14 должны быть совмещены.

Точка О на топографической диаграмме не может изменить своего положения, так как симметрия ЭДС Е_А, Е_B, Е_C обеспечивается конструкцией генератора. Следовательно, точка О' перейдет в точку О т. е. фазные напряжения на нагрузке станут симметричными.

Таким образом, нулевой провод в четырехпроводной цепи предназначен для обеспечения симметрии фазных напряжений при несимметричной нагрузке.

Несимметрия фазных напряжений недопустима, так как приводит к нарушению нормальной работы потребителей, рассчитанных, на определенное рабочее напряжение.