Короткое замыкание. Перегрузки. Тепловая защита

От коротких замыканий электрическую цепь сохраняет предохранитель. Внутри зданий, в отдельных квартирах все провода каждой линии должны быть защищены предохранителями.

Нельзя нарушать правила эксплуатации электроустановок, заменяя в предохранителе плавкую вставку металлическими проволочками, что создаст опасность пожара при коротком замыкании. При защите электромоторов номинальный ток плавкой вставки должен быть I_ном = I_пуск/2,5 = 0,4·I_пуск. Но плавкий предохранитель защищает от коротких замыканий, а не защищает от длительных перегрузок.

Для защит электродвигателя от перегрузок устанавливают тепловое реле. Так как тепловое реле из-за биметаллической пластины обладает значительной тепловой энергией, то оно плохо защищает от токов коротких замыканий и плавкий предохранитель является его необходимым дополнением.

Переменный ток и его применение. Частота и период тока

Переменным называется ток, периодически изменяющий свое направление и величину, причем среднее значение за период может быть равно нулю. Через определенный промежуток времени T, называемый периодом, изменение тока повторяется. Длительность измеряется в секундах. Число периодов в секунду называется частотой f

f=1/T,

она измеряется в герцах (Гц).

В России стандарт промышленной частоты = 50 Гц, в США = 60 Гц.

Преимущественное применение переменного тока в электротехнике и промышленности объясняется в основном тем, что на переменном токе работают трансформаторы, а двигатели переменного тока проще, прочнее и дешевле двигателей постоянного тока. Особо важна возможность трансформирования электроэнергии, т.е. простого и с малыми потерями преобразования тока большой величины и низкого напряжения в ток малой величины и высокого напряжения или обратного преобразования.

· Синусоидальный ток

Мгновенные значения синусоидального переменного тока выражаются формулой

i = I_m sin (wt+y),

где I_m - максимальное значение тока, w = 2/Т = 2 pf - угловая частота тока, y - начальная фаза переменного тока. Рис. 1.2.2.

Рис. 1.2.2. Построение синусоидальной кривой.

· Источники переменного тока

Для получения переменного тока служат электромашинные генераторы, вращаемые первичными двигателями. Генератор состоит из неподвижной части - статора, сердечник которого собран из тонких (0,35-0,5 мм) листов электротехнической стали, в пазах размещены обмотки, соединенные между собой определенным образом и подвижной части - ротора.

На роторе размещены электромагниты. Их обмотка, называемая обмоткой возбуждения генератора, соединяется через кольца и щетки с источником постоянного тока - возбудителем. Генераторы строятся так, чтобы распределение магнитной индукции вдоль окружности ротора было близко к синусоидальному.

На тепловых эл. станциях генераторы вращаются с частотой 3000 об/мин (50 Гц), на гидротурбинах 75 об/мин, но увеличено число полюсов p = 40.

· Мгновенная и активная мощности

Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений тока и напряжения p = u·i, это также как и для цепи постоянного тока P=U·I. Но в качестве основной величины принята средняя за период мощность, называемая активной мощностью

P=U·I·cosj,

где cos j - коэффициент мощности.

Например, напряжение установки U = 6 кВ, нагружена мощностью

P = 600 кВ при токе I =200 А cosj= P /U·I = 0,5.

· Параллельное соединение приемников переменного тока

Параллельное соединение широко применяется для приемников переменного тока. Они подключаются к сети переменного тока, напряжение в которой поддерживается почти постоянным.

При последовательном соединении сопротивления приемников складывается ток в цепи один, а напряжение согласно падению на приемнике.

При параллельном соединении токи распределяются согласно сопротивлению приемников, а общий ток на источнике будет возрастать от нагрузки.

· Активная, реактивная и полная мощности

При выборе трансформаторов, кабелей, выключающей аппаратуры и т.п. необходимо знать на какой ток они рассчитаны. Если известны напряжение и активная мощность P, следует еще определить cosj установки. Для облегчения расчетов введены две вспомогательные величины: полная S=U·I и реактивная Q=U·I·sinj=U·I_p мощности.

где P=S·cosj, Q=S·sinj и Q=P·tgj.

Единицей полной мощности служит вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВ·А), например, 500 кВ·А - это полная, а не активная мощность.

· Резонанс токов. Повышение коэффициента мощности

Если параллельно соединить катушку и конденсатор, то в цепи возникают индуктивный и емкостной токи, противоположные по фазе и по отношению к источнику энергии компенсируются, что и является резонансом токов.

Режим, близкий к резонансу токов, используется для повышения коэффициента мощности. Низкое значение cosj - это неполное использование мощности генератора, линий передач и трансформаторов и потери при передаче электроэнергии.

При включении параллельно двигателю конденсаторов передающее устройство и генератор разгружаются от индуктивного тока и весь реактивный ток замыкается в кольце, образуемом конденсатором и индуктивными катушками. Исчезают дополнительные потери, а передающее устройство и генератор можно дополнительно загрузить активным током и передавать дополнительную активную мощность.

Трехфазный ток. Построение многофазных систем

Направление токов генераторов противоположное и ток в общем проводе I₀ = I₁ - I₂ равен 0, поэтому сечение его меньше S₀=1/2 S, осуществляется экономия проводов - общая площадь 2,5 S вместо 4S.

Руководствуясь этим условием, можно составить большое число многофазных систем: 3-х фазную, 6-ти фазную и 12-ти фазную и т.д.

· Трехфазная система

В настоящее время получение, передача и распределение электроэнергии производится в основном трехфазной системой.

Источник - трехфазный генератор, на его статоре размещены три изолированные друг от друга одинаковые обмотки. Они расположены одна относительно другой на 120^о. Фазы раскрашиваются в разные цвета:

фаза А - желтый,

фаза В - зеленый,

фаза С - красный,

незаземленная нейтраль - белый,

заземленная нейтраль - черный.

· Соединение фаз звездой и треугольником

Обмотки фаз генератора можно соединить с тремя приемниками шестью проводами, но это соединение применяют в редких случаях. Для соединения звездой Y зажимы X, Y, Z - объединяют в одну точку N (концы), а начало обмоток подают на линию А, В, С. Аналогично соединяют и приемник, точки N - n - проводом - нейтраль. При симметричной нагрузке сумма фазных токов равна 0 и в проводе I_N = 0, поэтому он не используется для подключения 3-х фазных двигателей.

В трехфазных системах реже применяют соединение треугольником D. При соединении D обмотки фаз генератора соединяются так, чтобы начало одной обмотки фазы соединялось с концом предыдущей: А с Z, В с X и С c Y.

В 3-х фазной системе, соединенной треугольником, фазные напряжения являются и линейными, а линейные токи больше фазных в 3 раза.

U_ф = U_л, .

· Мощность трехфазной системы и ее измерение

Активная мощность трехфазной системы Р является суммой фазных активных мощностей

Р=3·Р_ф=3·U_ф·I_ф·cosj,

реактивная Q=3·Q_ф=3·U_ф·I_ф·sinj=Ö3·U_л·I_л·sinj,

полная S=3·U_ф·I_ф=Ö3·U_л·I_л.

Измеряя мощность одной фазы цепь тока ваттметра соединяют последовательно с одной из фаз приемника, а цепь напряжения включают под напряжение той же фазы, фаза - нейтраль.

· Расчет трехфазной цепи

При симметричной нагрузке расчет токов и напряжений выполняется для одной фазы.

При соединении звездой по закону Ома.