Трёхфазные электрические сети

Трёхфазные электрические сети

 

В электротехнике часто встаёт задача передачи большого количества энергии на значительные расстояния. Одну часть этой задачи мы с вами практически решили, когда разбирались с потерями на линиях электропередач. Там было определено законом (ГОСТом), что потери должны быть в пределах 2,5÷5%. А это означает, что для передачи больших количеств энергии необходимо повышать напряжение, тогда ток будет падать и потери уменьшаться.

Но с другой стороны это накладывает определённые ограничения на величину переданной энерги одной линией электропередачи, то есть надо строить несколько линий, идущих в одном направлении. Русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский предложил по линиям переменного тока пропускать три синусоидальных напряжения со сдвигом фаз относительно друг-друга на 120°. В этом случае количество проводов при передаче одинаковой мощности уменьшается до трёх или четырёх. В настоящее время используются и первый и второй варианты трёхфазных линий. Каждый имеет определённые достоинства и недостатки.

 

Рис. 45 Схема трёхфазной линии передачи энергии

 

На рис. 45,а представлена схема трёхфазной схемы передачи энергии с четырьмя проводами: 3 фазных провода A, B, C, и нейтральный провод N, то есть фазные источники энергии соединены по схеме «звезда». В трёхфазной трёх проводной схеме нейтральный провод отсутствует. Как видно из схемы (см.рис.45,а), Слева находятся три источника E_A, E_B, E_C энергии, справа три нагрузки R_a, R_b, R_c, которые соединены проводами. На схеме трёхфазной системы передачи энергии можно выделить 6 напряжений: три между фазными проводами и нейтральным проводом (нейтралью) U_a, U_b, U_c – они называются фазными напряжениями и три между фазными проводами (линиями системы передачи энергии)– они называются линейными. Сдвиг фаз между фазными напряжениями равен (период занимает 360°) 2·π/3=360°/3=120° (см. рис. 45,б). На рис. 45,в приведена диаграмма напряжений в трёхфазной системе передачи энергии. Определим соотношение между фазными и линейными напряжениями. Как видим, треугольник является равнобедренным (все стороны равны). Как мы помним, сумма углов в любом треугольнике равна 180°. Так как треугольник равнобедренный, то угол NO будет равен (180°-120°)/2=30°. Разобьём это треугольник на два прямоугольных треугольника и BON. При этом сторона AB разбивается на два равных участка. Определим длину стороны AO. Мы помним, что cos NAO=NO/AN равен, следовательно, сторона AO =AN·√3/2. А так как сторона AB (линейное напряжение) равно 2· AO, AB=2· AO= 2 ·(AN·√3)/2= AN·√3. Из этих рассуждений следует, U_ab =U_a ·√3, то есть U_ab больше U_a в 1,73 раза, соответственно U_bc = U_b ·√3, U_ca = U_c ·√3. В симметричной трёхфазной сети при равной нагрузке Z _a= Z _b= Z _c (общий случай R_a=R_b=R_c), все фазные напряжения и токи равны между собой Ů_a=Ů_b=Ů_c и İ_a= İ_b =İ_c, в нагрузке они уравновешиваются и тогда ток в нейтральном проводе отсутствует İ_a+İ_b+İ_c=İ_N=0. Поэтому при равных нагрузках по фазам, например, трёхфазные двигатели, печи и т.д. используют трёхфазную трёхпроводную сеть. А если нагрузки по фазам неравны, например, жилые дома, то четырёхпроводную. Так как в этой схеме при неравенстве нагрузок по фазам İ_N≠0.

Рис. 46

Для иллюстрации работы трёхфазных сетей используют векторные диаграммы. На диаграмме (см. рис.46.а). Здесь мы видим вектор ЭДС фазы   A - Ė_A расположен на оси абсцисс, а вектора ЭДС фаз   B и C - Ė_B и Ė_C повёрнуты на 120° и 240°. На диаграмме (см. рис.46.б) указаны и токи потребляемые от источников. Так как из диаграммы видим. Что токи отстают от Ė и угол между Ė и İ,это означает, что нагрузка содержит активную и индуктивную составляющие. В то же время во всех фазах этот угол одинаков, это означает, что нагрузки по фазам равны между собой, то есть трёхфазная сеть симметрична.

В промышленности энергию вырабатывают трёхфазные генераторы. Схематически такой генератор изображён на рис.47,а. Этот генератор имеет ротор (подвижная, вращающаяся часть) с намотанной на нём обмоткой, благодаря которой он становится электромагнитом (на роторе образуются северный и южный магнитные полюса). На статоре (неподвижная часть машины) под углом 120° расположены три обмотки фазы.

Рис. 47. Получение трёхфазной системы ЭДС.

Обмотки статора можно соединить двумя способами: «звездой» (рис. 47.б) или «треугольником» (рис.47.в). И то и другое соединение обладает определёнными преимуществами и недостатками.

Соединение «звездой» даёт возможность иметь неравномерную нагрузку по фазам. В этом случае каждая обмотка генератора определяет ЭДС Ė_A, Ė_B и Ė_C. В тоже время линейные напряжения U_ab, U_bc, U_ca будут в 1,73 раза больше Ė_A, Ė_B, Ė_C фаз. Если при этом нагрузка, например, на фазе A будет больше, чем на других фазах (Z _a«Z _b= Z _c) то диаграмма ЭДС и напряжений будет такая:

Рис. 48 Диаграммы напряжений трёхфазной сети (схема «звезда»)

На рис. 48,а показана диаграмма напряжений симметричной трёхфазной сети. Здесь все напряжения фазные и линейные равны. На диаграмме (см. рис.48,б) напряжение в фазе A меньше, так как нагрузка в этой фазе значительно больше (Z _a«Z _b= Z _c), чем в остальных фазах, где нагрузки не менялись. Из диаграммы мы видим, что упало напряжение в фазе A ниже, оно ниже, чем напряжения в других фазах (U_a,«U_b,=U_c). Ниже также стали напряжения U_ab,=U_bc,«U_ca. Но самое главное, что напряжения в фазах U_b,=U_c не изменились, так как они определяются ЭДС Ė_B = Ė_C генератора.

Выводы:

- такую схему включения удобно применять при неравномерных нагрузках по фазам;

- схема неэкономичная, так как требует четырёх линий (проводов) для передачи энергии.

  Соединение обмоток генератора «треугольником» (см. рис.47,в) определяет линейные ЭДС Ė_AB, Ė_BC и Ė_CA. Вспомним, что фазные напряжения измеряются между началом и концом каждой обмотки генератора, а линейные - между линейными проводами. При соединении треугольником каждая обмотка генератора присоединена к соответствующим линейным проводам (рис. 47,в). Например, к линейным проводам А и В подключена обмотка А-Х, а к линейным В и С - обмотка В-С. Поэтому линейное напряжение в то же время является и фазным, т. е.

U_л=U_ф.

Если при этом диаграмма ЭДС и напряжений будет такая:

Рис. 49. Диаграмма ЭДС при соединении обмоток генератора по схем «треугольник»

В этом случае при перегрузке одной из фаз генератора уменьшается линейная ЭДС, например, Ė_AB, в остальных фазах (обмотках) генератора начинают течь уравнительные токи.

Выводы:

- для передачи энергии требуется всего 3 линии (провода);

- нагрузка по фазам генератора(по Ė_AB, Ė_BC и Ė_CA.) должна быть одинакова;

- не допускается ошибочное перепутывание выводов одной из фаз генератора.