Получение трехфазного тока

Электрические цепи трехфазного переменного тока

Трехфазный электрический ток

Трехфазная цепь представляет собой совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные э.д.с. одинаковой частоты, отличающиеся по фазе одна от другой (φ = 120 о) и создаваемые общим источником энергии. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, принято называть фазой. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, слово фаза в электротехнике имеет два значения – угол φ и часть многофазной системы (отдельный фазный провод).

Основные преимущества трехфазной системы : возможность простого получения кругового вращающегося магнитного поля (это позволило создать электродвигатели переменного тока), экономичность и эффективность (мощность можно передать по трем фазным проводам без применения четвертого общего провода -нейтрали), а также возможность использования двух различных эксплуатационных напряжений в одной установке (фазного и линœейного, которые обычно составляют 220 В и 380 В, соответственно).

История появления трехфазных электрических цепей связана с именем М.С. Доливо-Добровольского Петербургского ученого, который в 1886 ᴦ., доказав, что многофазные токи способны создавать вращающееся магнитное поле, предложил (запатентовал) конструкцию трехфазного электродвигателя.

Трехфазный ток является простейшей системой многофазных токов, способных создавать вращающееся магнитное поле. Этот принцип положен в основу работы трехфазных электродвигателœей.

Предложив конструкцию электродвигателя переменного тока, М.С. Доливо-Добровольский разработал и всœе основные элементы трехфазной электрической цепи. Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, трехфазной линии электропередач и трехфазных приемников.

В результате предложенной трехфазной системы электрического тока стало возможным эффективно преобразовывать электрический ток в механическую энергию.

Электрическую энергию трехфазного тока получают в синхронных трехфазных генераторах (рис. 27). Три обмотки 2 статора 1 смещены между собой в пространстве на угол 120°. Их начала обозначены буквами А , В , С , а концы – x , y , z . Ротор 3 выполнен в виде постоянного электромагнита͵ магнитное поле которого возбуждает постоянный ток I , протекающий по обмотке возбуждения 4. Ротор принудительно приводится во вращение от постороннего двигателя. При вращении магнитное поле ротора последовательно пересекает обмотки статора и индуктирует в них ЭДС, сдвинутые (но уже во времени) между собой на угол 120°.

Трехфазный синхронный генератор

Важно заметить, что для симметричной системы ЭДС (рис. 28) справедливо

Волновая и векторная диаграммы симметричной системы ЭДС

На диаграмме изображена прямая последовательность чередования фаз (пересечение ротором обмоток в порядке А , В , С ). При смене направления вращения чередование фаз меняется на обратное - А , С , В . От этого зависит направление вращения трехфазных электродвигателœей.

Существует два способа соединœения обмоток (фаз) генератора и трехфазного приемника: ʼʼзвездаʼʼ и ʼʼтреугольникʼʼ.

В генераторах трехфазного тока электрическая энергия генерируется в трех одинаковых обмотках, соединœенных по схеме звезда. Чтобы сэкономить на проводах линии передачи электроэнергии от генератора к потребителю тянутся только три провода. Провод от общей точки соединœения обмоток не тянется, т.к. при одинаковых сопротивлениях нагрузки (при симметричной нагрузке) ток в нем равен нулю.

Схема замещения трехфазной системы, соединœенной "звездой"

Согласно первому закону Кирхгофа можно записать I O = I А + I В + I С.

При равенстве ЭДС в фазных обмотках генератора и при равенстве сопротивлений нагрузки (ᴛ.ᴇ. при равенстве значений токов I А,I В,I С)в представленной на рисунке системе, с помощью векторных диаграмм можно показать, что результирующий ток I O в центральном проводнике будет равен нулю. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, получается, что в симметричных системах (когда сопротивления нагрузок одинаковы), центральный провод может отсутствовать и линия для передачи системы трехфазного тока может состоять только из трех проводов.

В распределительных низковольтных сетях, в которых присутствует много однофазных потребителœей, обеспечение равномерной нагрузки каждой фазы становится не возможным, такие сети делаются четырехпроводными.

Для обеспечения электробезопасносности принято низковольтные потребительские сети (сети<1000В), выполнять 4-х проводными с глухо-заземленной нейтралью.

Напряжение между фазными проводами в линии принято называть линœейным напряжением, а напряжение, измеренное между фазным проводом (фазой) и центральным – фазным напряжением.

В системах электроснабжения, в частности в генераторах и трансформаторах подстанций используется преимущественно соединœения звездой.

Стоит сказать, что для низковольтных сетей (с напряжением менее 1000В) основным стандартным линœейным (между фазными проводами) напряжением принимается напряжение 380 В, при этом фазное напряжение (между фазным проводом и центральным) будет составлять 220 В.

Низковольтные сети являются потребительскими сетями разного назначения, не обязательно питающими трехфазные двигатели. В таких сетях для питания различных потребителœей бывают использованы разные фазы по отдельности. В результате нагрузка разных фаз окажется неодинаковой. Вместе с тем, с целью техники безопасности, ПУЭ (правилами устройства электроустановок) устанавливается, что низковольтные трехфазные электрические сети должны устраиваться четырехпроводными, с глухозаземленной нейтралью. Для этого схема понижающего трансформатора (понижающей подстанции) обычно выглядит следующим образом.

(Высокое напряжение

Т.е. центральный, называемый при этом ʼʼнулевымʼʼ, провод на вторичной обмотке трехфазного трансформатора подключается к заземляющему устройству и подводится к потребителям наряду с фазными проводами.

Получение трехфазного тока - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Получение трехфазного тока" 2014, 2015.

Электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток . Генератор трехфазного тока представляет собой как бы три объединенных вместе генератора переменного тока, работающих так, чтобы сила тока (и напряжение) изменялась у них не одновременно, а с отставанием на 1/3 периода. Это осуществляется за счет смещения катушек генераторов на 120° одна относительно другой (рис. справа).

Каждая часть обмотки генератора называется фазой . Поэтому генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из трех частей, называют трехфазными .

Следует отметить, что термин «фаза » в электротехнике имеет два значения: 1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени; 2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).
Некоторое наглядное представление о возникновении трехфазного тока дает установка, изображенная на рис. слева.
Три катушки от школьного разборного трансформатора с сердечниками размещаются по окружности под углом 120° по отношению друг к другу. Каждая катушка соединена с демонстрационным гальванометром . В центре окружности на оси укрепляется прямой магнит. Если вращать магнит, то в каждой из трех цепей «катушка - гальванометр» возникает переменный ток. При медленном вращении магнита можно заметить, что наибольшее и наименьшее значения токов и их направления будут в каждый момент во всех трех цепях различными.

Таким образом, трехфазный ток представляет совместное действие трех переменных токов одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 1/3 периода относительно друг друга.
Каждая обмотка генератора может соединяться со своим потребителем, образуя несвязанную трехфазную систему. Выигрыша от такого соединения нет никакого по отношению к трем отдельным генераторам переменного тока, так как передача электрической энергии осуществляется с помощью шести проводов (рис. справа).
На практике получили два других способа соединения обмоток трехфазного генератора. Первый способ соединения получил названиезвезды (рис. слева, а), а второй -треугольника (рис. б).
При соединении звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются в один общий узел, а от начал (или концов) идут провода к потребителям. Эти провода называются линейными проводами . Общую точку, в которой соединяются концы фаз генератора (или потребителя), называют нулевой точкой , или нейтралью . Провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, называют нулевым проводом . Нулевой провод применяется в том случае, если в сети создается неравномерная нагрузка на фазы. Он позволяет уравнять напряжения в фазах потребителя.

Нулевой провод , как правило, применяется в осветительных сетях. Даже при наличии одинакового количества ламп равной мощности во всех трех фазах равномерная нагрузка не сохраняется, так как лампы могут включаться, выключаться не одновременно во всех фазах, могут перегорать, и тогда равномерность нагрузки фаз будет нарушена. Поэтому для осветительной сети применяется соединение в звезду, которая имеет четыре провода вместо шести при несвязанной трехфазной системе.

При соединении в звезду различают два вида напряжения:фазное и линейное . Напряжение между каждым линейным и нулевым проводом равно напряжению между зажимами соответствующей фазы генератора и называется фазным (U ф ), а напряжение между двумя линейными проводами - линейным напряжением (U л ).

Поскольку в нулевом проводе при симметричной нагрузке сила тока равна нулю, то ток в линейном проводе равен току в фазе.
При неравномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходит уравнительный ток относительно малой величины. Поэтому сечение этого провода должно быть значительно меньше, чем у линейного провода. В этом можно убедиться, если включить четыре амперметра в линейные и нулевой провода. В качестве нагрузки удобно использовать обычные электрические лампочки (рис. справа).
При одинаковой нагрузке в фазах ток в нулевом проводе равен нулю и надобность в этом проводе отпадает (например, равномерную нагрузку создают электродвигатели). В этом случае производят соединение в «треугольник», которое представляет собой последовательное соединение друг с другом начал и концов катушек генератора. Нулевой провод в этом случае отсутствует.
При соединении обмоток генератора и потребителей «треугольником » фазные и линейные напряжения равны между собой,
т.е. U Л = U Ф , а линейный ток в √3 раз больше фазного тока I Л = √3 . I Ф
Соединение треугольником применяется как при осветительной, так и при силовой нагрузке. Например, в школьной мастерской станки можно включать в звезду или треугольник. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников электрической энергии.
Принципиально можно соединять треугольником и фазы генератора, но обычно этого не делают. Дело в том, что для создания заданного линейного напряжения каждая фаза генератора при соединении треугольником должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения звездой. Более высокое напряжение в фазе генератора требует увеличения числа витков и усиленной изоляции для обмоточного провода, что увеличивает размеры и стоимость машин. Поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой. Двигатели же иногда в момент пуска включают звездой, а затем переключают на треугольник.

Электрические двигатели.

Электрический двигатель - это электрическая машина(электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергияпреобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

Принцип действия

В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части), электрическим током (или также постоянными магнитами) в которых создаются неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Статор - неподвижная часть электродвигателя, чаще всего - внешняя. В зависимости от типа двигателя, может создавать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, либо генерировать вращающееся магнитное поле (и состоять из обмоток, питаемых переменным током).

Ротор - подвижная часть электродвигателя, чаще всего располагаемая внутри статора.

Ротор может состоять из:

§ постоянных магнитов;

§ обмоток на сердечнике (подключаемых через щёточно-коллекторный узел);

§ короткозамкнутой обмотки ("беличье колесо" или "беличья клетка"), в которой токи возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает вращающий момент, приводящий в движение ротор двигателя. Так происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на обмотки двигателя, в механическую (кинетическую) энергию вращения. Полученную механическую энергию можно использовать приводя в движение механизмы.

Классификация электродвигателей

§ Двигатель постоянного тока - электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током;

§ Коллекторные двигатели постоянного тока. Разновидности:

§ С возбуждением постоянными магнитами;

§ С параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ С последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ Со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ Бесколлекторные двигатели постоянного тока (вентильные двигатели) - Электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).

§ Двигатель переменного тока - электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током, имеет две разновидности:

§ Синхронный электродвигатель - электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полемпитающего напряжения;

§ Гистерезисный двигатель

§ Асинхронный электродвигатель - электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением.

§ Однофазные - запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь

§ Двухфазные - в том числе конденсаторные.

§ Трёхфазные

§ Многофазные

§ Шаговые двигатели - Электродвигатели, которые имеют конечное число положений ротора. Заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие.

Вращающееся магнитное поле

§ Универсальный коллекторный двигатель (УКД) - коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном токе и на переменном токе.

Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока.

Виды стиральных машин.

Стирка по-научному.

Трехфазная электрическая цепь – это совокупность трех электрических цепей, в которой действует источники синусоидальных э.д.с. одинаковой частоты, но отличающихся друг от друга по фазе. Впервые в 1891 году на французской выставке было произведено испытание трехфазной системы, содержащей источник, линию передач длиной 175 км от Лауфенского водопада до Франкфурта-на-Майне, напряжением 8500 В с КПД 77,4%. М.О. Доливо-Добровольскому (1889 г.) принадлежит честь разработки и создания всех звеньев передачи и преобразования энергии трехфазного тока (генераторы, трансформаторы, асинхронные двигатели).

В современной технике в качестве источников переменного тока используются конструкции с различным принципом действия, имеющие широкий диапазон частот (от долей герца до миллиардов герц). В энергетических системах используются трехфазные генераторы промышленной частоты 50 Гц. Такие генераторы являются основными источниками систем электроснабжения предприятий.

Трехфазный генератор как электрическая машина содержит неподвижную часть – статор с тремя обмотками, называемыми фазами, которые сдвинуты в пространстве на 120относительно друг друга, и подвижную часть – ротор, представляющий собой электромагнит с обмоткой, питаемой от источника постоянного напряжения. Принцип работы такого генератора описан в параграфе 3.1.

Векторная диаграмма, соответствующая этим значениям, показана на рис. 6.1, б. Совокупность э.д.с., соответствующая уравнениям (6.1), образует симметричную систему прямого следования фаз.

Симметричная трехфазная система э.д.с. обладает следующим свойством: алгебраическая сумма мгновенных значений э.д.с. в любой момент времени равна нулю, то есть

.

То же самое можно записать и для комплексов действующих значений э.д.с.:

.

Э.д.с. несимметричной системы могут отличаться друг от друга, как по амплитуде, так и по неравенству сдвигов фаз относительно друг друга. Работа трехфазных генераторов в несимметричном режиме не допускается по условиям эксплуатации.

Трехфазные системы широко используются благодаря их преимуществам:

меньший расход цветного металла (на 25%) при одинаковой передаваемой мощности;

возможность получения двух рабочих напряжений (линейного и фазного);

возможность получения вращающегося магнитного поля неподвижной обмоткой генератора или двигателя.

Рассматривая различные схемы соединений трехфазных источников и потребителей, покажем эти преимущества.

6.1.1. Соединение источника и потребителя в звезду

Как и любая трехфазная система, трехфазная цепь может быть представлена как совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют э.д.с., сдвинутые относительно друг друга на 120. Три независимых потребителя можно в принципе питать от каждой обмотки генератора. В таком случае имеем трехфазную несвязанную систему (рис. 6.2). Три провода, идущие от нагрузки к генератору, можно заменить одним, соединив соответствующие точки генератора и нагрузки. В результате получим связанную систему (рис. 6.3). Фактически это те же трифазы, соединенные в одну сложную разветвленную цепь. Точки соединения обмоток генератора или нагрузки называют нейтральными или нулевыми (0 и 0).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и нагрузки, называют нулевым или нейтральным проводом, остальные три провода – линейными. Начала обмоток фаз генератора принято обозначать буквами A , B , C , концы – буквами x , y , z . Концы фаз нагрузки обозначают буквами a , b , c .

За начало фазы генератора принимается тот вывод, к которому направлена э.д.с. За положительное направление токов в линейных проводах принимается направление от источника к потребителю, в нулевом – от потребителя к источнику.

Если в одну точку соединены начала или концы обмоток, то такое соединение называют соединением в звезду. Сравнивая трехфазные системы на рис. 6.2 и 6.3 можно заметить, что на рис. 6.3 уменьшилось количе-

ство проводов и, следовательно, уменьшится расход цветных металлов. Второе преимущество – получение двух рабочих напряжений. Это можно видеть на векторной диаграмме (рис. 6.4). Фазные напряжения – это напряжения на фазах генератора или нагрузки. Если внутреннее сопротивление генератора и сопротивления соединительных проводов равны нулю, то напряжения , , на фазах на-

грузки совпадают с э.д.с. ,,генератора (см. рис. 6.1, б). Линейные напряжения – это напряжения

,

,

между линейными проводами (рис. 6.4).

Аналогично определяются линейные и фазные токи. Линейные токи – это токи в линейных проводах, а фазные токи – это токи в фазах генератора или нагрузки. Токи ,,, показанные на рис. 6.3, протекают и по линейным проводам и по фазам нагрузки и генератора. Это означает, что при соединении в звезду линейные и фазные токи совпадают. Ток в нулевом проводе

.

Трехфазную систему, изображенную на рис. 6.3, называют трехфазной системой с нулевым проводом. Если нулевой провод убрать, то получим трехфазную систему без нулевого провода, для которой

.