Файл: Lektsia_7.doc

Лекція 7.

Тема: «Трифазні кола змінного струму. Основні характеристики, зображення, переваги. З’єднання зіркою. Основні співвідношення. Призначення нульового провода».

Мета: «Розглянути тоьохфазне коло змінного струму, побудувати основні співвідношення між лінійними і фазними напругами при з’єднанні зіркою, розглянути призначення нульового провода; навчитися визначати лінійні та фазні напруги трифазних кіл змінного струму».

Література: Л1, ст. 183..189.

Основні питання:

1. Трьохфазні кола змінного струму, основні визначення, трьохфазна система ЕРС.

2. Основні схеми з’єднання трьохфазних кіл.

1. Трьохфазні кола змінного струму, основні визначення, трьохфазна система ерс.

Об'єднання декількох кіл з незалежними джерелами електроенергії проводами лінії передачі широко використовується при змінному струмі. Обєднувальні кола змінного струму прийнято називати фазами, а всю об'єднану систему кіл - багатофазною системою. Таким чином, в електротехніці, термін фаза застосовується в двох різних значеннях: по-перше, це відносний момент періодичного процесу, а по-друге, - найменування складової частини багатофазної системи кіл змінного струму.

Звичайно застосовують симетричні багатофазні системи, в яких амплітудні значення ЕРС однакові, а фази зсунуті одна відносно одної на кут 2π/m, де m - число фаз. Найбільш часто в електротехніці використовують двофазні, трифазні, шестифазні кола. Так, в автоматиці і в електровимірювальній техніці широко поширені двофазні системи, в електроенергетиці найбільше практичне значення мають трифазні системи. Ця система була винайдена і розроблена видатним російським інженером М.С. Доливо-Добровольским в 1891 р., який створив трьохфазні трансформатор і асинхронний двигун.

Трифазні кола - це сукупність трьох однофазних кіл, в яких діють синусоїдальні ЕРС однієї і тієї ж частоти, зсунуті по фазі одна відносно одної на кут 2π/3. Передача електричної енергії на великі відстані по трифазних колах більш вигідна, ніж передача енергії по однофазних колах; крім того, трифазні синхронні генератори, трифазні асинхронні двигуни і трансформатори більш прості у виробництві, економічні й надійні в експлуатації. В трифазних системах досить просто одержати обертове магнітне поле, вплив якого на провідники зі струмом покладено в основу принципу роботи асинхронних і синхронних електродвигунів.

---

Джерелом електричної енергії в трифазному колі є синхронний генератор. Три його обмотки конструктивно зсунуті одна відносно одної на кут 2π/3 і називаються фазами. В цих обмотках індуктуються три ЕРС, фази яких, в свою чергу, також зсунуті одна відносно одної на кут 2π/3. Пристрій трифазного генератора схематично показано на малюнку 1.1. В пазах сердечника статора розташовані три однакові обмотки. Для простоти будемо вважати, що кожна з обмоток складається тільки з одного витка тобто з двох проводів, закладених у діаметрально протилежних пазах статора. Ці два проводи кожної з обмоток на задньому торці статора з'єднані один з одним.

Рис.1.1.

На передньому торці статора витки обмоток закінчуються затискачами А, В, С (початок обмоток) і відповідно затискачами X,Y,Z ( кінці обмоток).

Початки обмоток зміщені один відносно одного на кут 2π/3, і відповідно їхні кінці також зміщені один відносно одного на кут 2π/3. На малюнку представлений однополюсний ротор, якщо ж ротор багатополюсний, то кожній парі полюсів відповідають на статорі три котушки трифазних обмоток. Розміщені вздовж окружності статора окремі котушки кожної фазної обмотки з'єднуються між собою послідовно або паралельно.

При обертанні ротора у фазних обмотках статора індуктуються змінні ЕРС.

Завдяки симетрії пристрою генератора максимальні E_m і діючі фазні E_ф значення цих ЕРС у всіх фазах однакові, але так як магнітне поле обертового ротора перетинає фазні обмотки не одночасно, то ЕРС обмоток зміщені по фазі один до одного на одну третину періоду, тобто на .

На електричних схемах обмотки статора трифазного генератора умовно зображують так, як показано на мал. 1.2, b; за умовний додатній напрямок ЕРС в кожній фазі генератора приймають напрямок від кінця до початку обмотки.

Р ис1.2.

Якщо фазу фазної ЕРС А прийняти за вихідну, рівну нулю, то миттєві значення ЕРС трифазного генератора можна виразити аналітично:

(1.1.)

---

На мал.1.3. показані криві миттєвих значень цих ЕРС і три вектори їхніх максимальних значень.

Трифазна система, в якій умови в усіх фазах однакові, називається симетричною. Для симетричної системи згідно рівнянь (1.1) справедлива рівність:

(1.2.)

Отже, алгебраїчна сума миттєвих значень ЕРС симетричної трифазної системи дорівнює нулю.

Рис 1.3.

На мал. 1.4,а і б дані векторні діаграми для прямої та зворотної послідовності чергування фаз. З векторних діаграм і рівнянь 1.2. слідує, що . Таким чином, сума амплітуд або діючих значень ЕРС симетричної трифазної системи дорівнює нулю.

Послідовність у позначенні фаз системи А, Б, С не може бути випадковою, тому що вона визначається послідовністю зміни фазних ЕРС. Якщо ротор генератора обертати по годинниковій стрілці, то отримуємо послідовність чергування фаз ABC, тобто ЕРС фази В відстає по фазі від ЕРС фази А і ЕРС фази С відстає по фазі від ЕРС фази В. Таку систему ЕРС називають системою прямої послідовності. Якщо змінити напрямок обертання ротора генератора на протилежний, то послідовність чергування фаз буде зворотною. У генераторах ротори завжди обертаються в одному напрямку, внаслідок чого послідовність чергування фаз ніколи не змінюється. На практиці в генераторах звичайно застосовується пряма послідовність чергування фаз.

Від послідовності чергування фаз залежить напрямок обертання трифазних синхронних і асинхронних двигунів. Досить поміняти місцями дві будь-які фази двигуна, як виникає зворотна послідовність чергування фаз і, отже, протилежний напрямок обертання двигуна.

Послідовність фаз необхідно також враховувати при паралельному включенні трифазних генераторів.

---

2. Основні схеми з’єднання трьохфазних кіл.

Фазні обмотки трьохфазного генератора можна зєднати з трьома приймачами електроенергії шістьома проводами (рис.2.1).

Рис 2.1.

Таким чином, створюються три незалежні фазні кола, вони називаються незв'язаними. Незв'язана трифазна система практично не застосовується, але вона важлива для з'ясування співвідношень при об'єднанні фазних ланцюгів.

Кожна фазна обмотка електричної машини має два виводи. За початок фази обмотки генератора звичайно приймають вивід, до якого спрямована позитивна ЭРС. Позначаються початкові виводи залежно від фази символами A, B і С. Протилежні виводи називаються кінцями фаз обмоток і позначаються відповідно через х, у и z.

Через “початок” позитивно спрямований струм виходить із обмотки, а через “кінець” цей струм входить в обмотку.

При з'єднанні за схемою зірка всі кінці обмоток з'єднуються в одну точку, що називається нульовою або нейтральною і позначається буквою О або N. (рис 2.2.).

Рис 2 .2

Такий же вузол n утворює з'єднання трьох фаз навантаження, а три зворотних проводи фаз системи обєднуються в один загальний провід. Цей провід називається нульовим або нейтральним проводом. Згідно з першим законом Кірхгофа струм у нейтральному проводі дорівнює векторній сумі струмів трьох фаз системи:

(2.1)

Провід, який з'єднує початки фаз обмоток генератора з навантаженням називаються лінійними.

Кожну із трьох ЭРС генератора називають фазою генератора, кожну із трьох навантажень – фазою навантаження .

Струм, що протікає по фазі генератора або навантаження, називається фазним струмом відповідно генератора або навантаження, струм у лінійному проводі – лінійним струмом.

Струм у нульовому проводі називається нульовим. Якщо всі фази навантажені однаково, то фазні струми утворять симетричну систему струмів і, згідно рівняння (2.1.) їхня сума дорівнює нулю.

---

Напруга на фазі генератора або навантаження – фазна напруга. Напруга між лінійними проводами – лінійна.

Розглянемо співвідношення між фазними струмами і напругами.

При з'єднанні зіркою лінійні струми рівні фазним, тому що обмотка генератора і лінійний провід з'єднані послідовно.

I_л=I_ф

Складемо рівняння по другому закону Кірхгофа для напруг (рис2.2).

звідки

аналогічно

В загальному випадку:

Т аким чином, у трифазній системі, з'єднаній за схемою зірки, лінійні напруги більше фазних у раз.

Рис 2.4.

Наприклад, лінійна напруга 380 В, а фазна 220 В. Отже, в одному джерелі можна одержати дві напруги.

Кожний трифазний двигун рівномірно навантажує всі три фази і відповідно струм у нульовому проводі дорівнює нулю. Це дає можливість живити їх по трьохпроводній схемі без нульового провода. Але для побутового навантаження нульовий провід необхідний, так як в цьому випадку немає підстав розраховувати, що навантаження в кожній фазі буде однакове. У нульовому проводі чотирьох провідної освітлювальної системи (Рис.2.4) забороняється установка запобіжників або вимикачів, тому що при відключенні нульового провода фазні напруги на навантаженні можуть стати нерівними.

---