Трёхфазный переменный ток. Получение трёхфазного тока

Работающие в настоящее время электростанции производят трёхфазный ток. Главное его преимущество заключается в

лёгкости получения вращающегося магнитного поля. Вращающееся поле используется в самом простом и надёжном двигателе в мире – асинхронном (его также называют индукционным двигателем). Трёхфазный ток легко производить и экономично передавать.

Трёхфазной системой переменного тока называется совокупность трёх однофазных токов одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1/3 периода (или 120 градусов).

29. СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЙ

Если фазные обмотки генератора или потребителя соединить так, чтобы концы обмоток были соединены в одну общую точку, а начала обмоток присоединены к линейным проводам, то такое соединение называется соединением звездой и обозначается условным знаком Y. На рис. 173 обмотки генератора и потребителя соединены звездой. Точки, в которых соединены концы фазных обмоток генератора или потребителя, называются соответственно нулевыми точками генератора (0) и потребителя (0'). Обе точки 0 и 0' соединены проводом, который называется нулевым, или нейтральным, проводом. Остальные

три провода трехфазной системы, идущие от генератора к потре­бителю, называются линейными проводами. Таким образом, генератор соединен с потребителем четырьмя проводами. Поэтому эта система называется четырех проводной системой трехфазного тока.

Сравнивая несвязанную (см. рис. 172) и четырехпроходную (см. рис. 173) системы трехфазного тока, видим, что в первом слу­чае роль обратного провода выполняют три провода системы, а во втором — один нулевой провод. По нулевому проводу протекает ток, равный геометрической сумме трех токов:

Напряжения, измеренные между началами фаз генератора (или потребителя) и нулевой точкой (или нулевым проводом), называ­ются фазными напряжениями и обозначаются Uа,Uв, Uс, или в общем виде Uф. Часто задаются величины э. д. с. фазных обмоток генератора. Они обозначаются ЕА, Ев, Ее, или Еф. Если пренебречь сопротивлениями обмоток генератора, то можно записать:

Напряжения, измеренные между началами двух фаз: А и В, В и С, С и А — генератора или потребителя, называются линей­ными напряжениями и обозначаются Uab, Uвс, Uса, или в общем виде Uл. Стрелки, поставленные на рис. 173, показы­вают выбранное положительное направление тока, которое в ли­нейных проводах принято от генератора к потребителю, а в нулевом проводе — от потребителя к генератору.

Если присоединить зажимы вольтметра к точкам А и В, то он покажет линейное напряже­ние Uав. Так как положитель­ные направления фазных напря­жений Ua, Uв и Uс выбраны от начал фазных обмоток к их кон­цам, то вектор линейного на­пряжения U_АВ будет равен гео­метрической разности векторов фазных напряжений U_A и U_B:

Аналогично можно записать:

Иначе можно сказать, что мгновенное значение линейного на­пряжения равно разности мгновенных значений соответствующих фазных напряжений.

 

Рис.124.

На первом рисунке показан принцип получения однофазного тока и его форма. Здесь рамка вращается в поле постоянного магнита и в ней индуцируется синусоидальная ЭДС. Если мы возьмём 3 рамки, расположенных под углом 120˚ друг к другу, то в результате получим три ЭДС, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120˚. При этом предполагаем, что вращение происходит с постоянной скоростью. Если считать, что ЭДС первой фазной обмотки e1 начинается в начале периода, т.е. t = 0, то:

e₁ = Em₁∙sinωt, e₂ = Em2∙sin(ωt – 120˚),

e₃ = Em₃∙sin(ωt + 120˚).

На современных генераторах обычно сделано наоборот: фазные обмотки размещены в неподвижной части генератора – статоре, а магнитное поле создаётся вращающимся с одной скоростью ротором, который представляет собой электромагнит (рис.125). Векторная диаграмма и график трёхфазного тока представлены на рис.126.

30. СОЕДИНЕНИЕ ТРЕУГОЛЬНИКОМ

Кроме соединения звездой, генераторы, трансформаторы, дви­гатели и другие потребители трехфазного тока могут включаться треугольником.

На рис. 179 представлена несвязанная трехфазная система. Объединяя попарно провода несвязанной шестипроводной системы и соединяя фазы так, как указано на чертеже, переходим к трех­фазной трехпроводной системе, соединенной треугольником.

Как видно из рис. 180, соединение треугольником выполняется таким образом, чтобы конец фазы А был соединен с началом фазы В, конец фазы В соединен с началом фазы С и конец фазы С соединен с началом фазы А. К местам соединения фаз присоединяют линей­ные провода.

Если обмотки генератора соединены треугольником, то, как видно на рис. 180, линейное напряжение создает каждая фазная обмотка. У потребителя, соединенного треугольником, линейное

напряжение подключается к зажимам фазного сопротивления. Сле­довательно, при соединении треугольником фазное напряжение равно линейному:

Определим зависимость между фазными и линейными токами при соединении треугольником, если нагрузка фаз будет одинакова по величине и характеру.

Составляем уравнения токов по первому закону Кирхгофа для трех узловых точек А¹, В¹ и С¹ потре­бителя:

откуда

 

 

Отсюда видно, что линейные токи равны геометрической раз­ности фазных токов. При симметричной нагрузке фазные токи одинаковы по величине и сдвинуты один относительно другого на 120°. Производя вычитание векторов фазных токов согласно полученным уравнениям, получаем линейные токи (рис. 181). Зависимость между фазными и линейными токами при соедине­нии в треугольник показана на рис. 182:

Так как

то

 

Следовательно, при сим­метричной нагрузке, соеди­ненной треугольником, ли­нейный ток в аз боль­ше фазного тока.

На рис. 183 дана вектор­ная диаграмма токов и на­пряжений при равномерной активно-индуктивной нагрузке, соединенной треугольником. По­строение диаграммы производится следующим образом. В выб­ранном масштабе строим равносторонний треугольник линейных напряжений сети Uав, Ubc и Uас, которые равны фазным на­пряжениям потребителя. В сторону отставания под углами j_AB, j_BC, j_CA к линейным напряжениям U_AB, Uвс и Uса строим в масштабе векторы фазных токов I_AB, I_BC и I_CA.Затем, как было указано раньше, определяем линейные токи I_A, I_B и I_C.

У двигателей и у других потребителей трехфазного тока в большинстве случаев наружу выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на ко­торую и выводят все шесть концов.

На рис. 184 показана схема присоединения концов обмоток трехфазной машины к зажимам клеммной доски. Медные пере­мычки позволяют легко менять схему включения обмоток.

Если у нас есть двигатель, на паспорте которого написано 127/220 в, значит этот двигатель можно использовать на два напря­жения: 127 и 220 в.

Если линейное напряжение сети равно 127 в, то обмотки двига­теля необходимо включить треугольником (рис. 184, б). Тогда на обмотку каждой фазы двигателя будет подано напряжение 127 в. При напряжении 220 в обмотки двигателя нужно включить звез­дой (рис. 184, а), тогда обмотка каждой фазы также будет под на­пряжением 127 в.

 

 

31. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

Мощность, потребляемая нагрузкой от сети трехфазного тока, равна сумме мощностей, потребляемых отдельными фазами, т. е.

При равномерной нагрузке мощность, потребляемая каждой фазой,

где Uф — фазное напряжение,

Iф — фазный ток,

cos j — коэффициент мощности нагрузки.

Мощность, потребляемая всеми тремя фазами,

При соединении приемников энергии звездой соотношение меж­ду линейными и фазными значениями напряжений и токов:

 

Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой от трехфазной

 

При соединении приемников энергии треугольником соотношение между линейными и фазными значениями напряжений и токов:

 

 

Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой,

Таким образом, при равномерной нагрузке мощность, потребляе­мая от трехфазной сети, независимо от схемы включения нагрузки, выражается следующей формулой:

 

32. Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока (ГОСТ 16110-82).

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) изферромагнитного магнито-мягкого материала.

абота трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.