Соединение фаз треугольником
При соединении фазных обмоток трехфазного генератора треугольником (рис. 1) начало Н’ одной фазы соединяют с концом К» другой, начало другой Н» — с концом третьей К'» и начало третьей Н'» фазы соединяют с концом первой Н’.
Фазные обмотки генератора образуют замкнутый контур с малым внутренним сопротивлением. Но при симметричных э. д. с. (равных по величине и одинаково сдвинутых друг относительно друга) в фазах и при отключенной внешней цепи ток в этом контуре равен нулю, так как сумма трех симметричных э. д. с. в любой момент равна нулю. При таком соединении напряжения между линейными проводами равны напряжениям на фазных обмотках:
Если все три фазы генератора нагружены совершенно одинаково, то в линейных проводах текут равные токи. Каждый из этих линейных токов равен геометрической разности токов в двух смежных фазах. Так, вектор линейного тока I с равен геометрической сумме векторов в фазах I са и I с b (рис. 2, а). Векторы фазных токов сдвинуты друг относительно друга на угол 120° (рис. 2,б).
Рис. 1. Соединение обмоток генератора треугольником.
Из рисунка 2, б следует, что абсолютная величина линейного тока
Аналогично обмоткам генератора трехфазную нагрузку можно включать в звезду и треугольник.
Рис. 2. Векторная диаграмма токов.
Так, трехфазные электрические двигатели рассчитаны на соединение обмоток в зависимости от напряжения в сети в звезду Y или в треугольник Δ.
Если в сети нет нулевого провода и, таким образом, потребитель имеет в своем распоряжении три линейных напряжения, он может искусственно создать фазные напряжения. Для этой цели три одинаковых сопротивления (нагрузки) включают в сеть по схеме звезда. Каждая из этих нагрузок окажется включенной на фазное напряжение (рис. 3):
Соединение обмоток генератора по схеме треугольник применяют главным образом на передвижных электростанциях небольшой мощности с ограниченной по протяженности сетью (электростанции электростригальных агрегатов и др.).
В четырехпроводной трехфазной системе нулевой провод надежно заземлен на электростанции, на ответвлениях сети и через определенные расстояния по линии. Этот провод используется для заземления металлических корпусов токоприемников у потребителя.
Рис. 3. Включение трех равных по сопротивлению токоприемников по схеме звезда в три линейных провода.
Рис. 4. Схема включения в трехфазную четырехпроводную сеть осветительной (220 В) и силовой (380 В) нагрузок.
На рисунке 4 приведена схема включения в трехфазную четырехпроводную сеть осветительной и силовой нагрузок. Осветительная нагрузка включена на фазное напряжение 220 В. Стремятся равномерно загрузить однофазной нагрузкой все три фазы. С этой целью по одной улице населенного пункта для освещения проводят одну фазу с нулевым проводом, по другой — вторую фазу и нулевой провод, по третьей — третью и нулевой провод и т. д. Силовую нагрузку (электродвигатели, сварочные трансформаторы), а также мощные нагревательные трехфазные приборы включают на линейное напряжение.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Как соединить фазы токоприемника звездой
На рисунке 7.7. приведена схема соединения фаз генератора звездой. Условное обозначение этой схемы Y. Концы К всех трех фаз объединяют в общую точку, называемую нейтральной (нулевой). Если от генератора отводят только три провода — А, В, С, то такую систему называют трехфазной трехпроводной. Если отводят также четвертый, нейтральный, провод N, то систему называют трехфазной четырехпроводной. Нейтральную точку генератора, а следовательно, и нейтральный провод надежно заземляют.
Ток, протекающий по нейтральному проводу, равен алгебраической сумме токов в трех фазах:
Следовательно, ток в нейтральном проводе появится только тогда, когда фазы будут нагружены неравномерно. По абсолютному значению ток i n всегда меньше, чем ток в любой из фаз, если нагрузка включена во все фазы. Поэтому сечение нейтрального провода принимают меньшим, чем сечение фазных проводов. Только в том случае, когда нагрузка введена между одной из фаз и нейтральным проводом, а к другим фазам нагрузка не подключена, ток в нагруженной фазе равен току в нейтральном проводе.
Напряжение между любой из фаз и нейтральным проводом называют фазным и обозначают символом Uф. Оно равно напряжению между началом каждой из фаз и ее концом (рис. 7.8).
Напряжение между фазными проводами называют линейным и обозначают символом Uл. Оно равно геометрической разности двух фазных напряжений (рис. 7.7):
Абсолютное значение линейного напряжения может быть определено из треугольника векторов АОС. Основание этого треугольника АС равно линейному напряжению:
Таким образом, в трехфазной четырехпроводной системе образуется два напряжения: Uф — фазное и Uл — линейное. Линейное напряжение больше, чем фазное, в √3 = 1,73 раза. Ток Iл в линейном проводе равен по значению и направлению току 1Ф в фазной обмотке.
Принятые в нашей стране стандартные значения напряжений потребительских сетей приведены в таблице 7.1. Как видно из таблицы 7.1, напряжение источника электроснабжения (генератора или вторичной стороны трансформатора) берут всегда на 5% больше номинального сетевого напряжения с учетом того обстоятельства, что около 5% напряжения будет потеряно в линии. Это делают для того, чтобы подать потребителям электроэнергию номинального напряжения и обеспечить их удовлетворительную работу.
В сельском хозяйстве наибольшее распространение получила трехфазная четырехпроводная система 380/220 В, то есть система с линейным Uл = 380 В и фазным Uф =220 В напряжениями. Три фазы с напряжением между ними 380 В используют для питания электрических двигателей и трехфазных нагревательных приборов, а напряжение между фазой и нейтральным проводом 220 В — для питания источников света и бытовых электроприборов. Напряжение 220/127 В применяется там, где осталось старое оборудование на данное напряжение или преобладает осветительная нагрузка.
Напряжение 36 В применяется для стационарного местного освещения и ручных переносных ламп в помещениях с повышенной опасностью. Но при особо неблагоприятных условиях в отношении опасности поражения током (при работе в резервуарах, котлах, в силосных башнях) для ручных переносных ламп применяется напряжение 12 В.
В связи с ростом единичной и средней мощности электроприемников и ростом производственных площадей, а следовательно, и увеличением протяженности внутренних проводок в стандарт наряду с напряжением 380 В введено напряжение 660 В, равное √3 — 380. Это позволяет применять одни и те же двигатели с переключением обмоток с треугольника на звезду, что облегчает внедрение напряжения 660 В. Пропускная способность сети при напряжении 660 В выше в √3 раза, чем при 380 В. Потери же электроэнергии в сети при одном и том же расходе металла на провода ниже в 3 раза. Улучшается также качество напряжения, упрощается схема и возрастает надежность электроснабжения.
Как соединить фазы токоприемника звездой
ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Элементы трехфазной цепи
Трехфазный генератор.
В настоящее время электрическая энергия переменного тока вырабатывается, передается и распределяется между отдельными токоприемниками в системе трехфазных цепей.
Системой трехфазных цепей называют такую совокупность электрических цепей, в которой токоприемники получают питание от общего трехфазного генератора.
Трехфазным называется такой генератор, который имеет обмотку, состоящую из трех частей. Каждая часть этой обмотки называется фазой. Поэтому эти генераторы и получили название трехфазных.
- 1) в смысле определенной стадии периодического колебательного процесса и
- 2) как наименование части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).
Для уяснения принципа действия трехфазного генератора обратимся к модели, схематически изображенной на рисунке 64. Модель состоит из статора, изготовленного в виде стального кольца, и ротора — постоянного магнита. На кольце статора расположена трехфазная обмотка с одинаковым числом витков в каждой фазе. Фазы обмотки смещены в пространстве одна относительно другой на угол 120°.
Представим себе, что ротор модели генератора приведен во вращение с постоянной скоростью против движения часовой стрелки. Тогда, вследствие непрерывного движения полюсов постоянного магнита относительно проводников обмотки статора, в каждой ее фазе будет наводиться э.д.с.
Применяя правило правой руки, можно убедиться, что э. д. с., наводимая в фазе обмотки северным полюсом вращающегося магнита, будет действовать в одном направлении, а наводимая южным полюсом — в другом. Следовательно, э.д.с. фазы генератора будет переменной.
Крайние точки (зажимы) каждой фазы генератора всегда размечают: одну крайнюю точку фазы называют началом, а другую — концом. Начала фаз обозначают латинскими буквами A, B, C, а концы их соответственно — X, Y, Z. Наименования «начало» и «конец» фазы дают, руководствуясь следующим правилом: положительная э. д. с. генератора действует в направлении от конца фазы к ее началу.
Э.д.с. генератора условимся считать положительной, если она наведена северным полюсом вращающегося магнита. Тогда разметка зажимов генератора для случая вращения его ротора против движения часовой стрелки должна быть такой, как показано на рисунке 64.
При постоянной скорости вращения полюсов ротора амплитуда и частота э.д.с., создаваемых в фазах обмотки статора, сохраняются неизменными. Однако в каждое мгновение величина и направление действия э.д.с. одной из фаз отличаются от величины и направления действия э.д.с. двух других фаз. Это объясняется пространственным смещением фаз. Все явления во второй фазе повторяют явления в первой фазе, но с опозданием. Говорят, что э. д. с. второй фазы отстает во времени от э.д.с. первой фазы. Они, например, в разное время достигают своих амплитудных значений. Действительно, наибольшее значение э.д.с., — наведенной в какой-либо фазе, будет в тот момент, когда центр полюса ротора проходит середину этой фазы. В частности, для момента времени, соответствующего расположению ротора, показанному на рисунке 64, электродвижущая сила первой фазы генератора будет положительной и максимальной. Положительное максимальное значение э.д.с. второй фазы наступит позже, когда ротор повернется на угол 120°. Поскольку за один оборот двухполюсного ротора генератора происходит полный цикл изменения э.д.с., то время T одного оборота является периодом изменения э.д.с. Очевидно, что для поворота ротора на 120° необходимо время, равное одной трети периода (T/3).
Следовательно, все стадии изменения э.д.с. второй фазы наступают позже соответствующих стадий изменения э.д.с. первой фазы на одну треть периода. Такое же отставание в периодическом изменении э.д.с. наблюдается в третьей фазе по отношению ко второй. Само собой разумеется, что по отношению к первой фазе периодические изменения э.д.с. третьей фазы совершаются с опозданием на две трети периода (2/3 T).
Путем придания соответствующей формы полюсам магнитов можно добиться изменения э.д.с. во времени по закону, близкому к синусоидальному.
Следовательно, если изменение э.д.с. первой фазы генератора происходит по закону синуса
e1 = Eмsinωt ,
то закон изменения э.д.с. второй фазы может быть записан формулой
e2 = Eм sinω (t − T/3) ,
а третьей — формулой
e3 = Eм sinω (t − 2/3 T) ,
С казанное иллюстрирует график рисунка 65.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: при равномерном вращении полюсов ротора во всех трех фазах генератора наводятся переменные э.д.с. одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых по отношению друг к другу совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.
Трехфазные токоприемники.
Трехфазный генератор служит источником питания как однофазных, так и трехфазных электрических устройств. Однофазные токоприемники, как известно, имеют два внешних зажима. К ним относятся, например, осветительные лампы, различные бытовые приборы, электросварочные аппараты, индукционные печи, электродвигатели с однофазной обмоткой.
Трехфазные устройства в общем случае имеют шесть внешних зажимов. Каждое такое устройство состоит из трех, обычно одинаковых, электрических цепей, которые называются фазами. Примерами трехфазных токоприемников могут служить электрические дуговые печи с тремя электродами или электродвигатели с трехфазной обмоткой.
Способы соединения фаз генератора и токоприемника
Несвязанная и связанная трехфазные цепи.
Трехфазную цепь называют несвязанной, если каждая фаза генератора независимо от других соединена двумя проводами со своим токоприемником (рис. 66). Основной недостаток несвязанной трехфазной цепи заключается в том, что для передачи энергии от генератора к приемникам нужно применять шесть проводов. Число проводов может быть уменьшено до четырех или даже до трех, если фазы генератора и токоприемников соединить между собой соответствующим способом. В этом случае трехфазную цепь называют связанной трехфазной цепью.
Н а практике почти всегда применяют связанные трехфазные цепи, как более совершенные и экономичные. Существует два основных способа соединения фаз генератора и фаз приемников: соединение звездой и соединение треугольником.
При соединении фаз генератора звездой (рис. 67, а) все «концы» фазных обмоток X, Y, Z соединяют в одну общую точку 0, называемую нейтральной* или нулевой точкой генератора.
На рисунке 67, б схематически показаны три фазы генератора в виде катушек, оси которых смещены в пространстве одна относительно другой на угол 120°.
Напряжение между началом и концом каждой фазы генератора называют фазным напряжением, а между началами фаз — линейным.
Поскольку фазные напряжения изменяются во времени по синусоидальному закону, то линейные напряжения также будут изменяться по синусоидальному закону. Условимся за положительное направление действия линейных напряжений считать то направление, когда они действуют: от зажима A первой фазы к зажиму B второй фазы; от зажима B второй фазы к зажиму C третьей фазы; от зажима C третьей фазы к зажиму A первой фазы. Эти три условно положительных направления действия линейных напряжений на рисунке 67, б показаны стрелками.
Расчеты и измерения показывают, что действующее значение линейного напряжения генератора, три фазы которого соединены в звезду, в √3 раз больше действующего значения фазного напряжения.
* Латинское neutralis — не принадлежащий ни к тому, ни к другому роду.
Соединение фаз токоприемников зведой.
Для передачи энергии от генератора, соединенного звездой, к однофазным или трехфазным токоприемникам, в общем случае нужны четыре провода. Три провода присоединяют к началам фаз генератора (A, B, C). Эти провода называют линейными проводами. Четвертый провод соединяют с нейтральной точкой (0) генератора и называют нейтральным (нулевым) проводом.
Трехфазная цепь с нейтральным проводом дает возможность использовать два напряжения генератора. Приемники в такой цепи можно включать между линейными проводами на линейное напряжение или между линейными проводами и нейтральным проводом на фазное напряжение.
На рисунке 68 показана схема включения токоприемников, рассчитанных на фазное напряжение генератора. В этом случае фазы токоприемников будут иметь общую точку соединения — нейтральную точку 0′, а токи в линейных проводах (линейные токи) будут равны токам в соответствующих фазах нагрузки (фазным токам).
Каждая фаза нагрузки может быть образована как одним токоприемником, так и несколькими токоприемниками, включенными между собой параллельно (рис. 69).
Если фазные токи и углы сдвига фаз этих токов по отношению к фазным напряжениям одинаковы, то такая нагрузка называется симметричной. Если хотя бы одно из указанных условий не соблюдается, то нагрузка будет несимметричной.
Симметричная нагрузка может быть создана, например, лампами накаливания одинаковой мощности. Допустим, что каждая фаза нагрузки образована тремя одинаковыми лампами (рис. 70).
Путем непосредственных измерений можно убедиться, что при включении нагрузки звездой с нейтральным проводом напряжение на каждой фазе нагрузки Uф будет меньше линейного напряжения Uл в √3 раз, подобно тому, как это было при включении звездой фаз обмоток генератора
На практике широкое распространение получили трехфазные цепи с нейтральными проводами при напряжениях
Uл = 380 в; Uф = 220 в
Uл = 220 в; Uф = 127 в.
Из рисунка 70 видно, что ток в линейном проводе (Iл) равен току в фазе (Iф)
Iл = Iф .
Величина тока в нейтральном проводе при симметричной нагрузке равна нулю, в чем можно убедиться также путем непосредственного измерения.
Но если ток в нейтральном проводе отсутствует, то зачем же нужен этот провод?
Для выяснения роли нейтрального провода проделаем следующий опыт. Допустим, что в каждой фазе нагрузки имеется по три одинаковых лампы и одному вольтметру, а в нейтральный провод включен амперметр (см. рис. 70). Когда в каждой фазе включены по три лампы, то все они находятся под одним и тем же напряжением и горят с одинаковым накалом, а ток в нейтральном проводе равен нулю. Изменяя число включенных ламп в каждой фазе нагрузки, мы убедимся в том, что фазные напряжения не изменяются (все лампы будут гореть с прежним наклоном), но в нейтральном проводе появится ток.
Отключим нейтральный провод от нулевой точки приемников и повторим все изменения нагрузки в фазах. Теперь мы заметим, что большее напряжение будет приходиться на ту фазу, сопротивление которой больше других, то есть, где включено меньшее количество ламп. В этой фазе лампы будут гореть с наибольшим накалом и даже могут перегореть. Это объясняется тем, что в фазах нагрузки с большим сопротивлением происходит и большее падение напряжения.
С ледовательно, нейтральный провод необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки, когда сопротивления этих фаз различны.
Благодаря нейтральному проводу, каждая фаза нагрузки оказывается включенной на фазное напряжение генератора, которое практически не зависит от величины тока нагрузки, так как внутреннее падение напряжения в фазе генератора незначительно. Поэтому напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически неизменным при изменениях нагрузки.
Если сопротивления фаз нагрузки будут равными по величине и однородными, то нейтральный провод не нужен (рис. 70). Примером такой нагрузки являются симметричные трехфазные токоприемники.
Обычно осветительная нагрузка не бывает симметричной, поэтому без нейтрального провода ее не соединяют звездой (рис. 71). Иначе это привело бы к неравномерному распределению напряжений на фазах нагрузки: на одних лампах напряжение было бы выше нормального и они могли бы перегореть, а другие, наоборот, находились бы под пониженным напряжением и горели бы тускло.
По этой же причине никогда не ставят предохранитель в нейтральный провод, так как перегорание предохранителя может вызвать недопустимые перенапряжения на отдельных фазах нагрузки (см. рис. 71).
Соединение фаз токоприемников треугольником.
Если три фазы нагрузки включить непосредственно между линейными проводами, то мы получим такое соединение фаз токоприемников, которое называется соединением треугольником (рис. 72). Допустим, что первая фаза нагрузки R1 включена между первым и вторым линейными проводами; вторая R2 — между вторым и третьим проводами, а третья R3 — между третьим и первым проводами. Нетрудно видеть, что каждый линейный провод соединен с двумя различными фазами нагрузки.
С оединять треугольником можно любые нагрузки. На рисунке 73 дана более общая схема соединения фаз нагрузки треугольником. Соединение треугольником осветительной нагрузки жилого дома показано на рисунке 74. При соединении фаз нагрузки треугольником напряжение на каждой фазе нагрузки равно линейному напряжению
Uл = Uф .
Это соотношение сохраняется и при неравномерной нагрузке.
Линейный ток при симметричной нагрузке фаз, как показывают измерения, будет больше фазного тока в √3 раз
Однако следует иметь в виду, что при несимметричной нагрузке фаз это соотношение между токами нарушается.
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 √3 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 машины. Именно поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой.
Приемники электрической энергии независимо от способа соединения обмоток генератора могут быть включены либо звездой, либо треугольником. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников.
При использовании материалов ссылка на «Электромонтер.инфо» — обязательна.
Контрольные вопросы.
Лабораторная работа №7 Исследование трехфазной цепи при соединении электроприемников треугольником.
Цель работы. 1. Выявить особенности трехфазных систем при соединении фаз звездой и треугольником. 2. По опытным данным построить векторные диаграммы при симметричной и несимметричной нагрузке фаз.
Общие теоретические положения. Каждая фаза приемника при соединении треугольником (рис. 1) подключена к двум линейным проводам. Поэтому независимо от значения и характера сопротивлений приемника каждое фазное напряжение равно соответствующему линейному напряжению UФ=UЛ.
Ток каждого приемника, входящего в соединение треугольника, является фазным: IФ=UФ/ZФ где UФ — фазное напряжение данного приемника ZФ — его полное сопротивление.
Фазные токи IAB, IBC, ICA в общем случае не равны линейным токам IA, IB, IC. Применяя первый закон Кирхгофа к узловым токам А, В и С, можно получить следующие соотношения между линейными и фазными ток IA=IABICA, IB=IBCIAB, IC=ICAIBC.
Нагрузку называют симметричной, если ZAB, ZBC, ZCA приемников одинаковы: ZAB=ZBC=ZCA=ZФ; сдвиги фаз AB, BC, и CA между фазными напряжениями и соответствующими им фазными токами равны между собой: AB=BC=CA=. При симметричной нагрузке фазные напряжения UAB, UBC, UCA одинаковы, фазные токи IAB, IBC и ICA равны между собой, сдвиги фаз между напряжениями и токами UAB и IAB, UBC и IBC, UCA и ICA одинаковы и определяются по формуле =arctg(хФ/RФ), где хФ — реактивное сопротивление фазных нагрузок; RФ — ее активное сопротивление.
Векторные диаграммы фазных (линейных) напряжений, а также фазных и линейных токов при симметричной активно-индуктивной нагрузке приведены на рис. 2.
При симметричной нагрузке равные линейные токи отстают от соответствующих фазных токов на /6 и превышают их в раз, т. е. . При несимметричной нагрузке, имеющей место при .несоблюдении равенства ZABZBCZCA или ABBCCA либо обоих равенств. нарушается симметрия как фазных, так и линейных токов. Векторная диаграмма для случая, когда в фазе АВ имеется активная нагрузка, в фазе ВС—активно-индуктивная, а в фазе СА — активно-емкостная, приведена на рис.3.
Всякое изменение нагрузку одной из фаз при соединении приемников треугольником вызывает одновременное изменение соответствующих фазного и двух линейных токов, однако не влияет на фазные напряжения и токи других фаз, а также на третий линейный ток.
Обрыв линейного провода нарушает нормальный режим работы трехфазной цепи. При этом приемники одной фазы находятся под номинальным фазным напряжением, а приемники двух других фаз оказываются последовательно соединенными и находятся под этим же напряжением. Фазные напряжения этих приемников прямо пропорциональны их полным сопротивлениям, т.е. приемники оказываются под напряжением, отличающимся от номинального значения фазного напряжения.
Приборы и оборудование: источник питания (трехфазная трехпроводная сеть напряжением 127 или 220 В), три ламповых реостата, трехполюсныи автоматический выключатель, шесть амперметров электромагнитной системы, вольтметр электромагнитной системы со щупами, соединительные провода.
Порядок выполнения работы.
- Ознакомиться с приборами и оборудованием, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики.