3.3 Основные схемы соединения трехфазного генератора и нагрузки
Если к каждой фазе генератора при помощи двух проводов присоединить нагрузочные сопротивления, то образуется три электрически не связанные цепи однофазного синусоидального тока.
За положительные направления в трехфазных цепях принимают:
- для ЭДС – от концов фаз к началам;
- для токов – от генератора к нагрузке.
Несвязанные трехфазные цепи не нашли применения из-за их неэкономичности (большое число проводов). Практически в реальных трехфазных системах цепи отдельных фаз объединяются в общую систему по схеме «звезда» или «треугольник». При этом число соединительных проводов уменьшается до трех, четырех и возможны пять простейших способов соединения трехфазного генератора и нагрузки: звезда – звезда; звезда – звезда с нейтральным проводом; звезда – треугольник; треугольник – звезда; треугольник – треугольник.
3.3.1 Соединение по схеме звезда
3.3.2 Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме треугольник
3.3.1 Соединение по схеме звезда
При соединении фаз генератора или обмоток трехфазного трансформатора в звезду их концы x,y,z соединяют в одну общую точку N, называемую нулевой или нейтральной. Начала фаз выводят на клеммную колодку, куда подключают провода, соединяющие генератор с приемником. Эти провода образуют трехфазную линию и называются линейными (рис.3.4).
Рисунок 3.4 – Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме звезда
Если нейтральная точка генератора соединена с нейтральной точкой нагрузки, то образуется четырехпроводная трехфазная цепь. Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и нагрузки называется нулевым или нейтральным.
Токи, текущие по линейным проводам, называют линейными токами и обозначают IА;IB;IC — IЛ
Напряжения между линейными проводами называют линейными напряжениями и обозначают UАB;UBC;UCA — UЛ.
Нагрузка, как и фазы генератора, может быть соединена в звезду. При этом каждое из трех сопротивлений нагрузки zА;zB;zC называется фазой нагрузки. Токи, текущие по фазам нагрузки, называют фазовыми токами IА;IB;IC — IФ, а напряжения на фазах нагрузки – фазовыми напряжениями UА;UB;UC — UФ.
При соединении генератора в звезду:
а) линейные напряжения по модулю в √3 больше фазовых напряжений генератора:
б) линейный ток генератора равен его фазовому току:
При соединении нагрузки в звезду:
а) линейный ток равен фазовому:
б) линейные напряжения связаны с фазовыми соотношениями:
В симметричной трехфазной системе 
. Тогда
Если нагрузочные сопротивления одинаковы по величине и характеру, то такая нагрузка называется равномерной.
При равномерной нагрузке:
и нейтральный провод можно изъять без изменения режима работы цепи.
Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки показана на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки
3.3.2 Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме треугольник
Чтобы соединить фазы трехфазного генератора (или трансформатора) в треугольник, нужно конец каждой фазы подключить к началу следующей (рис.3.6). При таком соединении симметричного генератора с отключенной нагрузкой внутри него никаких токов нет, так как
Рисунок 3.6 – Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме треугольник
При соединении по схеме «треугольник – треугольник» фазовые напряжения генератора и приемника одновременно являются линейными, т.е.
Линейные и фазовые токи отличаются. Для получения соотношений между ними следует единообразно выбрать их направления:
а) для линейных токов – от генератра к нагрузке;
б) для фазовых – по часовой стрелке.
Из этих соотношений видно, что при равномерной нагрузке 
При равномерной нагрузке линейный ток по модулю в √3 больше фазового.
Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки показана на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки
Источник
№38 Способы соединения фаз трехфазных приемников.
Приемники трехфазного тока могут подключаться к генератору по двум схемам – звезды (y) и треугольника (Δ). Как известно, на выходе трехфазного генератора получаются два напряжение (линейное и фазное), отличающиеся в Uл/Uф = √3 раз. С другой стороны каждый приёмник энергии рассчитан на работу при определенном напряжении, которое называется номинальным. Схема соединения фаз приемника должна обеспечить подключение его фаз номинальное фазное напряжение. Таким образом, выбор схемы соединения фаз трехфазного приемника зависит от соотношения номинальных напряжений приемника и генератора (сети).
Схема звезды применяется в том случае, если номинальное напряжение приемника соответствует (равно) фазному напряжению генератора. При соединении в звезду концы фаз приемника объединяются в одну точку “n”, называемую нулевой или нейтральной, а начала фаз подключаются к линейным выводам трехфазного генератора А, В, С линейными проводами. Если нулевая точка приемника “n” соединена с нулевой точкой генератора “N” нулевым проводом, то схема получила название звезды с нулевым проводом (рис. 38.1а). При отсутствии нулевого провода схема носит название звезды без нулевого провода (рис. 38.1б).
Токи, протекающие в линейных проводах по направлению от генератора к приемнику, называются линейными.
Токи, протекающие в фазах приемника по направлению от начал к концам, называются фазными. В схеме звезды фазы приемника включены последовательно с линейными проводами и по ним протекают одни и те же токи (IA, IB, IC). Поэтому для схемы звезды понятия линейные и фазные токи тождественны: IЛ = IФ.
Ток, протекающий в нулевом проводе от приемника к генератору, называется нулевым или нейтральным (IN).
Напряжения между началами и концами фаз приемника называются фазными (UAn, UBn, UCn), а напряжения между началами фаз – линейными (UAB, UBC, UCA). Линейные напряжения приемника и генератора тождественно равны.
В схеме звезды с нулевым проводом (рис. 38.1а) к каждой фазе приемника подводится непосредственно фазное напряжение генератора (UAN = UAn = UA, UBN = UBn = UB, UCN = UCn = UC), каждая из фаз при этом работает независимо друг от друга, а линейные (фазные) токи определяются по закону Ома:
Ток в нулевом проводе в соответствии с первым законом Кирхгофа равен геометрической сумме линейных (фазных) токов:
При симметричной нагрузке ZA=ZB=ZC ток в нулевом проводе IN=0 и, следовательно, надобность в нeм отпадает. Симметричные трехфазные приемники (например, трехфазные электродвигатели) включаются по схеме звезды без нулевого провода.
При несимметричной нагрузке относительная величина тока в нулевом проводе зависит от характера и степени не симметрии фазных токов. Как правило, трехфазные приёмники стремятся спроектировать по возможности близкими к симметричным, поэтому ток в нулевом проводе в реальных условиях значительно меньше линейных (фазных) токов.
схеме звезды без нулевого провода (рис. 38.1б) при любой нагрузке фаз должно выполняться условие первого закона Кирхгофа:
Из уравнения следует вывод, что изменение одного из токов влечет изменение двух других токов, то есть отдельные фазы работают в зависимом друг от друга режиме. При несимметричной нагрузке потенциал нулевой точки приемника Un становится не равным нулю, он “смещается” на комплексной плоскости с нулевого положения, при этом фазные напряжения приемника (UAn, UBn, UCn) не равны соответствующим фазным напряжениям генератора (UA, UB, UC), происходит так называемый перекос фазных напряжений приемника (рис. 38.2).
Расчет токов и напряжений в схеме звезды без нулевого провода выполняется в следующей последовательности.
Определяется напряжение (потенциал) нейтральной точки приемника по методу двух узлов:
где ZN — комплексное сопротивление нулевого провода, при его отсутствии ZN=∞.
Фазные напряжения приемника определяются как разности потенциалов соответствующих точек:
UAn=UA-Un, UBn=UB-Un , UCn=UC-Un.
Фазные токи приемника определяются по закону Ома:
Комплексные мощности фаз приемника:
Режим работы приемника с перекосом фазных напряжений является ненормальным и может привести его к выходу из строя. По этой причине несимметричную трехфазную нагрузку запрещается включать по схеме звезды без нулевого провода (например, осветительную нагрузку).
Схема треугольника применяется в том случае, если номинальное фазное напряжение приемника соответствует (равно) линейному напряжению генератора. При соединении в треугольник конец каждой фазы соединяется с началом последующей, а точки соединения (вершины треугольника) подключаются к линейным выводам трехфазного генератора А, В, С линейными проводами (рис.38.3).
Токи, протекающие в фазах приемника по направлению от их начал к концам, называются фазными (IAB, IBC, ICA). Токи, протекающие в линейных проводах по направлению от генератора к приемнику, называются линейными (IA, IB, IC).
В схеме треугольника фазные и линейные напряжения приемника тождественно равны (UAB, UBC, UCA). В этой схеме к каждой фазе приемника подводится непосредственно линейное напряжение генератора, при этом отдельные фазы работают независимо друг от друга. Фазные токи определяются по закону Ома:
Линейные токи определяются из уравнений первого закона Кирхгофа для вершин треугольника, они равны геометрической разности фазных токов:
IA=IAB-ICA; IB=IBC-IAB; IC=ICA-IBC.
В симметричном режиме фазные и линейные токи симметричны, при этом отношение их модулей составляет IЛ/IФ = √3 .
При несимметричной нагрузке соотношение между линейными и фазными токами определяется уравнениями первого закона Кирхгофа. На рис. 38.4 показана векторная диаграмма токов и напряжений для произвольной трехфазной цепи при соединении фаз в треугольник.
Источник
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.
На 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)
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.
Следовательно, 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.
 |
 |
Соединять 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
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.
Источник
