Способ соединения фаз генератора

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 U_ф будет меньше линейного напряжения U_л 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

U_л = 380 в; U_ф = 220 в

U_л = 220 в; U_ф = 127 в.

Из рисунка 70 видно, что ток в линейном проводе (I_л) равен току в фазе (I_ф)

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

Способы соединения фаз трехфазного генератора электрической энергии

Способы соединения фаз трехфазного генератора электрической энергии

В несвязанной трехфазной системе фазы генератора электрически не связаны друг с другом (рис. 3.3). В такой системе каждая фаза генератора соединяется с приемником (нагрузкой) двумя проводниками, т.е. в этом случае требуется шесть соединительных проводников.

Для уменьшения количества соединительных проводников используют связанные трехфазные системы, в которых фазы генератора соединяются между собой звездой или треугольником.

Соединение фаз генератора звездой

При соединении фаз генератора по схеме «звезда» концы фазных обмоток соединяются в общий узел , называемый нейтральной точкой (нейтралью) генератора (рис. 3.4). Начала фаз соединены с нагрузкой тремя проводами, образующими трехпроводную линию передачи. Поэтому их называют линейными, а такую трехфазную систему называют трехпроводной. В четырехпроводной трехфазной системе вводится дополнительный провод, соединяющий нейтральную точку генератора с нейтральной точкой нагрузки. Его называют нейтральным (нулевым рабочим) проводом.

При соединении фаз генератора по схеме «звезда» образуются два уровня напряжений: фазные и линейные.

Фазным напряжением называют напряжение между началом (фазным выводом) и концом фазы генератора, т.е. напряжение каждой фазы. При соединении фаз генератора но схеме «звезда» (рис. 3.4) фазными являются напряжения между началами фаз и нейтральной точкой генератора. Для идеального генератора считают фазные напряжения равными фазным ЭДС, т.е. . Если, как уже указывалось, за условное положительное направление ЭДС в каждой фазе генератора принимают направление от ее конца к началу, то за условное положительное направление фазного напряжения принимают направление от начала фазы к ее концу (рис. 3.4).

Фазные напряжения образуют симметричную систему напряжений. Их действующие значения одинаковы: комплексные действующие значения имеют вид:

Линейные напряжения — напряжения между фазными выводами генератора или между линейными проводами (рис. 3.4).

Для нахождения связи между линейными и фазными напряжениями запишем согласно с выбранными условными положительными направлениями линейных и фазных напряжений и в соответствии со вторым законом Кирхгофа уравнение для контура (рис.3.4) . Аналогично для контура и для контура Из этих выражений следует, что

Следовательно, комплексное линейное напряжение равно разности соответствующих комплексных фазных напряжений.

Построим топографическую диаграмму фазных и линейных напряжений при соединении фаз генератора по схеме «звезда».

Топографическая диаграмма — это векторная диаграмма, в которой определенным точкам цепи соответствуют определенные точки диаграммы. В ней вектор, соединяющий две точки, отображает напряжение между ними.

При построении топографической диаграммы (рис. 3.5) в качестве исходной (опорной) точки диаграммы возьмем нейтральную точку генератора. Из этой точки строим три вектора фазных напряжений .

Концы этих векторов — точки определяют комплексный потенциал линейных проводов генератора, т.е. напряжение этих проводов по отношению к нейтрали . Три вектора линейных напряжений на этой диаграмме изображаются векторами, соединяющими между собой точки . В соответствии с (3.4) эти векторы изображают разность векторов соответствующих фазных напряжений.

Для нахождения векторов линейных напряжений можно также непосредственно воспользоваться выражениями (3.4). Действительно, как следует из (3.4) для нахождения вектора необходимо сложить вектор и вектор —. После переноса вектора параллельно самому себе он соединит векторы фазных напряжений и .

На построенной таким образом топографической диаграмме (рис.3.5) векторы линейных напряжений образуют замкнутый треугольник, из которого следует, что сумма комплексных линейных напряжений всегда равна нулю, т.е.

и действующие значения линейных напряжений у симметричного трехфазного источника .

Из представленной на рис.3.5 топографической диаграммы

Таким образом, действующее значение линейного напряжения генератора, фазы которого соединены звездой, в раз превышает действующее значение его фазного напряжения, т.е.

Из представленной на рис.3.5 топографической диаграммы также следует, что каждое линейное напряжение генератора опережает по фазе соответствующее ему фазное напряжение на 30°:

Соединение фаз генератора треугольником

При соединении фаз генератора треугольником конец обмотки соединяется с началом обмотки , конец этой обмотки соединяется с началом обмотки , конец которой соединяется с началом обмотки (рис. 3.6).

Линейные (фазные) провода образуют трехпроводную линию электропередачи и линейные напряжения тождественно равны фазным.

При симметричных обмотках , внутренние токи в обмотках генератора не возникают. Однако при отклонении формы ЭДС от синусоидальной сумма ЭДС становится не равной нулю и в обмотках генератора возникает большой, часто разрушительный ток даже при работе генератора в режиме холостого хода, т.е. при отсутствии нагрузки. По этой причине для генераторов соединении обмоток треугольником используется очень редко.

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник