Теоретические основы электротехники (В. Дрючин)

3

ТРИФАЗНІ ЛАНЦЮГИ СИНУСОЇДАЛЬНОГО СТРУМУ

Робоча програма

Загальні положення

Основні співвідношення

Типові приклади

Розрахунок трифазного ланцюга при з'єднанні зіркою

Розрахунок трифазного ланцюга при з'єднанні трикутником

Контрольне завдання 3

61

3.ТРИФАЗНІ ЛАНЦЮГИ СИНУСОЇДАЛЬНОГО СТРУМУ

3.1Робоча програма

1.Поняття про трифазні джерела живлення й про багатофазні ланцюги. Одержання трифазної системи ЕРС. Тимчасова й векторна діаграма трифазної системи ЕРС. Переваги трифазних систем.

2.Трифазний ланцюг. Основні схеми з'єднання трифазних ланцюгів, ви-

значення лінійних і фазних величин. Співвідношення між лінійними

йфазними напругами й струмами (для генератора й навантаження).

3.Розрахунок несиметричних трифазних ланцюгів, включених за схемою зірка-зірка з нульовим проводом; за схемою зірка-зірка без ну-

льового проводу.

4.Розрахунок несиметричних трифазних ланцюгів, включених за схе-

мою трикутник.

5.Розрахунок симетричних трифазних ланцюгів.

6.Аномальні випадки несиметрії: обрив фаз і проводів, коротке замикання фаз. Роль нейтрального проводу.

7.Активна, реактивна й повна потужності в трифазних ланцюгах. Вимірювання активної й реактивної потужностей у трифазних ланцюгах.

8.Обертаюче магнітне поле. Принципи дії асинхронного й синхронного двигунів.

9.Поняття про метод симетричних складових. Симетричної складової несиметричної трифазної системи величин. Опори фази різних при-

ймачів струмам прямої, зворотної й нульової послідовності.

10.Розрахунок трифазних ланцюгів методом симетричних складових.

Фільтри симетричних складових.

3.2 Загальні положення

Генерування й споживання електричної енергії більшою мірою здійснюється з використанням трифазних систем ЕРС, напруг і струмів.

З урахуванням цього, вивчення процесів, що відбуваються в трифазних ланцюгах, а також оволодіння методами розрахунку цих ланцюгів має велике значення для бакалавра - електрика.

62

При вивченні трифазних електричних кіл необхідно, у першу чергу, усвідомити поняття трифазного ланцюга як різновиду багатофазного електричного кола, мати уявлення про тимчасову й векторну форми запису трифазної системи ЕРС і їхнє одержання.

Перш ніж розглядати методи розрахунку трифазних електричних кіл, необхідно розібратися зі схемами з'єднань обмоток трифазних дже-

рел і трифазних споживачів, усвідомити поняття фази, лінійних і фазних напруг і струмів, лінійних і нейтральних проводів, засвоїти співвідно-

шення між лінійними й фазними струмами й напругами при з'єднанні за схемою “зірка” і за схемою “трикутник”. Необхідно також чітко розріз-

няти симетричні й несиметричні електричні кола і їхні особливості, чітко представляти призначення нейтрального проводу. Усвідомивши ос-

новні моменти, необхідно переходити до вивчення методів розрахунку трифазних електричних кіл.

Слід зазначити, що для розрахунку трифазних електричних кіл можна використовувати застосування комплексних чисел будь-яких з методів розрахунку складних електричних кіл змінних і однофазного синусоїдального струмів. Однак універсальним методом розрахунку трифазного електричного кола за схемою “ зірка-зірка” як з нейтральним проводом, так і без нього є метод вузлової напруги. Цей метод мо-

жна застосовувати як для симетричних електричних кіл, так і для несиметричних. При цьому варто чітко засвоїти, що в загальному випадку трифазне електричне коло за схемою “ зірка-зірка” можна розглядати як електричне коло із чотирма паралельно включеними гілками, у трьох з яких діють симетрична трифазна система ЕРС, а четверта гілка являє собою нейтральний провід, опір якого може бути як рівним нескінчен-

ності (при відсутності), так і рівним нулю (при з'єднанні нейтралі генератора й нейтралі споживача).

Розрахунок трифазних електричних кіл, у яких споживач з'єднаний за схемою “трикутник” у загальному випадку (при наявності опорів лінійних проводів), виконується також з використанням методу двох вузлів. Для цього необхідно вміти перетворити з'єднання “трикутник” в

еквівалентне з'єднання “зіркою”. Крім того, необхідно усвідомити, що для розрахунку трифазних електричних кіл, навантаження, в які з'єднані

63

“трикутником”, доцільно використовувати закон Ома й закони Кірхгофа (наприклад, при опорі лінійних проводів, близькому до нуля).

У процесі вивчення методів розрахунку трифазних ланцюгів необхідно чітко уявляти, що симетричні ланцюги є окремим випадком не-

симетричних електричних кіл, а із цього випливають деякі особливості, які дозволяють значно спростити розрахунок: можна виконувати розра-

хунок напруг і струмів тільки для однієї фази, маючи на увазі, що в інших фазах струми й напруги такі ж по величині й відрізняються тільки зрушенням на кути ±120°.

При особливих випадках несиметрії трифазних ланцюгів: (обрив фаз і проводів, коротке замикання фази) варто пам'ятати, що розрахунок виконується аналогічно розглянутому вище, з попереднім аналізом і не-

обхідними перетвореннями.

Велике значення при вивченні трифазних електричних кіл мають питання визначення активної, реактивної й повної потужностей. Необхідно усвідомити схеми вимірювання активної й реактивної потужнос-

тей у симетричному й несиметричному трифазному електричному колах. При цьому необхідно пам'ятати, що показання ватметра дорівнює дійсній частині від добутку комплексного діючого значення струму, при установці вибору позитивних напрямків напруги й току від генератор-

них затискачів обмоток ватметра до негенераторного.

Одержання обертового магнітного поля за допомогою трифазної системи струмів є одним з переваг трифазних ланцюгів. Необхідно чітко представляти процес одержання обертового магнітного поля, знати умови, при яких воно виникає, а також принципи дії асинхронного й синхронного двигунів.

Варто знати й пам'ятати, що в трифазних ланцюгах, що містять асинхронні й синхронні машини, а також трифазні трансформатори,

опір фази указаних елементів стає невизначеним, залежним від ступеня несиметрії напруг і струмів. У цьому випадку метод двох вузлів засто-

сувати не можна, і тому в розрахунку використовують метод симетричних складових. Суть цього методу полягає в тім, що будь-яку несимет-

ричну трифазну систему ЕРС, напруг, струмів можна розкласти на три симетричні системи, що складаються з прямої, зворотної й нульової по-

64

слідовності. Надалі розрахунок виробляється для кожної симетричної складової (відомими методами), а результат знаходять шляхом накла-

дення трьох симетричних режимів прямої, зворотної й нульової послідовностей.

3.3 Основні співвідношення

1. Миттєве значення й комплекси трифазної симетричної сис-

теми напруг:

uA =Um sin(ωt); UA =U;

uB=Um sin(ωt-120°); UB =Ue-j120°; uC=Um sin(ωt+120); UC =Uej120°.

2. Співвідношення між лінійними й фазними напругами й струмами. При з'єднанні фаз зіркою (загальний випадок):

UAB UA - UB;UBC UB -UC;UCA UC -UA;

а фазні струми одночасно є й лінійними струмами відповідно.

Для симетричного навантаження між лінійними й фазними напру-

гами й струмами існують наступні залежності:

Uл =3Uф; Iл =Iф.

При з'єднанні фаз трикутником (загальний випадок):

IA =IAB-IBC; IB=IBC-IAB; IC=ICA-IBC ,

алінійні напруги є відповідно фазними напругами.

Увипадку симетричного навантаження між лінійними й фазними напругами й струмами мають наступні залежності:

Uл =Uф; Iл =3Iф.

65

3. Зсув нейтралі визначається вираженням:

UN = UAyA +UByB+UCyC ,

yA +yB+yC +yN

UA , UB, UC – фазні напруги генератора;

yA, yB, yC, yN – провідності окремих фаз ланцюга й нейтрального (ну-

льового) проводу.

4. Струми у фазах і нейтральному проводі:

I A=(UA -UN)yA; I B=(UB-UN)yB; I C=(UC-UN )yC; IN =UNyN =I A+I B+I C

5. Потужності в трифазних ланцюгах визначаються вираження-

ми:

а) активна потужність –

P PA PB PC PN Re UA IA UBIB UCIC UN IN ;

б) реактивна потужність –

Q QA QB QC QN Im UA IA UBIB UC IC UN IN ;

в) повна потужність –

S P2 Q2 ;

S SA SB SC SN UA IA UBIB UC IC UN IN.

66

6. Розкладання несиметричної системи A, B, C (ЕРС, напруги,

струми) на системи прямої, зворотної й нульової послідовності:

A1=13 A+aB+a2C ; B1=a2A1; C1=aA1;

A2 =13 A+a2B+aC ; B2 =aA2; C2 =a2A2;

1

A0 =B0 =C0 =3 A+B+C .

3.4 Типові приклади

3.4.1 Розрахунок трифазного ланцюга при з'єднанні зіркою

До симетричного трифазного генератора з фазної ЕРС E=220 B і із внутрішнім опором фази z0= 0.5+j Ом підключене несиметричне на-

вантаження, з'єднане в зірку з нульовим проводом (рис. 3.1(а)). Опори

zN =0.5 Ом. Визначити струми й напруги на кожній фазі навантаження й генератора, а також активну, реактивну й повну потужності наванта-

ження й генератора при наявності нейтрального проводу й при його обриві. Побудувати векторну діаграму для кожного випадку.

Рисунок 3.1а

67

Рішення

1. Записуємо фазні ЕРС генератора в комплексній формі:

EA EФ 220(В); EВ 220е j120 (В); EC 220еj120 (В).

2. Визначаємо комплексні провідності фаз трифазного ланцюга:

При наявності нейтрального проводу 3. Визначаємо напругу зсуву нейтралі:

UN = EAyA +EByB+ECyC =

yA +yB+yC +yN

=220 0.0862e-j54.1 220e j1200.1465ej31.8 220ej120 0.1122e j9

0.050 j0.070 0.124 j0.077 0.111 j0.017 2

3.286 j24.526 10.830e j82.12 1.48 j10.72. 2.286 j0.010

4.Знаходимо струми:

I A EA UN yA 220 1.48 j10.72 0.0862e j54.1

18.86e 51.3 11.79 j14.72;

68

I B EB UN yB 110 j190.52 1.48 j10.72 0.1465ej91.8

30.99e j90 j3099;

I C EC UN yC 110 j190.52 1.48 j10.72 0.1122e j9

25.81ej109.98 8.82 j24.25;

I N UNyN 10.83e j82.122 21.66e j82.12 2.97 j21.45;

Перевірка показує, що I A I B I C I N 0; 5. Напруга на фазах навантаження:

Ua01 I AzA 18.86e j51.3 6 j8 188.60ej1.83 ;

Ub01 I BzB 30.99e j90 5 j5 219.13e j139 ;

Uc01 I CzC 25.81ej109.988 206.48ej109.98 .

6. Визначаємо напругу на кожній фазі генератора:

UA0 EA I Az0 220 18.86e j51.3 0.5 j 199.43e j1.27 ;

UB0 EB I Bz0 110 j190.52 30.99e j90 0.5 j 224.74e j128.85 ; UC0 EC I Cz0 110 j190.52 25.81ej108.98 0.5 j 203.66ej113.56 .

При обриві нейтрального проводу

7. Напруга зсуву нейтралі:

8. Визначаємо струми:

IA EA UN yA 220 14.56 j85.45 0.0862e j54.1 19.18e j31.3

16.35 j10.02;

IB EB UN yB 110 j190.52 14.56 j85.45 0.1465ej91.8

23.73e j108.05 7.35 j22.56;

69

IC EC UN yC 110 j190.52 14.56 j85.45 0.1122e j9

=33.97ej105.3 8.96 j32.77;

IN UN yN 10.83e j82.12 2 21.66e j82.12 2.97 j21.45.

9. Напруга на фазах навантаження:

Ua01 IAzA 19.18e j31.5 6 j8 191.80ej21.6 ;

Ub01 IBzB 23.73e j108.05 5 j5 167.77e j153.05 ;

Uc01 ICzC 33.93ej105.308 271.44ej105.30 .

10. Напруга на фазах генератора:

UA0 EA IA z0 220 19.18e j31.51.12ej63.4 202.12e j3.2 ;

UB0 EB IBz0 110 j190.52 23.73e j108.051.12ej63.4 214.83e j126.86 ; UC0 EC ICz0 110 j190.52 33.97ej108.981.12ej63.4 197.00ej111.7 .

Векторні діаграми для обох випадків наведені на рис. 3.1( б-в).

Рисунок 3.1 б-в

70