Способы соединения обмоток трехфазных генераторов

Электрические цепи трехфазного тока.

Трехфазная система

Многофазной системой называется совокупность, состоящая из ”n” от­дельных одинаковых электрических цепей или электрических схем, режимные параметры в которых (е, u, i) сдвинуты во времени на равные отрезки или по фазе .

Отдельные части системы называются фазами. Термин ”фаза” в электро­технике имеет два смысловых значения: первое - как момент времени для сину­соидальной функции тока или напряжения, второе - как часть многофазной сис­темы. В технике нашли примене­ние 2-х, 3-х, 6-и и более фазные системы. В электроэнергетике наибольшее распростране­ние получила трехфазная система, обладающая рядом преимуществ перед системами с дру­гим числом фаз.

Трехфазная система состоит из трех электрических цепей или электриче­ских схем (фаз), параметры режима (u,i) в которых сдвинуты во времени на . Отдельные фазы трехфазной системы согласно ГОСТ обозначаются (именуются) заглав­ными латинскими буквами А, В, С (основное обозначение), или цифрами 1, 2, 3 (допустимое обозначение), или заглавными латинскими буквами R, S, T (международное обозначение).

Не имеет значения, какую из трех фаз именовать какой буквой А, В или С, существенным явля­ется их порядок следования друг за другом во времени. Прямым порядком следова­ния фаз называется А В С А, при котором параметры режима (u, i) в фазе В отстают от анало­гичных параметров в фазе А на 120^o, а в фазе С - опережают на 120^o. При обратном порядке следования фаз А С В А параметры режима в фазе С отстают от аналогичных пара­метров в фазе А на 120^o, а в фазе В - опере­жают на 120^o.

Если отдельные фазы системы работают изолировано и независимо друг от друга, то система называется несвязанной. Рассмотрим работу простейшей несвязанной трехфазной системы (рис. 85). Мгновенные значения фазных ЭДС генератора сдвинуты во времени на 120^o в порядке следования фаз A®B®C®A:

;

Графические диаграммы этих функций показаны на рис. 86, а векторные - на рис. 87.

Основное свойство любых переменных функций (е, u, i) в симметричной трехфазной системе состоит в том, что сумма их мгновенных значений в любой момент времени равна нулю, например, е_А + е_В + е_С = 0. Найдем эту сумму для разных моментов времени:

, ;

, ;

, .

Как следует из векторной диаграммы рис. 87, геометрическая сумма век­торов фазных ЭДС также равна нулю:

.

Если нагрузка отдельных фаз равна между собой, т.е. , то фазные токи будут равны по модулю и сдвинуты по фазе относительно своих ЭДС (напряжений ) на один и тот же угол φ, а между собой, как и ЭДС, будут сдвинуты по фазе на 120^о. Следова­тельно, фазные токи i_А, i_В, i_С образуют симметричную трехфазную систему и для них будут справед­ливы полученные ранее выводы: i_А + i_В + i_С = 0; I_А + I_В + I_С = 0.

Преобразуем несвязанную трехфазную систему рис. 1 в связанную путем объедине­ния трех обратных приводов в один общий привод. Согласно 1-ому закону Кирхгофа в об­щем проводе должен протекать суммарный ток i_N = i_А + i_В + i_C = 0. Это означает, что потреб­ность в обратном проводе вообще отпадает, бла­годаря чему достигается значительная эко­номия проводов при передаче энергии от трехфазного генератора к приемнику.

Достоинства трехфазной системы:

1) Передача энергии от генератора к потребителям трехфазным током наиболее выгодна экономически, чем при любом другом числе фаз. Например, по сравнению с двух­проводной системой достигается экономия проводов в два раза (3 провода вместо 6), соот­ветственно уменьшаются потери энергии в прово­дах линии.

2) Трехфазная система позволяет технически просто получить круговое вращаю­щееся поле, которое лежит в основе работы всех трехфазных машин (ге­нераторов и двигате­лей).

3) Элементы трехфазной системы (генераторы, трансформаторы, дви­гатели) про­сты по конструкции, надежны в работе, имеют хорошие массогаба­ритные показатели, срав­нительно дешевы, долговечны.

4) На выходе трехфазных генераторов имеется два уровня выходного напряжения – линейное и фазное, отличающиеся в раз (U_л /U_ф = ), что позволяет подключать к такому генератору приемники с различными номиналь­ными напряжениями.

Благодаря своим достоинствам трехфазная система применяется в элек­троэнергетике для производства, передачи, распределения и потребления элек­трической энергии.

Трехфазная система и ее основные звенья – генератор, трансформатор, линия элек­тропередачи, двигатель – были разработаны в 1889 году инженером Доливо-Добровольским (фирма Сименс и Шукерт). Создание этой системы яви­лось важным событием в истории развития теоретической и прикладной элек­тротехники.

Способы соединения обмоток трехфазных генераторов

В обмотках трехфазного генератора индуктируются синусоидальные ЭДС, сдвину­тые по фазе на 120⁰:

,

,

,

Между собой фазные обмотки генератора могут соединяться по двум раз­личным схемам: звездой ( ) и треугольником ( ).

При соединении в звезду концы фазных обмоток (фаз) генератора соеди­няются в об­щую точку N, которая называется нулевой или нейтральной, а начала обмоток служат линей­ными выводами генератора А, В, С (рис. 88).

Векторная диаграмма напряжений трехфазного генератора при соедине­нии его фаз­ных обмоток в звезду показана на рис. 89а, б.

В трехфазном генераторе различают фазные и линейные напряжения. Фазными на­зываются напряжения между началами и концами фазных обмоток или между одним из ли­нейных выводов А, В, С и нулевым выводом N. Фазные напряжения равны фазным ЭДС: U_А=Е_А, U_В=Е_В, U_С=Е_С (индекс N при фазных напряжениях опускается, так как φ_N = 0). Ли­нейными называются напряжения между двумя линейными выводами А, В, С. Линейные напряжения равны век­торной разности двух фазных напряжений: U_АВ =U_А -U_В; U_ВС =U_В -U_С; U_СА =U_С -U_{А .}

При расчете трехфазных цепей комплексным методом фазные и линей­ные напряже­ния генератора представляются в комплексной форме, при этом один из векторов системы принимают за начальный и совмещают его с вещест­венной осью, а остальные вектора полу­чают начальные фазы согласно их углам сдвига по отношению к начальному вектору. На рис. 89а показан вариант пред­ставления напряжений трехфазного генератора в комплексной форме, когда за начальный вектор принимается фазное напряжение фазы А. В этом случае фаз­ные напряжения генератора в комплексной форме получат вид : , , , линейные напряжения: , , .

На рис. 89б показан другой вариант представления напряжений трехфаз­ного генера­тора в комплексной форме, когда за начальный вектор принимается линейное напряжение U_AB. В этом случае фазные напряжения генератора в ком­плексной форме получат вид: , , , ли­нейные напряжения: , , .

Из геометрии рис. 5 получаем соотношение между модулями линейного и фазного напряжений: U_Л = 2U_Ф cos 30⁰ =2U_Ф = U_Ф.

Обмотки трехфазного генератора теоретически можно включать по схеме треуголь­ника. В такой схеме конец каждой предыдущей фазы соединяется с на­чалом последующей, а точки соединения служат линейными выводами генера­тора (рис. 90).

При соединении фаз в треугольник в его контуре действует сумма фазных ЭДС: = е_АВ + е_ВС + е_СА. В реальных трехфазных генераторах технически не­возможно обеспе­чить равенство нулю для суммарной ЭДС. Так как собственные сопротивления обмоток ге­нератора малы, то даже незначительная по величине суммарная ЭДС 0 может вызвать в контуре треугольника уравнительный ток, соизмеримый с номинальным током генератора, что привело бы к дополни­тельным потерям энергии и снижению КПД генератора. По этой причине об­мотки трехфазных генераторов запрещается соединять по схеме треугольника.

Номинальным напряжением в трехфазной системе называется линейное напряжение. Номинальное напряжение принято выражать в киловольтах (кВ). Шкала номинальных трех­фазных напряжений, применяемых на практике, имеет вид: 0,4; 1,1; 3,5; 6,3; 10,5; 22; 35; 63; 110; 220; 330; 500; 750. На потребительском уровне номинальное трехфазное напряжение может указываться в виде отноше­ния U_Л ⁄ U_Ф, например: U_Л ⁄ U_Ф = 380 ⁄ 220 В.