Теоретические основы электротехники (В. Дрючин)
.pdf3
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
фаз навантаження – |
zA = 6+j8 Ом, |
zB= 5-j5 Ом, zC =8 Ом. Опір кож- |
ного проводу лінії – |
znp = 0.3+j0.4 |
Ом, а опір нейтрального проводу – |
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:
y |
A |
= |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
= |
1 |
|
|
=0.0862e-j54.1 =0.050-j0.070; |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
z |
A |
+z +z |
np |
|
6.8+j9.4 |
|||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
y |
B |
= |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
= |
1 |
=0.1465ej31.8 =0.124+j0.077; |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.8-j3.6 |
|||||||||
|
|
|
zB+z0+znp |
|
|
|
||||||||||||||
y |
C |
= |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
= |
1 |
|
|
=0.1122e-j9.0 =0.111-j0.017; |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
z |
|
+z |
0 |
+z |
np |
8.8+j1.4 |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
y |
N |
= |
1 |
= |
1 |
=2. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
zN |
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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:
U |
N |
= |
EAyA +EByB+ECyC |
= |
24.745e j82.37 |
86.68e |
j80.33 |
14.56 j85.45. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
yA +yB+yC +yN |
0.285e j2.04 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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