7. Трёхфазные цепи

7.1. Основные определения

Трехфазная цепь является совокупностью трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120^o, создаваемые общим источником. Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой.

При вращении ротора, представляющего собой двухполюсный магнит, в каждой фазной обмотке статора индуктируется ЭДС:

Графически ЭДС можно изобразить тремя синусоидами, сдвинутыми на 1/3 периода, или тремя векторами, находящимися под углом 120° друг к другу.

СОЕДИНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ЭНЕРГИИ ЗВЕЗДОЙ

Соединение обмоток генератора и приемников энергии звездой представляет со-бой схему, когда концы фаз соединяются в общий узел; а их начала присоединяются к линейным проводам.

В результате построений образовалась трехлучевая звезда линейных напряжений, повернутых относительно звезды фазных напряжений на угол 30° против часовой стрелки. Из полученных таким образом треугольников с тупым углом в 120° следует:

Для симметричной системы, когда и

или

Если линейное напряжение, например, равно 380 В, то фазное будет:

Если же фазное напряжение U_ф = 127В, то линейное будет:

В промышленности пользуются напряжением 127, 220 и 380 В. В высоковольтных линиях электропередачи применяют напряжение 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 400 кВ, 500 кВ и более.

СОЕДИНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ЭНЕРГИИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ

При соединении обмоток генератора и приемников энергии треугольником конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей, образуя замкнутую систему. К линейным проводам в этом случае подключаются узловые точки (рис. 2.3.1).

Вектор фазного тока располагается рядом с вектором соответствующего фазного напряжения под углом . Последний определяется характером нагрузки. Если, например, нагрузка активная, то , при индуктивной нагрузке и т.д. Д ля построения векторов линейных токов из каждого фазного тока геометрически вычитают соседний. Нетрудно доказать, что в этом случае

МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

Активная мощность трехфазной системы всегда равна сумме мощностей всех фаз:

или

При симметричной нагрузке:

где I_ф и U_ф - фазные ток и напряжение,  - сдвиг фаз между током и напряжением. Можно также выразить мощность через линейные токи и напряжения, приняв при соединении звездой:

при соединении треугольником

Независимо от схемы соединения произведение будет равно

; тогда и мощность трехфазной системы, выраженная через линейные токи и напряжения, будет равна

здесь индексы "л" опущены. По аналогии можно записать выражения для полной реактивной мощности:

где .

Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом

Короткое замыкание в R-L цепи

На рис. 8.1 изображена электрическая цепь, в которой включен источник постоянной ЭДС. В результате коммутации рубильник замыкается и образуется замкнутый на себя R-L контур.

До коммутации по индуктивности протекал ток

Этот ток создавал постоянное магнитное поле в индуктивной катушке. Определим закон изменения тока в индуктивности после коммутации. В соответствии с классическим методом

Принужденный ток после коммутации замкается через рубильник, имеющий нулевое сопротивление, и через индуктивность не протекает. Индуктивный ток имеет только свободную составляющую

Запишем уравнение для свободного тока в R-L контуре, используя второй закон Кирхгофа.

                .

.

Подставим значения свободного тока и производной тока в уравнение

Подключение R-L цепи к источнику постоянной ЭДС

В схеме на рис. 8.3 до коммутации р убильник разомкнут. В результате коммутации рубильник замыкается и подключает R-L цепь к источнику постоянной ЭДС. Определим закон изменения тока i(t).

.

Принужденный ток в установившемся режиме после коммутации

. В свободном режиме из схемы исключен внешний источник питания. Схема на рис. 8.3 без источника ЭДС ничем не отличается от схемы на рис. 8.1.

Свободный ток определяется по формуле

.

З апишем значение переходного тока для момента коммутации, (t = 0).   ,

откуда .

До коммутации рубильник был разомкнут, и ток в схеме отсутствовал.

Сразу после коммутации ток в индуктивности остается равным нулю.

. .

.

Напряжение на индуктивности

.

На рис. 8.4 изображены кривые переходного, принужденного, свободного токов и переходного напряжения на индуктивности.

Свободный ток и напряжение на индуктивности плавно уменьшаются до нуля. В момент коммутации свободный и принужденный токи одинаковы по абсолютной величине.

Переходный ток начинается при включении с нуля, затем возрастает, приближаясь к установившемуся постоянному значению.

Короткое замыкание в R-C цепи

В схеме на рис. 8.5 в результате коммутации рубильник замыкается, и образуется замкнутый на себя R-C контур.

До коммутации емкость полностью зарядилась до напряжения, равного ЭДС источника питания, то есть u_c(0-) = E. После коммутации емкость полностью разряжается, следовательно, принужденный ток в R-C цепи и принужденное напряжение на конденсаторе равны нулю.

В цепи существует только свободный ток за счет напряжения заряженного конденсатора.

Запишем для R-C контура уравнение по второму закону Кирхгофа .

Рис. 8.5

Ток через конденсатор        .

Получим дифференциальное уравнение

.      (8.3)

Решение этого уравнения   .

Подставим значение свободного напряжения и производной от напряжения

       в уравнение (8.3).

.

Уравнение называется характеристическим.

- корень характеристического уравнения;

- постоянная времени переходного процесса;

П ереходный ток и переходное напряжение на конденсаторе по показательному закону уменьшаются до нуля (рис. 8.6).

        Подключение R-C цепи к источнику постоянной ЭДС

Полагаем, что до коммутации конденсатор не заряжен, напряжение на нем u_c(0-)=0.

В результате коммутации рубильник замыкается, и конденсатор полностью заряжается (рис. 8.7).

Принужденное напряжение на емкости равно ЭДС источника питания u_cпр= E.

Переходное напряжение

.

В момент коммутации .

П остоянная интегрирования       .

В соответствии со вторым законом

коммутации

Переходное напряжение

.

Переходный ток

.

Кривые напряжений и тока

изображены на рис. 8.8.

Магнитные цепи

Магнитная цепь (МЦ) – часть электротехнического устройства, предназначенного для создания в определенном месте пространства магнитного поля требуемой интенсивности и направленности.

Трансформаторы

: Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами. Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется на высоком напряжении (220, 400, 500 кВ и более), благодаря чему значительно уменьшаются потери энергии в линии (рис. 4.1.1). Получить такое высокое напряжение непосредственно в генераторе невозможно, поэтому в начале линии электропередачи устанавливают повышающие трансформаторы, а в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы. Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные, из которых наибольшее применение имеют трехфазные. Кроме того, трансформаторы могут быть двухобмоточными (если они имеют по две обмотки) или многообмоточными (если они имеют более двух обмоток). В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные и сухие.

Принцип действия трансформатора

Простейший трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток - первичная, подключена к источнику переменного тока. К другой обмотке - вторичной подключают потребитель.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнито-поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуктируя в них ЭДС:

Из этих формул следует, что вычисленные ЭДС е₁ и е₂ могут отличаться друг от друга числами витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ

Разделим обе части уравнения на w₁, получим:

где - вторичный ток, приведенный к числу витков первичной обмотки. Вследствие перемагничивания стали в магнитопроводе трансформатора возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов. Мощность этих потерь эквивалентна активной составляющей тока I₁₀. Следовательно, ток I₁₀ наряду с реактивной составляющей Iоp, идущей на создание основного потока Ф, имеет еще и активную составляющую Iоа. В итоге:

Заключая разделы 4.3 и 4.4, перепишем вместе уравнения ЭДС и токов трансформатора:

Эти уравнения получили название основных уравнений, на которых базируется теория трансформатора и общая теория электрических машин переменного тока.