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^oв 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 = 2 U_Ф cos 30⁰ =2 U_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.