Образование соединения фаз звездой

U_л = √3*U_ф; I_л = I_ф.

Несколько реже, чем соединение звездой, в трехфазных устройствах применяют соединение треугольником (условное обозначение ∆).

При соединении треугольником (рис. 88) фазные обмотки генератора соединяются последовательно, причем так, чтобы начало одной фазной обмотки соединялось с концом предыдущей (А с Z; B c X и C с Y). Положительные направления э. д. с. при таком соеди­нении направлены внутри треугольника фазных обмоток одинаково; следовательно, внутри этого треугольника действует алгебраическая сумма мгновенных значений фаз­ных э. д. с. Но е_А + е_В + е_С = 0 и поэтому внутреннего уравнительного тока в обмотках генератора не возникает*. Общие точки, созданные объединением двух зажимов обмо­ток, соединяются с линейными проводами, к которым подключается нагрузка.

* Тем не менее для генераторов соединение треугольником применяется редко, так как при отступлении кривых э. д. с. от синусоиды сумма э. д. с. не будет равна нулю и внутри обмоток генератора возникнет уравнительный ток.

U_л = U_ф; I_л = √3*I_ф.

В ряде случаев целесообразно в зависимости, от условий работы нагрузки изменять способ соединения — переключать со звезды на треугольник и обратно. Такое переклю­чение применяется для уменьшения пусковых токов трехфазных электродвигателей, для изменения температуры трехфазных электрических печей, для изменения вторичных напряжений трансформаторов.

При переключении со звезды на треугольник симметричной нагрузки, состоящей из постоянных сопротивлений, сила линейного тока нагрузки увеличивается в три раза:

I_л∆ = 3 I_лY

но фазные токи возрастают только в √3 раз:

I_ф∆ = √3 I_фY

 

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Силовые трансформаторы

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформаторы, предназначенные для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, приёма и использования электрической энергии, называют силовыми трансформаторами. К силовым трансформаторам относятся трёх- и многофазные трансформаторы мощностью 6,3 кВА и более, однофазные мощностью 5 кВА и более.

Основными частями трансформатора являются магнитная система (магнитопровод) и расположенные на ней две или более гальванически не связанные между собой обмотки.

Трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения, называется повышающим, а если первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения – понижающим.

Трансформатор, в магнитной системе которого создаётся трёхфазное магнитное поле, называют трёхфазным, а у которого создаётся однофазное магнитное поле – однофазным.

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высокого напряжения (ВН), присоединённую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединённую к сети более низкого напряжения. В трёхобмоточном трансформаторе имеется также и обмотка среднего напряжения (СН).

При работе трансформатора, ЭДС взаимоиндукции возникает, например, в катушке 2, когда в другой (1) проходит ток, создающий переменный магнитный поток Ф₀. Силовые линии магнитного поля, возникающие вокруг катушки 1, проникают в другую катушку и пересекают её витки. При этом в катушке 2 создаётся ЭДС взаимоиндукции.

Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых других обмотках. Такой режим будет у реального трансформатора, если он подключён к сети, а нагрузка, питаемая от вторичной обмотки, ещё не включена. По первичной обмотке трансформатора проходит ток I_o, который создаёт в магнитопроводе синусоидально изменяющийся поток Ф_о, который из-за магнитных потерь отстаёт по фазе от тока на угол потерь β.

По способу охлаждения они делятся на трансформаторы с естественным воздушным охлаждением (сухие трансформаторы) и с масляным охлаждением.

Тип трансформатора и систему охлаждения указывают при его маркировке буквами:

первая буква это число фаз: О - однофазный; T - трехфазный;

вторая буква - Р — расщепленная обмотка, а при отсутствии расщепления буква Р отсутствует.

На третьем месте стоят одна или две буквы, указывающие способ охлаждения трансформатора: М - масляное, Н - негорючий диэлектрик; или С - воздушное в сухом трансформаторе, Д - с дутьем.

На четвертом месте стоит буква, указывающая число обмоток трансформатора: Т - трехобмоточный, а для двухобмоточных эта буква опускается.

На пятом месте ставится буква Н, если трансформатор имеет устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

После буквы ставятся цифры, в числителем - мощность (кВА), в знаменателе - номинальное напряжение обмотки высшего напряжения (кВ). Двумя цифрами указывают год начала выпуска трансформаторов данной конструкции. Например, ТРМН - 40000/110 – 91: трёхфазный трансформатор с расщепленной обмоткой с естественным масляным охлаждением, имеет РПН, мощность трансформатора 40 MBA, напряжение (высшее) 110 кВ, конструкция 1991 г.

Маркировка автотрансформаторов та же, но на первом месте добавляется буква А.

 

Трансформаторы тока

Трансформаторы тока применяются для измерения больших то­ков, когда невозможно непосредственное включение измеритель­ных приборов в контролируемые цепи. Использование трансфор­маторов тока позволяет устанавливать измерительные приборы на любом расстоянии от контролируемых цепей, концентрируя их в одном месте — на щите или пульте управления.

Трансформаторы тока преобразуют измеряемый первичный ток во вторичный, для чего их первичная обмотка включается в цепь измеряемого тока, а ко вторичной подключается измерительный прибор или средства защиты электроустановки.

Трансформаторы тока по своему исполнению должны соответствовать номинальным напряжению и измеряемому току и их частоте, иметь требуемый класс точности и необходимые параметры по электродинамической и термической стойкости к действию токов короткого замыкания.

 

Трансформаторы напряжения

 

Трансформаторы напряжения служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартного значения (100 или 100\ √3) и изоляции цепей измерительных приборов и элементов релейной защиты от высокого напряжения. Для безопасности обслуживания один конец вторичной обмотки заземляется.

Применяемые ТН должны иметь номинальное напряжение, соответствующее напряжению электроустановки, мощность их нагрузки должна быть распределена по фазам равномерно и соответствовать их номинальной мощности при требуемом классе точности.

Буквы в обозначении ТН обозначают: Н – напряжение, О – однофазный, М – масляный, С – сухой, К – залитый компаундом (в обозначении НОСК), И – пятистержневой, Т – трёхфазный (в обозначении НТМИ – трёхфазный, с естественным масляным охлаждением, с обмоткой для контроля изоляции сети).

 

 

Асинхронные двигатели

Асинхронной машиной называется электрическая машина (ЭМ), одна из обмоток которой – обмотка статора – подключается к источнику переменного тока, а другая – обмотка ротора – выполняется короткозамкнутой (в виде беличьей клетки) или фазной, при этом её выводы подключаются к контактным кольцам.

Особенностью работы асинхронных машин (АД) является неравенство (асинхронность) частот вращения ротора и магнитного поля, что и определяет их название.

АД малой, средней и большой мощности выпускаются трёхфазными и могут иметь как короткозамкнутый ротор, так и фазный ротор с обмоткой, концы которой выведены на контактные кольца для соединения с пусковым или регулировочным реостатом.

АД с фазным ротором (см. рис. 1, б) имеют на роторе обмотку, аналогичную статорной. Концы обмотки ротора через контактные кольца и щетки присоединяют к наружной цепи (например, к пусковому резистору). Обмотку короткозамкнутого ротора выполняют в виде стержней, соединенных между собой кольцами, расположенными на торцах ротора. Обмотки статора асинхронного электродвигателя соединяют в звезду или треугольник.

Проходя по обмоткам трехфазные токи образуют вращающееся магнитное поле. Оно, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них электродвижущую силу (эдс); под действием эдс в замкнутой обмотке ротора возникают токи, которые, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, вызывают его вращение.

Начала и концы обмоток статора обозначаются С1 – С4, С2-С5, С3-С6, начала обмоток ротора – Р1, Р2, Р3, нулевая точка обозначается 0.

Синхронные машины

Синхронной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой (обмотка статора) подключается к электрической сети переменного тока, а другая (обмотка возбуждения) – к источнику постоянного тока. Наибольшее распространение получили СМ с трёхфазной обмоткой статора, которая называется также обмоткой якоря. Обмотка возбуждения располагается на роторе и вместе с ним образует индуктор машины.

В качестве источника тока возбуждения используют генераторы постоянного тока или статические полупроводниковые системы возбуждения.

СМ по своему назначению делятся на генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы. Начала и концы обмоток статора С1-С4, С2-С5, С3-С6, а обмотки возбуждения И1-И2.

Генератором называется ЭМ, преобразующая подводимую к её валу механическую энергию в электрическую. Если приводом является гидравлическая турбина, он называется гидрогенератором, если приводным двигателем является турбина, то такой генератор называется турбогенератором.

Гидрогенераторы выполняются, как правило, явнополюсными, с вертикальной осью вращения, мощностью до 700 МВА и частотами вращения от 50 до 500 об\мин (иногда до 1000 об\мин) и применяются на гидростанциях.

Турбогенераторы имеют, как правило, горизонтальное расположение вала, выпускаются мощностью до 1200 МВА и имеют скорость вращения 3000 об\мин, которая соответствует частоте 50 Гц при одной паре полюсов статорной обмотки.

СД общего назначения выпускаются мощностью от 100 до нескольких десятков тысяч киловатт и имеют скорость вращения от 100 до 3000 об\мин. Они изготовляются с обмоткой возбуждения на явнополюсном или неявнополюсном роторе и с роторами в виде постоянных магнитов или в виде зубчатого цилиндра.

Для привода станков, подъёмных кранов, лифтов насосов, вентиляторов и др.

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Источники электроэнергии

 

Для индустриально развитой страны, такой, как Россия, характерна электри­фикация — широкое применение электрической энергии во всех областях производства и в быту. Электрификацию обеспечивает система электроснабжения. Основными энерге­тическими ресурсами страны в настоящее время служат природные запасы горючих ископаемых и гидравлические ресурсы. Вблизи этих источников энергии в большинстве случаев размещаются электрические станции. На них первичные виды энергии преобра­зуются в электрическую энергию, вырабатываемую генераторами переменного тока при напряжениях 6—35 кВ. Изготовление генераторов на более высокие напряжения затруднительно и практически нецелесообразно. Но при таких напряжениях экономичная передача электроэнергии возможна лишь близко расположенным потребителям. Для передачи электроэнергии на более значительные расстояния — порядка сотен километ­ров — нужны более высокие напряжения — порядка сотен тысяч вольт.

При данной мощности, чем выше напряжение линии электропередачи (ЛЭП), тем меньше должна быть сила тока, а вместе с ней уменьшается падение напряжения в линии и потери энергии на нагревание проводов, если считать постоянной величиной сопротив­ление линии. Таким образом, повышение напряжения линии передачи дает возможность при тех же относительных потерях передавать электроэнергию на более дальние расстоя­ния. По этой причине стремятся применять для линий передач все более высокие напря­жения.

Системой электроснабжения называют совокупность устройств для производства, передачи и распределения электроэнергии. Системы электроснабжения создают для обеспечения питания приёмников электроэнергии, к которым относят: электродвигатели различных механизмов, электрические печи, электролизные установки, осветительные установки и др.

Энергетической системой называют совокупность электростанций, подстанций и приёмников электроэнергии, связанных между собой линиями электрической сети.

Электрической системой называют часть энергетической системы, состоящую из генераторов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линий электрической сети и приёмников электроэнергии (12.1 Рисунки к лекциям).

Электрическими сетями называют части электрической системы, состоящие из подстанций и линий различных напряжений. Электрические сети подразделяют по напряжению.

Электрическая сеть служит для передачи электроэнергии от мест её производства к местам потребления и распределения между потребителями.

Электроснабжение предприятий разделяют на внешнее и внутреннее. Под внешним электроснабжением понимают комплекс сооружений, обеспечивающих передачу электроэнергии от выбранной точки присоединения к энергосистеме до приёмных подстанций предприятий или гражданских зданий.

Внутреннее электроснабжение – это комплекс электрических сетей и подстанций, расположенных, как правило, на территории предприятия и в его цехах.

Весьма приближенно для линий электропередачи средней длины можно считать экономи­чески целесообразным напряжение 1 кВ на 1 км длины линии, например для линии электропере­дачи длиной 200 км целесообразно применить рабочее напряжение 220 кВ. При выборе напряжения необходимо учесть и то, что оно должно соответствовать шкале стандартных напряжений.

Назначение электрической станции — выработка электрической энергии в больших количествах, что осуществляется путем преобразования различных видов энергии в элек­трическую.

В основном принято классифицировать электростанции в зависимости от вида энер­гии, на них преобразуемой, в соответствии, с чем они делятся на тепловые, гидроэлектри­ческие, атомные и - ветроэлектрические.

На тепловых станциях первичными двигателями служат паровые турбины, газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания. В зависимости от формы выработки энергии тепловые паротурбинные станции подразделяются на конденсационные и теплофика­ционные.

На конденсационных электрических станциях (КЭС) отработавший в турбине пар на­правляется в конденсатор, где охлаждается, обращаясь в жидкость — конденсат. На такой станции производственный цикл состоит из трех фаз: преобразования химической энергии топлива в энергию пара в котле, преобразования энергии пара в механическую в турбине и преобразования механической энергии в электрическую в генераторе.

Теплофикационные электроцентрали (ТЭЦ) вырабатывают одновременно тепловую и электрическую энергии. Носителем первой служит пар, который ТЭЦ передают по тру­бам на расстояние до 10—12 км для использования в быту (отопление, снабжение горячей водой) и для нужд промышленности.

Гидроэлектрические станции (ГЭС) преобразуют в электрическую энергию энергию водных потоков. Первичными двигателями на этих станциях служат гидравлические турбины, приводимые в движение потоком воды. Они вращают генераторы. ГЭС явля­ется комплексом гидротехнических сооружений и электроэнергетического оборудования.

Плотина создает необходимый напор — разность уровней между участком реки выше плотины (выше ГЭС) — это верхний бьеф и участком реки ниже плотины — нижним бьефом.

Атомные электростанции могут быть сооружены в любом гео­графическом районе, в том числе и труднодоступном, но при на­личии источника водоснабжения. Количество (по массе) потреб­ляемого топлива (уранового концентрата) незначительно, что об­легчает требования к транспортным связям. АЭС состоят из ряда агрегатов блочного типа, выдающих энергию в сети повышенно­го напряжения. Агрегаты АЭС, в особенности на быстрых нейт­ронах, неманевренны, так же как и агрегаты КЭС. По условиям работы и регулирования, а также по технико-экономическим со­ображениям предпочтительным является режим с относительно равномерной нагрузкой. АЭС предъявляют повышенные требова­ния к надежности работы оборудования. Коэффициент полезно­го действия составляет 35—38%. Практически АЭС не загрязняют атмосферу. Выбросы радиоактивных газов и аэрозолей незначи­тельны, что позволяет сооружать АЭС вблизи городов и центров нагрузки. Трудной проблемой является захоронение или восста­новление отработанных топливных элементов.

Гидроаккумулирующие электростанции предназначены для вы­равнивания суточного графика энергосистемы по нагрузке. В ча­сы минимальной нагрузки они работают в насосном режиме (пе­рекачивают воду из нижнего водоема и запасают энергию); в часы максимальной нагрузки энергосистемы агрегаты ГАЭС работают в генераторном режиме, принимая на себя пиковую часть нагруз­ки.

Солнечная энергетика – отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой или других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Ветроэнергетика – отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, тепловой и электрической энергии. Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с.