Если трехфазная цепь трехпроводная, то независимо от схемы соединения нагрузки, будь то звезда или треугольник и независимо от того, равномерная нагрузка или нет, мощность, потребляемую системой, можно измерить двумя однофазными ваттметрами. Токовые обмотки ваттметров включаются в две любые фазы, а обмотки напряжения – между третьей (незанятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая обмотка данного ваттметра. Возможные схемы включения ваттметров показаны на рис. 3.3.
   |
а) б) в)
Рис.3.3. Схемы включения ваттметров в трехпроводных сетях
При использовании показанных на рисунке схем включения ваттмеров общая мощность равна алгебраической сумме их показаний.
Построим векторную диаграмму токов и напряжений, действующих на измерительные системы приборов, включенных по схеме (рис.3.3 а). Нагрузку считаем симметричной, соединенной звездой, активно-индуктивного характера с разностью фаз между током и напряжением в каждой фазе j.Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению трех величин: току, напряжению и косинусу угла между током и напряжением. Из векторной диаграммы (рис.3.4.) видно, что в рассматриваемом случае показание ваттметров соответственно равны
 |
Здесь берем напряжение Ucb, равное - Ubc, так как генераторный конец обмотки напряжения второго ваттметра подключен к фазе С, а не к В. Сумма показаний ваттметров равна
 | |||
 |
Рис.3.4 Рис.3.5
На рис. 3.5 построена векторная диаграмма, иллюстрирующая работу схемы включения ваттметров, приведенную на рис.3.3.б.
Для симметричного режима векторы линейных напряжений образуют равносторонний треугольник ABC. Линии, соединяющие центр тяжести этого треугольника с его вершинами, можно рассматривать как фазные напряжения приемника, соединенного звездой. При активно-индуктивной нагрузке токи отстают по фазе от напряжений на угол φ.
Первый ваттметр включен на напряжение Uac (заметим,`Uac=-`Uca) и через него протекает ток`Ia. Измерительная система второго ваттметра находится под действием напряжения `Ubc и тока `Ib.
Из рассмотрения векторной диаграммы, можно установить, что ваттметр, включенный в опережающую фазу, показывает пропорционально cos(j-30°) при индуктивном характере нагрузки, а показания ваттметра, включенного в отстающую фазу, пропорционально cos(j+30°) при индуктивном и пропорционально cos(j-30°) при емкостном характере нагрузки. При равномерной активной нагрузке (j=0) показания обоих ваттметров одинаковы и равны половине общей измеряемой мощности. При любой другой (не активной) нагрузке, даже если она равномерна, показания ваттметров различны.
В случае включения нагрузки треугольником векторы линейных токов получаются как геометрические разности векторов токов фазовых и для симметричной системы углы в 30° будут между фазовыми и линейными токами. Например, линейные токи`Iв и`Iс в последовательных обмотках ваттметров схемы (рис.3.3.в) можно выразить через соответствующие фазовые токи
``Iв=`Iвс–`Iав `Iс=`Iса–`Iвс.
Фазовые токи отстают от фазовых напряжений на угол j. Угол между вектором тока`Iв и вектором напряжения`Uва, приложенного к цепи первого ваттметра, равен b1=60°–30°–j=30°–j.
Угол между вектором тока`Iс и вектором напряжения`Uсa, приложенного к параллельной цепи второго ваттметра, b2=30°+j. Тогда первый ваттметр покажет мощность P1=Uл*Iл*Cosb1, а второй ваттметр P2=Uл*Iл*Cosb2.
Для получения мощности P всей трехфазной цепи необходимо алгебраически, то есть с учетом знаков, сложить показания ваттметров.
В зависимости от значения угла сдвига фаз в цепи показания одного ваттметра отличаются от показаний другого, причем показания одного ваттметра всегда положительны, а показания второго могут стать отрицательными. При сдвиге фаз более 60° (работа многих электрических машин в режиме холостого хода) cos(j+30°) – величина отрицательная, стрелка второго ваттметра отклонится в обратную сторону от нуля. Для отчета отрицательных значений мощности переключают зажимы одной из обмоток ваттметра (токовой или обмотки напряжения), и общая мощность в этом случае равна разности показаний ваттметров.
При выборе ваттметров нужно учесть, что их измерительные цепи включены на линейные токи и на линейные напряжения. Для симметричных трехфазных цепей при соединении звездой линейные токи равны фазовым, а линейные напряжения в 
раз больше фазовых. При соединении треугольником равны фазовые и линейные напряжения, а линейные токи в раза больше фазовых. Активная мощность симметричной трехфазной цепи связана с линейными величинами соотношением
и всегда равна сумме мощностей во всех фазах.
Шкалы многопредельных приборов калибруются в относительных делениях, например, могут иметь αm=100 делений. Значения измеряемой величины, приходящиеся на одно деление шкалы, называют ценой деления или постоянной прибора. Она равна:
С= предел измерения в Вт/число делений шкалы.
Переносные приборы обычно выполняются на несколько пределов измерения. Для ваттметров пределы измерения указываются по току и по напряжеию. В большинстве случаев ваттметры калибруются для значения cosφ=1 и поэтому их предел измерения в Ваттах определяется путем перемножения номинальных значений тока и напряжения. Например, для ваттметра со шкалой, имеющей αm делений, постоянная прибора С равна:
C=(Iном*Uном)/ α m Вт/дел.
Если стрелка ваттметра отклонилась на α делений, значение измеряемой этим ваттметром мощности, равно P=C*α. При выборе типа ваттметра пределы измерения должны быть не меньше значений тех токов и напряжений, на которые они будут включены. С точки зрения точности результатов измерений желательно, чтобы предел измерения превышал значение измеряемой величины не более, чем на 25%, во всяком случае, стремятся, чтобы отсчет показаний производился во второй половине шкалы. В противном случае приходится выбирать прибор более высокого класса точности.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ 3
1. Какие преимущества многофазных электрических сетей по сравнению с однофазными?
2. Какой пространственный сдвиг между обмотками статора в синхронном генераторе трехфазного напряжения?
3. В каких случаях используются трехпроводные, а в каких четырехпроводные трехфазные системы?
4.Какой вид имеет векторная диаграмма для электродвижущих сил действующих в трехфазной систем?
5.В каких случаях используется соединение потребителей энергии по схеме «звезда», а в каких по схеме «треугольника»?
6.Как связаны между собой линейные и фазные напряжения и токи при равномерных нагрузках в фазах?
7. Какие приборы используются для измерения мощности в трехфазной цепи?
8. Как осуществляется компенсация реактивной мощности в трехфазных электрических сетях?
9. Как включаются ваттметры для измерения мощности в трехпроводных трехфазных электрических системах?
10. Напишите аналитические формулы для полной,активной и реактивной мощностей в трехфазной системе?
ТЕСТ ПО ТЕМЕ 3
1.Определить линейные напряжения, если величины фазных напряжений в трехфазной системе равны 127 В.
Ответы, один из которых правильный:220В; 380В; 127В; 660 В,
2.Определить максимальное напряжение в фазе «А», если величина действующего напряжения равна 220В.
Ответы, один из которых правильный: 308В; 290В; 380 В; 127В.
3.Определить ток в нейтральном проводе трехфазной системы, если фазное напряжение равно 127 В, а нагрузки в всех фаза одинаковы и равны 1кОм.
Ответы, один из которых правильный: 0 А; 1А; 4А; 5А,
4.Определить мощность, потребляемую трехпроводной трехфазной системой, если показания одного ваттметра равно 300Вт, а второго 220 Вт.
Ответы, один из которых правильный: 520вт; 80Вт; 380Вт; 400Вт,
5.Определить величину тока в фазе «А», если эффективное напряжение трехфазного генератора равно 127В, а сопротивление нагрузки равно 1000 Ом
Ответы, один из которых правильный: 127мА; 220мА; 500мА; 440мА,
ТЕМА.4. ТРАНСФОРМАТОРЫ
ОДНОФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся элементов) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины одного переменного напряжения в напряжение другой величины той же частоты.
Преобразование величины напряжения осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции. Обмотка трансформатора, соединенная с источником переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяется приемник электроэнергии, называется вторичной.
Обмотки трансформатора не соединены между собой по постоянному току, поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора появляется только при изменении величины напряжения в первичной обмотке. Это свойство трансформаторов позволяет использовать их для разделения постоянной и переменной составляющих напряжения. В частности трансформаторы используются для изоляции части электрической цепи по постоянному току от высокого переменного напряжения электрической сети.
Обмотки мощных трансформаторов для электротехнических систем обычно наматываются в пазах замкнутого (сердечника), набираемого из отдельных, изолированных друг от друга слоем лака, листов электротехнической стали. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали достигает 10000…20000. Обычно в пазах магнитопровода размещаются несколько катушек с обмотками.
Принципиальная схема трансформатора приведена на рис.4.1.
 |
Рис.4.1.Принципиальная схема трансформатора с измерительными приборами.
На рисунке изображен двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения U1 .Напряжение подается через два предохранителя и рубильник К1.При включении рубильника напряжение U1 подается на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение U2. Во входной цепи трансформатора включены: вольтметр (V), амперметр(A) и ваттметр(W). Параллельно вторичной обмотке трансформатора включен вольтметр, измеряющий напряжение U2 и амперметр, измеряющий ток, протекающий через сопротивление нагрузки Ζн. При выкюченном рубильнике К2 выходная цепь трансформатора разомкнута и ток через сопротивление нагрузки не протекает (режим холостого хода трансформатора).
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
На щитках мощных трансформаторов обычно указываются:
1.Номинальные высшее и низшее напряжения, на которые рассчитан трансформатор в[ В].
2.Номинальная полная мощность в [В*А].
3.Токи,протекающие в обмотках при номинальной полной мощности [A].
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
-Режим повышающего трансформатора, когда U2 больше U1.
-Режим понижающего трансформатора, когда U2 меньше U1.
-Режим номинальный при номинальных значения[ напряжений и токов в первичной обмотке.
-Режим рабочий -при номинальном напряжении в первичной обмотке.
-Режим холостого хода, когда ток во вторичной обмотке равен нулю.
-Режим короткого замыкания, когда напряжение вторичной обмотки рано нулю.
Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. во вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации.
, (4.1)
где 
-число витков первичной обмотки.
-число витков вторичной обмотки.
Приближенно коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной обмотке к напряжению вторичной обмотки при опыте холостого хода.
Маломощные трансформаторы могут использоваться как повышающие и как понижающие, поэтому в паспорте трансформатора коэффициент трансформации обозначается как отношение высшего напряжения к низшему напряжению.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Коэффициент полезного действия силовых электротехнических трансформаторов очень высок и обычно равен в номинальном режиме 0,98….0,99. Потери энергии в трансформаторах складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. Потери в сердечнике в свою очередь складываются из потерь на вихревые токи и потерь, связанных с явлением гистерезиса - нелинейной и неоднозначной зависимостью магнитной индукции В от напряженности Н магнитного поля.Для уменьшения потерь на вихревые токи 'сердечники трансформаторов набираются из тонких, и изолированных слоем лака стальных листов.
Потери из-за гистерезиса зависят от качества (сорта) электротехнической стали, а также от частоты колебаний переменного напряжения и напряженности магнитного поля в сердечнике. Экспериментально потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора, когда ток I2 = 0, а ток I1 имеет небольшую величину (единицы процентов от номинальной величины). При этом практически вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на покрытие потерь в сердечнике трансформатора Р0 = Рст. Потери в медных проводах определяются из опыта короткого замыкания, при котором токи в обеих обмотках имеют номинальное значение, а напряжение, подводимое к первичной обмотке, равно 1.2 процента от номинальной.
ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трехфазные трансформаторы выпускаются на мощность до 60МВА. Начиная с 1800 кВА разрешается использовать вместо одного трехфазного трансформатора группы из трех однофазных трансформаторов, каждый из которых рассчитан на мощность 600кВА.
Катушки индуктивности трехфазных трансформаторов как и однофазных располагаются в окнах электромагнитного сердечника из электротехнической стали с большим коэффициентом магнитной проницаемости. Коэффициенты трансформации также определяются отношением числа витков в первичной и вторичной обмотках. Варианты соединения первичных и вторичных обмоток трансформаторов определяются ГОСТ.
Для трехфазных трансформаторов ГОСТ разрешает следующие группы включения обмоток:
Группа 0-звезда/звезда с выведенной нулевой точкой;
Группа 11 а -звезда /треугольник
Группа 11 б -звезда (с выводом нулевой точки) /треугольник.
Группы соединения обмоток трансформатора служат также для условного обозначения сдвига фаз вторичного напряжения по отношению к первичному.
АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
При небольших коэффициентах трансформации, 1,5…2,экономически целесообразно использовать автотрансформаторы.
Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что имеет только одну обмотку «высшего напряжения». В качестве обмотки «низшего напряжения» используется часть обмотки «высшего напряжения».
Преимуществом автотрансформаторов являются меньшие габариты и более низкая стоимость, так как часть обмотки, с которой снимается выходное напряжение, может быть намотана из более тонкого провода. Автотрансформаторы широко используются в бытовой электротехнической аппаратуре. Существенным недостатком автотрансформаторов является связь по постоянному току между первичной и вторичной обмотками.
В том случае, когда контакт выходной обмотки трансформатора выполняется подвижным, появляется возможность изменять коэффициент трансформации. Автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации используются в тех случаях, когда необходимо иметь источник плавно изменяющегося напряжения.
