4 Трёхфазные электрические цепи

Тема 4.1 Соединение обмоток трёхфазных источников электрической энергии

Лекция 17 Соединение обмоток трёхфазных источников электрической энергии

Напряжения обмоток трехфазного генератора U_А, U_B, U_С, называемые фазными напряжениями, можно представить в виде трех отдельных равных по величине векторов, смещенных один относительно другого на 120° (рисунок 4.1, а). После соединения концов обмоток всех трех фаз звездой (рисунок 4.1, б или в) диаграмма напряжений примет вид, представленный на рисунке 4.2, б. При этом напряжение между началами обмоток соседних фаз должно быть равно геометрической разнице между напряжениями фаз

(4.1)

Учитываем то, что для получения разницы двух векторов достаточно к исходному вектору прибавить вычитаемый вектор с обратным знаком (на рисунке 4.2, в показано пунктиром). В результате получаем, что векторы линейных напряжений U_А, U_B, U_С, являющиеся основаниями равнобедренных треугольников с углами при основаниях равными 30°, больше напряжений фаз (каждой из равных сторон треугольников) в √3 раз.

Из треугольника 0KN следует:

.

_

А так как 0М = U_СА, а 0K = U_С, то U_СА =√3 U_С. Аналогично и для других фаз. Следовательно, линейные напряжения трехфазного генератора при соединении его обмоток звездой в 1,73 раза больше его фазного напряжения. Кроме того, из векторной диаграммы (рисунка 4.2, в) следует, что линейные напряжения генератора сдвинуты по фазе относительно вызвавших их фазных напряжений на 30 градусов.

Четырехпроводная система удобна тем, что от нее можно питать потребителей с разными номинальными напряжениями (например, трехфазную и однофазную силовые нагрузки, включаемые на линейные напряжения 380 В, и осветительную — на фазное напряжение 220 В).

При соединении звездой без нулевого провода (рисунок 4.1, в) соотношения между фазными и линейными напряжениями генератора те же, что и в схеме с нулевым проводом (рисунок 4.1, б), однако соединение генератора с потребителями осуществляется тремя проводами, так как отсутствует нейтральный нулевой провод, что является более экономичным и широко применяется при передаче электрической энергии на значительные расстояния.

При включении обмоток генератора треугольником (рисунок 4.1, г) напряжения между проводами линии, отходящей от генератора, будут равны напряжениям, возникающим в обмотке каждой фазы двигателя, т. е. при соединении обмоток генератора треугольником, его линейные напряжения равны фазным: U_л = U_ф. Суммарная э. д. с, действующая по контуру, образованному обмотками, при равенстве амплитуд напряжений в этих обмотках равна нулю (рисунок 4.3, а).

Поэтому по замкнутому контуру обмоток при отсутствии внешней присоединенной к генератору нагрузки ток протекать не будет. Однако при неравенстве амплитуд напряжений, возникающих в обмотках генератора, сумма напряжений обмоток не будет равна нулю (рисунок 4.3, б), из-за чего по контуру обмоток генератора будет протекать ток даже при отключенной нагрузке. Этот ток, суммируясь в обмотках с током нагрузки после ее присоединения к генератору, будет вызывать дополнительный нагрев обмоток и ухудшать энергетические показатели генератора. По этой причине соединение обмоток генератора треугольником применяют крайне редко. Кроме того, при соединении обмоток звездой и при наличии заземления нейтрального провода могут быть снижены требования к изоляции линейных проводов относительно земли, что позволяет выполнить трехфазную линию более экономичной. Действительно, при заземленном нейтральном проводе изоляция каждого из линейных проводов относительно земли может быть рассчитана на величину фазного напряжения генератора. Если же обмотки генератора соединить треугольником, а генератор выполнить на то же линейное напряжение, что и в предыдущем случае, то изоляцию линейных проводов относительно земли необходимо рассчитать на величину линейного напряжения. Это объясняется тем, что в случае аварийного замыкания одного из линейных проводов на землю к изоляции двух других проводов будет приложена полная величина их линейных напряжений. В предыдущем же случае даже после замыкания одной из фаз на землю между другими фазами и землей будет приложено только фазное напряжение (рисунок 4.4).

Преимущество соединения обмоток генератора звездой перед соединением треугольником заключается еще и в том, что при соединении звездой более безопасно обслуживание самого генератора, линии и всех присоединенных к ней электротехнических установок. Это происходит потому, что в случае заземления нейтрального провода (а это часто выполняют специально, рисунок 4.4, а) при случайном прикосновении человека к любому из линейных проводов он попадает под фазное, а не под линейное напряжение, что менее опасно. Если же обмотки включены треугольником, то после аварийного пробоя изоляции одного из линейных проводов на землю (например, провода, присоединенного к точке С, рисунок 4.4, б) при случайном прикосновении к любому другому линейному проводу человек, стоящий на земле, попадает под полное линейное напряжение.

Вопросы для самоконтроля:

1 В чём заключается преимущество трёхфазных систем переменного тока над однофазными?

2 Объясните причины, по которым обмотки трёхфазных генераторов переменного тока целесообразнее соединять в звезду?

3 Какие напряжения в трёхфазной системе называются фазными, а какие линейным? Во сколько раз и какие из них являются больше других?

4 Для какой цели используется нейтральный провод в трёхфазной сети?

5 Для чего заземляют нулевой провод в трёхфазных сетях?

Рекомендуемая литература:

1 Иванов И. И. Электротехника и основы электроники