История развития электропривода
Появление ЭП обусловлено трудами многих отечественных и зарубежных ученых-электротехников. В этом блистательном ряду имена таких крупных ученых как датчанин Х. Эрстед, показавший возможность взаимодействия магнитного поля и проводника с током (1820 г.), француз А. Ампер, математически оформивший это взаимодействие в том же 1820 г., англичанин М. Фарадей, построивший в 1821 году экспериментальную установку, доказавшую возможность построения электродвигателя. Отечественные ученые-академики Б.С. Якоби и Э.Х. Ленц, которым впервые удалось создать в 1834 году электродвигатель постоянного тока. Работа Б.С. Якоби по созданию двигателя получила широкую мировую известность, и многие последующие работы в этой области были вариацией или развитием его идей, например, в 1837 году американец Девенпорт построил свой электродвигатель с более простым коммутатором. В 1838 г. Б.С. Якоби усовершенствовал конструкцию ЭД, привнеся в него практически все элементы современной электрической машины. Этот электродвигатель, мощностью в 1 л.с., был использован для привода лодки, которая с 12 пассажирами совершила движение со скоростью до 5 км/ч против течения Невы. Поэтому 1838 год считается годом рождения электропривода. Уже на этой первой, еще несовершенной модели электропривода обнаружились весьма значительные преимущества его по сравнению с господствовавшим в то время паровыми механизмами — это отсутствие парового котла, запасов топлива и воды, т.е. существенно лучшие массогабаритные показатели. Однако несовершенство первого ЭД, а главное неэкономичность источника электроэнергии — гальванической батареи, которая была разработана итальянцем Л. Гальвани (1737-1798), явились причиной того что, работы Б.С. Якоби и его последователей сразу не получили практического применения. Требовался простой, надежный и экономичный источник электрической энергии. И выход был найден. Еще в 1833 году академик Э.Х. Ленц открыл принцип обратимости электрических машин, объединивший впоследствии пути развития двигателей и генераторов. И вот в 1870 г. сотрудник французской фирмы «Альянс» З. Грамм создал промышленный тип электрического генератора постоянного тока, давший новый импульс в развитие электропривода и внедрению его в промышленность. Наш соотечественник электротехник В.Н. Чиколев (1845-1898) создает в 1879 году ЭП для дуговых ламп, электроприводы швейной машины (1882) и вентилятора (1886), отмеченные золотыми медалями на всероссийских выставках. Происходит внедрение ЭП постоянного тока в военно-морском флоте: подъемник боезапасов на броненосце «Сисой Великий» (1890-1894), первый рулевой привод на броненосце «12 Апостолов» (1992). В 1895 году А.В. Шубин разработал систему «инжектор-двигатель» для рулевого управления, установленный в дальнейшем на броненосцах «Князь Суворов», «Слава» и др. Электропривод проникает в ткацкое производство на подмосковные текстильные фабрики Морозова, Лингардта, Прохоровскую мануфактуру, где уже к 1896 году работало значительное число двигателей постоянного тока. Отмечаются случаи использования электропривода в городском транспорте — трамвайные линии в городах Киеве, Казани и Нижнем Новгороде (1892) и — несколько позже — в Москве (1903) и Петербурге (1907). Однако отмеченные успехи были незначительными. В 1890 году электропривод составлял всего лишь 5% от общей мощности используемых механизмов. Появившийся практический опыт требовал анализа, систематизации и разработки теоретической базы для последующего освещения путей развития ЭП. Огромную роль здесь сыграл научный труд нашего соотечественника крупнейшего электротехника Д.А. Лачинова (1842-1903), опубликованный в 1880 году в журнале «Электричество» под названием «Электромеханическая работа», заложившей первые основы науки об электроприводе. Д.А. Лачинов убедительно доказал преимущества электрического распределения механической энергии, впервые дал выражение для механической характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, дал классификацию электрических машин по способу возбуждения, рассмотрел условия питания двигателя от генератора. Поэтому 1880 год — год опубликования научного труда «Электромеханическая работа» считается годом рождения науки об электроприводе.
Наряду с электроприводом постоянного тока пробивай себе дорогу в жизнь и электропривод переменного тока. В 1841 году англичанин Ч. Уитсон построил однофазный синхронный электродвигатель. Но он не нашел практического применения из-за трудностей при пуске. В 1876 году П.Н. Яблочков (1847-1894) разработал несколько конструкций синхронных генераторов для питания изобретенных им свечей, а также изобрел трансформатор. Следующим шагом на пути к ЭП переменного тока явилось открытие в 1888 году итальянцем Г. Феррарисом и югославом Н. Теслой явление вращающегося магнитного поля, что положило начало конструированию многофазных электродвигателей. Феррарисом и Теслой были разработаны несколько моделей двухфазных двигателей переменного тока. Однако двухфазный ток в Европе не получил широкого распространения. Причиной этого была разработка русским электротехником М.О. Доливо Добровольским (1862-1919) в 1889 году более совершенной трехфазной системы переменного тока. В этом же 1889 году 8 марта он запатентовал асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АД КЗ), а несколько позднее — и с фазным ротором. Уже в 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте на Майне М.О. Доливо-Добровольский продемонстрировал асинхронные электдвигатели мощностью 0, 1 кВт (вентилятор); 1, 5 кВт (генератор постоянного тока) и 75 кВт (насос). Доливо-Добровольским также были разработаны 3-х фазный синхронный генератор и 3-х фазный трансформатор, конструкции которых остается практически неизменными и в наше время. Марсель Депре в 1881 году обосновал возможность передачи электроэнергии на расстоянии, и в 1882 была построена первая линия электропередачи протяженностью 57 км и мощность 3 кВт. В результате вышеперечисленных работ были устранены последние принципиальные технические препятствия к распространению электрической передачи энергии и был создан наиболее надежный, простой и дешевый электрический двигатель, пользующийся в настоящее время исключительным распространением. Более 50 % всей электроэнергии преобразуется в механическую посредством самого массового электропривода на основе АД КЗ. Первые в России 3-х фазные ЭП переменного тока были установлены в 1893 году в Шепетовке и на Коломенском заводе, где к 1895 году было установлено 209 электродвигателей общей мощностью 1507 кВт. И все же темпы внедрения электропривода в промышленность оставались низкими из-за отсталости России в области электротехнического производства (2, 5 % от мировой продукции) и выработки электроэнергии (15 место в мире) даже в пору расцвета царской России (1913).
электропривод мостовой кран ток
История развития промышленного электропривода
Электрический привод (ЭП) играет большую роль в реализации задач повышения производительности труда в разных отраслях народного хозяйства, автоматизации и комплексной механизации производственных процессов. Около 70 % вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую энергию электродвигателями (ЭД), которые приводят в движение различные станки и механизмы.
Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.
Понятие электропривода.
История создания электропривода.
Работы отечественных и зарубежных ученых.
Роль электропривода в народном хозяйстве.
| Значение коэффициента электрификации, % | Год |
| 5 | 1890 |
| 40 | 1913 |
| 51 | 1928 |
| 69 | 1932 |
| 80 | 1935 |
| около 100 | 1987 |
- ГОСТ 50369-92. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ . Термины и оп-
Магнитогорск 2010
Похожие страницы:
История развития процессоров INTEL Процессоры INTEL ATOM
Курсовая работа >> Информатика
. Кафедра электропривода КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине:”Микропроцессорные средства.” на тему:”История развития процессоров . автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня «Роллс-ройс» стоил .
Автоматизированный электропривод. Конспект лекций
Конспект >> Промышленность, производство
. спецификой автоматизированного электропривода; роли, которую играет электропривод в промышленности, историей и перспективами его развития. Рассмотрен ряд . некоторых позиций законы управления АД. Развитие промышленной электроники позволило в полной мере .
Стратегия социально-экономического развития Нижнекамского муниципального района до 2012 года
Научная работа >> Экономика
. концертно-творческий центр; — музей истории города; — госкиноучреждение. В МО . Рекомендации по формированию и развитию промышленного кластера в Нижнекамском муниципальном . . руб. (внедрение регулируемого электропривода дымососа и дутьевого вентилятора парового .
Научно-технические открытия конца XIX — начала XX столетия и их влияние на экономическое мировое развитие
Реферат >> Экономика
. научно-технического прогресса развитие промышленности за два последних . рабочим местам направлялась по электроприводу, который был общим для . Ростов н/Д.: «Феникс», 1998.-267с. 6. Экономическая история: Учебное пособие/ В.Г. Сарычев, А.А. Успенский, .
Динамика развития газоперерабатывающей промышленности Западно Сибирского региона
Реферат >> Геология
. коренными структурными изменениями в экономике промышленно развитых регионов, к которым, в . — особая страница в отечественной истории. Развитие Тюменской области связано в основном . газоперекачивающих агрегатов К-354 с электроприводом СТДП – 6300 мощностью .
Когда были установлены первые 3 х фазные эп переменного тока
B) Они получены при относительных условиях питание;
C) Они получены при не нормальных условиях питание;
D) Все ответы правильны;
E) Все ответы неправильны;
56. Что такое электромеханическая характеристика двигателя?
A) зависимости установившейся частоты вращения от вращающего момента – n = f1(M) или ω = f2(M);– n = f3(I) или ω = f4(I);
B) зависимости установившейся частоты вращения от тока
C) Зависимости установившейся частоты вращения от момента;
D) Зависимости установившейся частоты вращения от сопротивления;
E) Зависимости установившейся частоты вращения от напряжения;
57. Что такое механическая характеристика двигателя?
A) зависимости установившейся частоты вращения от вращающего момента – n = f1(M) или ω = f2(M); – n = f3(I) или ω = f4(I);B340
B) зависимости установившейся частоты вращения от тока
C) Зависимости установившейся частоты вращения от момента;
D) Зависимости установившейся частоты вращения от сопротивления;
E) Зависимости установившейся частоты вращения от напряжения;
58.М=(Фпар+Фпос) См- это момент двигателя постоянного тока …?
A) Параллельного возбуждения;
B) Смешенным обмоткой возбуждения;
C) Последовательно возбуждения;
D) Трансформатора;
E) все ответы правильны;
59.Ея=(Фпар+Фпос)Iя- это …?
A) ЭДС двигателя постоянного тока смешенного возбуждения;
B) ЭДС ДПТ параллельного возбуждения;
C) ЭДС ДПТ последовательного возбуждения;
D) ЭДС асинхронного двигателя;
E) все ответы правильны;
60.Обмотка какого двигателя соединяется параллельно и последовательно ?
A) Смешенного возбуждения;
B) Параллельного возбуждения;
C) Последовательного возбуждения;
D) Синхронного двигателя;
E) все ответы правильны;
- Тест по теме Возобновляемые источники энергии (часть 1)
- Тест по Основам трансформации теплоты с ответами (часть 1)
Трехфазные электрические цепи — история, устройство, особенности расчета напряжения, тока и мощности
Трехфазные электрические цепи — это частный случай многофазных электрических систем, в которых действуют синусоидальные напряжения одной частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120 градусов. Трехфазные цепи имеют ряд преимуществ перед однофазными, таких как более высокая мощность, экономичность, упрощение конструкции и управления электрических машин.
Трехфазные цепи состоят из трех фаз, которые могут быть соединены различными способами. Самые распространенные схемы соединения — это звезда и треугольник.
В схеме звезда каждая фаза подключается к общей точке, называемой нейтралью, а напряжение между фазами называется линейным. В схеме треугольник каждая фаза подключается к следующей, образуя замкнутый контур, а напряжение между фазами называется фазным.
Краткая историческая справка
Исторически первым явление вращающегося магнитного поля описал Никола Тесла, и датой этого открытия принято считать 12 октября 1887 года, — момент подачи ученым заявок на патенты, касающиеся асинхронного двигателя и технологии передачи электроэнергии.
1 мая 1888 года в США, Тесла получит свои главные патенты — на изобретение многофазных электрических машин (в том числе на асинхронный электродвигатель) и на системы передачи электрической энергии посредством многофазного переменного тока.
Сутью новаторского подхода Тесла к данному вопросу явилось его предложение строить всю цепочку генерации, передачи, распределения и использования электроэнергии как единую многофазную систему переменного тока, включающую в себя и генератор, и линию передачи, и двигатель переменного тока, который Тесла называл тогда «индукционным».
На европейском континенте, параллельно изобретательской деятельности Тесла, аналогичную задачу решал Михаил Осипович Доливо-Добровольский, работа которого была направлена на оптимизацию способа широкомасштабного использования электроэнергии.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский — это выдающийся российский и германский инженер-электротехник, который сделал большой вклад в развитие электротехники. Он изобрел асинхронный двигатель переменного тока, разработал систему трехфазного тока и создал ряд электротехнических приборов и устройств.
Он родился в 1862 году в Гатчине в дворянской семье с польско-еврейскими корнями. В 1881 году он был исключен из Рижского политехнического института за участие в антиправительственной агитации и переехал в Германию, где продолжил свое образование в Дармштадтском техническом университете.
В 1887 году он устроился на фирму AEG, где работал до конца своей жизни, с 1909 года занимая пост директора. Он умер в 1919 году в Гейдельберге.
На основе технологии двухфазного тока Николы Тесла, Михаил Осипович самостоятельно разработал трёхфазную электрическую систему (как частный случай многофазной системы) и асинхронный электродвигатель совершенной конструкции — с ротором типа «беличья клетка». Патент на двигатель Михаил Осипович получит 8 марта 1889 года в Германии.
Трехфазная сеть по Доливо-Добровольскому строилась по тому же принципу, что и у Тесла: механическую энергию в электрическую преобразует трехфазный генератор, по линии электропередач к потребителям подаются симметричные ЭДС, при этом потребителями выступают трехфазные двигатели или однофазные нагрузки (такие как лампы накаливания).
Трехфазные цепи переменного тока по сей день служат для обеспечения генерации, передачи и распределения электрической энергии. Данные цепи, как следует из их названия, строятся каждая из трех электрических подцепей, в каждой из которых действует синусоидальная ЭДС. ЭДС эти генерируются общим источником, имеют равные амплитуды, равные частоты, однако смещены по фазе друг относительно друга на 120 градусов или на 2/3 пи (треть периода).
Каждая из трех цепей трехфазной системы именуется фазой: первая фаза – фаза «А», вторая фаза – фаза «В», третья фаза – фаза «С».
Начала этих фаз обозначаются соответственно буквами А, В и С, а концы фаз – X, Y и Z. Данные системы отличаются экономичностью, в сравнении с однофазными; возможностью простого получения вращающегося магнитного поля статора для двигателя, доступностью двух напряжений на выбор — линейного и фазного.
Генератор трехфазного тока и асинхронные двигатели
Итак, трехфазный генератор представляет собой синхронную электрическую машину, предназначенную для создания трех гармонических ЭДС, смещенных на 120 градусов по фазе (по сути — во времени) друг относительно друга.
На статоре генератора для этой цели установлена трехфазная обмотка, у которой каждая фаза состоит из нескольких катушек, причем магнитная ось каждой «фазы» обмотки статора физически в пространстве повернута на треть окружности относительно двух других «фаз».
Такое расположение обмоток позволяет получать он них систему трехфазных ЭДС в процессе вращения ротора. Ротором здесь служит постоянный электромагнит, возбуждаемый током обмотки возбуждения, расположенной на нем.
Турбина на электростанции вращает ротор с постоянной скоростью, магнитное поле ротора вращается вместе с ним, магнитные силовые линии пересекают проводники обмоток статора, в итоге получается система индуцированных синусоидальных ЭДС одинаковой частоты (50 Гц), смещенных друг относительно друга во времени на треть периода.
Амплитуда ЭДС определяется индукцией магнитного поля ротора и количеством витков в обмотке статора, а частота — угловой скоростью вращения ротора. Если принять начальную фазу обмотки А равной нулю, то для симметричных ЭДС трех фаз можно сделать запись в форме тригонометрических функций (фаза в радианах и в градусах):
Кроме того возможна запись действующих значений ЭДС и в комплексной форме, а также изображение множества мгновенных значений в графическом виде (см.рис2):
Векторные диаграммы отражают взаимный фазовый сдвиг трех ЭДС системы, причем в зависимости от направления вращения ротора генератора, направление чередования фаз будет различаться (прямое или обратное). Соответственно, направление вращения ротора подключенного к сети асинхронного двигателя будет разным:
Если нет дополнительных оговорок, то подразумевается прямое чередование ЭДС в фазах трехфазной цепи. Обозначение начал и концов обмоток генератора — соответствующих фаз, а также направление действующих в них ЭДС, показано на рисунке (справа схема замещения):
Схемы подключения трехфазной нагрузки — «звезда» и «треугольник»
Для питания нагрузки через три провода трехфазной сети, к каждой из трех фаз присоединяют как-бы по своему потребителю, или по фазе трехфазного потребителя (так называемого приемника электроэнергии).
Трехфазный источник можно изобразить схемой замещения из трех идеальных источников симметричных гармонических ЭДС. Идеальные приемники представлены здесь тремя полными комплексными сопротивлениями Z, каждое из которых питается от соответствующей фазы источника:
На рисунке для ясности изображены три цепи, не связанные между собой электрически, однако на практике такое включение не используется. В реальности три фазы все же имеют электрические соединения друг с другом.
Фазы трехфазных источников и трехфазных потребителей соединяют друг с другом различными способами, и чаще всего встречается одна из двух схем — «треугольник» или «звезда».
Фазы источника и фазы потребителя могут быть сопряжены между собой разными сочетаниями: источник соединен звездой и приемник звездой, или источник — звездой, а приемник — треугольником.
Именно такие сочетания соединений и применяются чаще всего на практике. Схема «звезда» предполагает наличие одной общей точки у трех «фаз» генератора или трансформатора, такая общая точка называется нейтралью источника (или нейтралью приемника, если речь о «звезде» потребителя).
Соединяющие источник и приемник провода, называются линейными проводами, они связывают выводы обмоток фаз генератора и приемника. Провод, соединяющий нейтраль источника и нейтраль приемника называют нейтральным проводом . Каждая фаза образует своеобразную индивидуальную электрическую цепь, где каждый из приемников присоединен к своему источнику парой проводов — одним линейным и одним нейтральным.
Когда конец одной фазы источника соединяется с началом второй его фазы, конец второй — с началом третьей, а конец третьей — с началом первой, такое соединение фаз источника называется «треугольник». Три провода приемника, присоединенные аналогичным образом между собой, тоже образуют схему «треугольник», и вершины данных треугольников присоединяются друг к другу.
Каждая фаза источника в данной схеме образует собственную электрическую цепь с приемником, где присоединение образовано двумя проводами. Для такого подключения названия фаз приемника записывают двумя буквами в соответствии с проводами: ab, ac, ca. Индексы для параметров фаз обозначают этими же буквами: комплексные сопротивления Zab, Zac, Zca.
Фазное и линейное напряжения
У источника, обмотка которого соединена по схеме «звезда», имеется две системы трехфазных напряжений: фазное и линейное.
Фазное напряжение — между линейным проводом и нейтралью (между концом и началом одной из фаз).
Линейное напряжение — между началами фаз или между линейными проводами. За положительное направление напряжения здесь условно принимают направление от точки цепи с более высоким потенциалом — к точке с более низким потенциалом.
Разница между фазным и линейным напряжением состоит в том, что фазное напряжение измеряется между фазой и нейтралью (в трехфазной системе) или между двумя проводами (в однофазной системе), а линейное напряжение — между двумя фазами (в трехфазной системе) или между проводом и нейтралью (в однофазной системе).
Фазное и линейное напряжения имеют разное применение в электротехнике. Фазное напряжение используется для питания однофазных потребителей, таких как бытовые приборы, осветительные устройства и т.д. Линейное напряжение используется для питания трехфазных потребителей, таких как электродвигатели, трансформаторы и т.д.
Поскольку внутренние сопротивления обмоток генератора крайне малы, ими обычно пренебрегают, и считают, что фазные напряжения равны фазным ЭДС, поэтому и на векторных диаграммах напряжения и ЭДС обозначают одними и теми же векторами:
Приняв потенциал нейтральной точки за ноль, получим, что потенциалы фаз окажутся тождественны фазным напряжениям источника, а линейные напряжения — разностям фазных напряжений. Векторная диаграмма примет вид как на рисунке выше.
Каждая точка на такой диаграмме соответствует определенной точке трехфазной цепи, и проведенный между двумя точками диаграммы вектор покажет поэтому напряжение (его величину и фазу) между соответствующими двумя точками той цепи, для которой построена данная диаграмма.
В силу симметричности фазных напряжений, симметричны и линейные напряжения. Это видно по векторной диаграмме. Векторы линейных напряжений лишь сдвинуты между собой так же на 120 градусов. А соотношение между фазными и линейными напряжениями легко находится из треугольника на диаграмме: линейное в корень из трех раз больше фазного.
Кстати, для трехфазных цепей всегда нормируются именно линейные напряжения, ибо только при введении нейтрали можно будет говорить еще и о напряжении фазном.
Расчеты для «звезды»
На рисунке ниже изображена схема замещения приемника, фазы которого соединены «звездой», подключенного через провода ЛЭП к симметричному источнику, выводы которого обозначены соответствующими буквами. При расчетах трехфазных цепей решаются задачи по нахождению линейных и фазных токов когда известны сопротивления фаз приемника и напряжения источника.
Токи в линейных проводниках называются линейными токами, их положительное направление — от источника — к приемнику. Токи в фазах приемника — это фазные токи, их положительное направление — от начала фазы — к ее концу, как направление фазных ЭДС.
Когда приемник собран по схеме «звезда», имеет место ток и в нейтральном проводнике, его положительным направлением принимается — от приемника — к источнику, как на ниже приведенном рисунке.
Если рассмотреть для примера несимметричную четырехпроводную цепь нагрузки, то фазные напряжения приемника, при наличии нейтрального проводника, окажутся равны фазным напряжениям источника. Токи в каждой фазе находятся по закону Ома. А первый закон Кирхгофа позволит найти величину тока и в нейтрали (в нейтральной точке n на рисунке выше):
Далее рассмотрим векторную диаграмму данной цепи. На ней отражены линейные и фазные напряжения, также построены несимметричные фазные токи, показан цветом и ток в нейтральном проводнике. Ток нейтрального провода построен как сумма векторов фазных токов.
Пусть теперь нагрузка фаз симметрична и имеет активно-индуктивный характер. Построим векторную диаграмму токов и напряжений, приняв в расчет тот факт, что ток отстает от напряжения на угол фи:
Ток в нейтрально проводе будет равен нулю. Значит при соединении «звездой» симметричного приемника нейтральный провод влияния не оказывает, и может быть в принципе убран. Нет надобности в четырех проводах, достаточно трех.
Нейтральный провод в цепи трехфазного тока
Нейтральный провод в цепи трехфазного тока — это проводник, который подключается к общей точке схемы соединения фаз, называемой нейтралью. Нейтральный провод позволяет использовать трехфазную сеть для питания однофазной нагрузки фазным напряжением. Нейтральный провод имеет потенциал, близкий к нулю, в нормальном режиме работы.
Нейтральный провод может быть четвертым проводом в четырехпроводной трехфазной сети или отсутствовать в трехпроводной трехфазной сети.
Если система фазных токов симметрична, то ток в нейтральном проводе равен нулю, так как сумма векторов фазных токов равна нулю. Если система фазных токов несимметрична, то ток в нейтральном проводе не равен нулю, и его величина зависит от степени несимметрии.
Нейтральный провод в трехфазной сети имеет ряд проблем и особенностей, таких как:
- Отгорание (обрыв) нейтрального провода в трехфазных сетях может привести к повышению напряжения на однофазных потребителях и их выходу из строя.
- Наличие гармоник, кратных третьей, в трехфазной сети приводит к тому, что ток в нейтральном проводе может быть больше, чем ток в фазных проводах, что требует увеличения сечения нейтрального провода.
- Необходимость заземления нейтрального провода для обеспечения безопасности и защиты от перенапряжений.
Когда нейтральный проводник имеет достаточно большую длину, он оказывает ощутимое сопротивление прохождению тока. Отразим это на схеме добавив резистор Zn.
Ток в нейтральном проводнике создает падение напряжения на сопротивлении, что приводит к искажению напряжений в фазных сопротивлениях приемника. Второй закон Кирхгофа для цепи фазы А приводит нас к следующему уравнению, и далее — находим по аналогии напряжения фаз В и С:
Хотя фазы источника симметричны, фазные напряжения приемника несимметричны. И согласно методу узловых потенциалов напряжение между нейтральными точками источника и приемника будет равно (ЭДС фаз равны фазным напряжениям):
Иногда, когда сопротивление нейтрального провода очень мало, его проводимость можно принять бесконечной, и значит напряжение между нейтральными точками трехфазной цепи считать равным нулю.
Таким образом, симметричные фазные напряжения приемника не искажаются. Ток в каждой фазе и ток в нейтральном проводнике находятся по закону Ома или по первому закону Кирхгофа:
Симметричный приемник имеет одинаковые сопротивления в каждой из своих фаз. Напряжение между нейтральными точками равно нулю, сумма фазных напряжений равна нулю и ток в нейтральном проводнике равен нулю.
Таким образом для симметричного приемника соединенного «звездой» наличие нейтрали не влияет на его работу. Но соотношение между линейными и фазными напряжениями остаются в силе:
Несимметричный приемник, соединенный по схеме «звезда», в отсутствие нейтрального проводника будет обладать максимальным напряжением смещения нейтрали (проводимость нейтрали нулевая, сопротивление — бесконечность):
Максимальны в этом случае и искажения фазных напряжений приемника. Векторная диаграмма фазных напряжений источника, с построением напряжения нейтрали, отражает данный факт:
Очевидно, при изменении величин или характера сопротивлений приемника, величина напряжения смещения нейтрали варьируется в широчайших пределах, и нейтральная точка приемника на векторной диаграмме может располагаться в самых разных местах. При этом фазные напряжения приемника будут значительно различаться.
Вывод: симметричная нагрузка допускает удаление нейтрального провода без влияния на фазные напряжения у приемника; несимметричная нагрузка при удалении нейтрального проводника сразу ведет к устранению жесткой связи между напряжениями приемника и напряжениями фаз генератора, — на напряжения нагрузки влияют теперь только линейные напряжения генератора.
Несимметричная нагрузка приводит к несимметрии фазных напряжений на ней, и к смещению нейтральной точки дальше от центра треугольника векторной диаграммы.
Нейтральный провод поэтому необходим для выравнивания фазных напряжений приемника в условиях его несимметричности или при подключении к каждой из фаз однофазных приемников, рассчитанных на фазное, а не на линейное напряжение.
По этой же причине нельзя в цепь нейтрального провода устанавливать предохранитель, так как в случае разрыва нейтрального провода на фазных нагрузках возникнет тенденция к опасным перенапряжениям.
Расчеты для «треугольника»
Теперь рассмотрим соединение фаз приемника по схеме «треугольник». На рисунке показаны выводы источника, причем нейтральный провод отсутствует, да и присоединять его здесь некуда. Задача при такой схеме соединения обычно заключается в том, чтобы вычислить фазные и линейные токи при известных напряжении источника и фазных сопротивлениях нагрузки.
Напряжения между линейными проводами — это и есть фазные напряжения при соединении нагрузки «треугольником». Исключая из рассмотрения сопротивления линейных проводов, линейные напряжения источника приравниваем к линейным напряжениям фаз потребителя. Фазные токи замыкаются по комплексным сопротивлениям нагрузки и по проводам.
За положительное направление фазного тока принимают направление соответствующее фазным напряжениям, от начала — к концу фазы, а для линейных токов — от источника — к приемнику. Токи в фазах нагрузки находятся по закону Ома:
Особенность «треугольника», в отличие от звезды, в том, что фазные токи здесь не равны линейным. По фазным токам можно вычислить линейные, воспользовавшись первым законом Кирхгофа для узлов (для вершин треугольника). А сложив уравнения, получим, что сумма комплексов токов линейных равна в треугольнике нулю независимо от симметричности или несимметричности нагрузки:
При симметричной нагрузке линейные (равные фазным в данном случае) напряжения создают систему симметричных токов в фазах нагрузки. Фазные токи являются равновеликими, а отличаются лишь фазами на треть периода, то есть на 120 градусов. Линейные токи — тоже равны между собой величинами, отличия лишь в фазах, что и отражено на векторной диаграмме:
Допустим, что диаграмма построена для симметричной нагрузки индуктивного характера, тогда фазные токи запаздывают по отношению к фазным напряжениям на некоторый угол фи. Линейные токи образованы разностью двух токов фазных (так как соединение нагрузки «треугольник») и при этом симметричны.
Рассмотрев треугольники на диаграмме, легко видеть, что соотношение между токами фазными и линейными имеет вид:
То есть при симметричной нагрузке, соединенной по схеме «треугольник», действующее значение фазного тока в корень из трех раз меньше действующего значения тока линейного. В условиях симметрии для «треугольника» расчет для трех фаз сводится к расчету для единственной фазы. Линейное и фазное напряжения равны между собой, фазный ток находится по закону Ома, линейный ток — в корень из трех раз больше фазного.
Несимметричная нагрузка предполагает различие в комплексных сопротивлениях, что характерно для питания различных однофазных приемников от одной трехфазной сети. Здесь фазные токи, фазные углы, мощности в фазах, — будут различаться.
Пусть в одной фазе имеется чисто активная нагрузка (ab), в другой — активно-индуктивная (bc), в третьей — активно-емкостная (ca). Тогда векторная диаграмма будет иметь вид подобный тому, как на рисунке:
Токи в фазах не симметричны, и для нахождения линейных токов придется прибегать к графическим построениям или к уравнениям для вершин по первому закону Кирхгофа.
Отличительная особенность схемы приемника «треугольник» в том, что при варьировании сопротивления в одной из трех фаз, для оставшихся двух фаз условия не изменятся, поскольку линейные напряжения никак не поменяются. Изменится лишь ток в одной конкретной фазе и токи в передающих проводах, к которым данная нагрузка подключена.
В связи с данной особенностью схема соединения трехфазной нагрузки по схеме «треугольник» востребована обычно для питания несимметричной нагрузки.
В ходе расчета несимметричной нагрузки в схеме «треугольник», первым делом вычисляют фазные токи, затем сдвиги фаз, и только потом находят линейные токи в соответствии с уравнениями по первому закону Кирхгофа или прибегают к векторной диаграмме.
Мощность в трехфазной цепи
Мощность в трехфазной цепи — это величина, характеризующая работу электрического тока в трехфазной системе. Мощность в трехфазной цепи зависит от способа соединения фаз (звездой или треугольником), фазных и линейных напряжений и токов, сдвига фаз между токами и напряжениями, коэффициента мощности и других параметров.
Для трехфазной цепи, как и для любой цепи переменного тока, характерны полная, активная и реактивная мощности. Так, активная мощность для несимметричной нагрузки равна сумме трех активных составляющих:
Реактивная мощность — есть сумма реактивных мощностей в каждой из фаз:
Для «треугольника» подставляются фазные величины, как то:
Полная мощность каждой из трех фаз считается так:
Полная мощность любого трехфазного приемника:
Для симметричного трехфазного приемника:
Для симметричного приемника, включенного по схеме «звезда»:
Для симметричного «треугольника»:
Значит и для «звезды», и для «треугольника»:
Мощности активная, реактивная, полная — для любой симметричной схемы приемника:
Трехфазные электрические цепи — это наиболее распространенный и эффективный способ генерации, передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из трех синусоидальных ЭДС, смещенных друг относительно друга на 120 градусов по фазе.
Трехфазные цепи имеют ряд преимуществ перед однофазными, таких как экономия проводников, возможность создания вращающегося магнитного поля, доступность двух напряжений на выбор — линейного и фазного.
Соединение фаз трехфазных источников и приемников может быть выполнено по разным схемам, наиболее часто используются схемы “звезда” и “треугольник”. От выбора схемы зависят соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами, а также влияние симметрии или несимметрии нагрузки на работу цепи.
Для расчета трехфазных цепей применяются общие законы электротехники, такие как законы Ома, Кирхгофа, а также векторная алгебра и комплексные числа.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: