Программа по дисциплине Теоретические основы электротехники
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
Тема 6. Трехфазные цепи переменного тока (16 часов) Занятие 49 Устройство трехфазного генератора. Однофазные системы малоэффективны вследствие несовершенства однофазных электроаппаратов, в частности электромашин. Так, например при одинаковых габаритах, массе активных материалов ( стали и меди ) мощность однофазной машины в 1,5 раза меньше трехфазной машины. Многофазной системой называется цепь переменного тока, в которой действуют две и более ЭДС одинаковой частоты, но взаимно смещенные по фазе на определенные углы. Отдельные цепи, составляющие многофазную систему, называются фазами. Трехфазная система состоит из трех электрических цепей , ЭДС источников которых имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 120 градусов. См. рис.47.1.  Рис.47. 1. а) График ЭДС в трехфазной сети б) Векторная диаграмма трехфазной сети В качестве источника электрической энергии в трехфазной цепи используется трехфазный генератор.(см. рис.47.2).   Рис.47. 2. Схема устройства трехфазного генератора и условное обозначение трехфазной обмотки.  Рис.47.3. Устройство трехфазного генератора Трехфазная обмотка. расположенная на статоре генератора, представляет собой три катушки электрически сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. При вращении ротора, представляющего собой постоянный электромагнит, его магнитное поле пересекает катушки, наводя в них ЭДС, сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. (см. рис.47.1.а.) Катушки (фазы) трехфазного генератора можно соединять звездой или треугольником. Таким же способом можно соединять и потребители электрической энергии. Занятие 50 Соединение трехфазной цепи звездой.  Рис.50.1. Схема соединения трехфазной сети "звездой" При соединении обмоток генератора "звездой " концы всех трех фаз x, y, z соединяются между собой, а от начал выводятся провода, отводящие энергию в сеть. Полученные таким образом три провода называются линейными, а напряжения между любыми двумя линейными проводами – линейными напряжениями Uл. От общей точки соединения концов трех фаз ( нулевой точки ) может быть отведен четвертый провод, называемый нулевым. Напряжение между любым из трех линейных проводов и нулевым проводом называется фазным напряжением.Uф. При соединении "звездой", соотношения между линейным и фазным напряжениями равны:   При соединении "звездой", соотношения между линейным и фазным токами Iл = Iф Государственный стандарт предусматривает Uл = 380 В, Uф = 220 В Занятие 51 Соединение трехфазной цепи треугольником.  Рис.51.1. Схема соединения трехфазной сети "треугольником" При соединении обмоток генератора "треугольником", начало каждой фазы соединяется с концом обмотки другой фазы. Таким образом три фазы генератора образуют замкнутый контур, в котором действует ЭДС , равная геометрической сумме ЭДС , индуктированных в фазах. Линейные провода при соединении треугольником подключены к точкам соединения начала одной фазы и конца другой. Напряжения между линейными проводами равно напряжению между началом и концом одной фазы. При соединении треугольником линейное напряжение Uл равно фазному U ф. Uл = U ф При соединении "треугольником", соотношения между линейным и фазным токами равны: Iл = 1,73 Iф Занятие 52 Вращающееся магнитное поле. Одним из важнейших преимуществ многофазных систем является получение вращающегося магнитного поля с помощью неподвижных катушек, на чем основана работа двигателей переменного тока. Магнитное поле, ось которого вращается в пространстве с постоянной угловой частотой, называется вращающимся магнитным полем. Формирование кругового вращающегося магнитного поля является необходимым условием работы асинхронных и синхронных машин. Для этого в пазы пакета статора укладывают три одинаковые обмотки (катушки), состоящие из двух частей, располагающихся диаметрально противоположно в пакете статора. Причем оси трех обмоток статора смещены по отношению друг к другу на 120° . Если схематически представить обмотки статора состоящими из одного витка, то на статоре будет только шесть пазов, в каждом из которых будет лежать половина витка обмотки. Обозначим начала витков обмоток буквами A, B и C, а концы витков буквами X, Y и Z. Обозначим также направления протекания тока в витках обмоток, считая положительным направление от начала к концу обмотки. Тогда для положительных значений тока стороны A, B и C будут обозначены крестом, а стороны X, Y и Z – точкой( рис.52.1).  Рис.52.1. Вращающееся магнитное поле При подключении обмоток статора к трехфазной сети переменного тока в обмотках будут протекать токи  , смещенные во времени (по фазе) друг относительно друга на 120° электрических так, как это показано на рисунке. Выделим в пределах периода шесть моментов времени, отстоящих друг от друга на 60° эл. и для каждого из них отметим направления токов в обмотках с учетом знаков токов в соответствующий момент времени. В любой момент токи в двух половинах пакета статора протекают в разных направлениях и образуют магнитное поле, ось которого совпадает с осью разделения направлений токов, т.е. через каждые 60° эл. ось магнитного поля поворачивается в пространстве на 60° . Таким образом, с помощью этой симметричной системы обмоток, питающейся от симметричной системы трехфазной сети мы получили круговое вращающееся магнитное поле. Угловая частота, с которой магнитное поле вращается в пространстве, полностью определяется частотой питающей сети и электрической схемой обмоток. Если увеличить число витков вдвое и соединить их в обмотки так, чтобы по окружности пакета статора располагались две чередующиеся пары групп с одинаковым направлением тока, то образуется магнитное поле с двумя парами полюсов . Оно также будет вращаться в пространстве, перемещаясь за один период колебаний токов на угол соответствующий расстоянию между одноименными полюсами, т.е. на 180° . Значит, угловая скорость вращения поля будет вдвое меньшей. Таким образом, угловая частота вращения магнитного поля равна:  [рад/с] или  [об/мин],где: f1- частота питающей сети, p - число пар полюсов обмотки статора. Отсюда возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля для промышленной сети частотой 50 Гц: 3000, 1500, 1000, 750, 600 и т.д. [об/мин] Направление вращения магнитного поля определяется последовательностью подключения обмоток к трехфазной сети. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами точки подключения двух любых обмоток. Занятие 53 Принцип работы асинхронного двигателя. Наибольшее распространение среди электрических двигателей получили трехфазные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель состоит из двух принципиально важных частей :
На статоре расположена трехфазная обмотка. При подключении обмотки статора к трехфазной сети в ней возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения зависит от числа полюсов обмотки статора и определяется формулой: (об / мин)Где: f1 =50 Гц - частота тока в сети. p – число пар полюсов обмотки статора. Таким образом , при одной паре полюсов n1= 3000 об/мин, при р=2, n1 = 1500 , , при р=3, n1 = 1000 , при р=4, n1 = 750 об / мин. На роторе устанавливается, как правило, короткозамкнутая обмотка изготовленная в виде алюминиевых стержней закороченных с обоих сторон кольцами. Такая обмотка называется "беличьим колесом". В начальный момент ротор неподвижен, поэтому вращающееся магнитное поле статора с большой скоростью пересекает стержни обмотки ротора, наводя в них большую ЭДС. Так как стержни замкнуты накоротко, то в обмотке ротора возникает большой ток . Этот ток называется пусковым. Его значение обычно превышает значение номинального тока в 7 раз. Если этот ток будет действовать длительно, то это может привести к выходу двигателя из строя. При возникновении тока в обмотке ротора в нем также возникает магнитное поле, которое взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора приводит ротор во вращение. При увеличении скорости вращения ротора взаимная скорость перемещения полей статора и ротора уменьшается, уменьшается ЭДС и ток в роторе, достигая номинального значения.  Рис.53.1. Общий вид асинхронного двигателя переменного тока. 1 – передний подшипниковый щит 2 – выходной конец вала 3 – уплотнение подшипника 4 – шарикоподшипник 5 – лопатки вентилятора ротора 6 – короткозамыкающее кольцо 7 – болт 8 – станина 9 – рым-болт 10 – сердечник статора 11 – сердечник ротора 12 – обмотка статора 13 – винт крепления кожуха вентилятора 14 – кожух вентилятора 15 – задний подшипниковый щит 16 – вентилятор 17 – стопорное кольцо 18 – стопорный винт вентилятора Однако, исходя из принципа работы двигателя, скорость вращения ротора никогда не станет равной скорости вращающегося магнитного поля статора, так как при этом пропадает возможность индуктирования ЭДС в обмотке ротора и, соответственно, возникновения магнитного поля ротора. Это противоречит принципу работы двигателя. Двигатель потому и называется асинхронным, потому что скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращающегося магнитного поля статора. Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением.  Где: n1 – скорость вращающегося магнитного поля статора. n2 – скорость вращения ротора При пуске s = 1 , при номинальном режиме работы двигателя s= 4 – 6 % . Занятие 54 Индуктивно связанные элементы в цепи переменного тока. а) Индуктивно связанные катушки Две катушки называются индуктивно связанными, если изменение тока в одной из них вызывает возникновение напряжения в другой катушке.  Рис.54.1.а Рис.54.1.б На рисунке 54.1 «а» показано электромагнитное устройство с двумя обмотками (трансформатор), принцип действия которого основан на использовании явления взаимной индукции. Его электрическая схема приведена на рисунке 54.1 «б» ЭДС взаимной индукции наводится во вторичной обмотке при изменении тока в первичной обмотке будет равно:  где М- взаимная индуктивность обмоток; i- ток в первичной обмотке; е2-ЭДС взаимной индукции, наведенная во вторичной обмотке.  - скорость изменения тока в обмотке Если имеется взаимная индукция, то говорят, что обмотки индуктивно или магнитно связаны. Связь осуществляется посредством магнитного потока Ф. В устройстве на рисунке 54.1. магнитный поток Ф, созданный током i пронизывает обе обмотки и называется магнитным потоком взаимной индукции. Взаимная индуктивность, как и индуктивность, измеряется в генри (Гн). В отличие от собственной индуктивности Lвзаимная индуктивность Мобозначает не какой-либо самостоятельный элемент электрической цепи, а лишь магнитную связь между индуктивными элементами. Между индуктивностями L1и L2 контуров и взаимной индуктивностью М существует следующая зависимость:  Однако эта формула верна, когда весь поток, создаваемый первым контуром, сцепляется с витками второго контура. На практике М меньше  т.е.  Величина k меньше единицы и называется коэффициентом связи катушек. Электромагнитная связь между двумя контурами может быть изменена, если сближать контуры или удалять их один от другого, а также если менять взаимное расположение контуров. б) Трансформатор Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат для изменения величины напряжения или тока. Конструктивная схема трансформатора (см.рис.54.2) имеет магнитопровод 3из электротехнической стали и две обмотки на магнитопроводе: первичную 1с числом витков ω1и вторичную 2 с числом витков ω2. Обмотки выполняют из медного провода.  Рис.54.2. Трансформатор Первичная обмотка трансформатора включается в сеть переменного напряжения U1 , и в ней возникает ток I1. Ко вторичной обмотке ω2 подключается приемник электрической энергии. Рассмотрим трансформатор с разомкнутой цепью вторичной обмотки, т. е. в режиме холостого хода. При переменном токе в первичной обмотке создается переменный магнитный поток Ф , который замыкается по стальному сердечнику образует потокосцепление с обеими обмотками. Таким образом, в трансформаторе обмотки электрически между собой не связаны, а связаны переменным магнитным потоком. В обеих обмотках наводится ЭДС:  Отношение ЭДС:  Отношение чисел витков обмоток трансформатора k называется к о э ф ф и ц и е н т о м, трансформации. Отношение ЭДС при холостом ходе можно заменить отношением напряжений на зажимах обмоток, учитывая, что u1 ≈ e1 , u2 ≈ e2 Следовательно,  отсюда видно, что при ω2>ω1(u2>u1)трансформатор повышает, при ω2<ω1 (u2 Если к вторичной обмотке подключить приемник энергии, то в ее цепи возникнет ток I2и в приемник будет поступать электрическая энергия из сети через трансформатор. При этом передача энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется посредством магнитного поля. в) Режимы работы трансформатора Режим работы трансформатора зависит от величины нагрузки во вторичной обмотке. На Рис.54.3. показано условное обозначение трансформатора Тр1 с подключенной выключателем Вк нагрузкой (потребителем).  Рис.54.3. Схема подключения трансформатора Для трансформаторов характерны следующие режима работы: Режим холостого хода. Когда отключена нагрузка R (Вк разомкнут), и во вторичном разомкнутом контуре II ток нагрузки Iн2=0. Эдс Е2 во вторичной обмотке равна: Е2=U2 В первичной обмотке w1 протекает ток холостого хода Io. Ток холостого хода обусловлен тепловыми потерями в первичной обмотке, потерями на активном сопротивлении r первичной обмотки w1 , потерями в сердечнике за счет вихревых токов и за счет рассеивания магнитного поля в пространство, так как оно не замыкается полностью в магнитопроводе. Режим рабочего хода, или рабочий режим. При подключении нагрузки R ко вторичной обмотке w2 (Рис.54.3., выключатель Вк замкнут), образуется замкнутый контур II. В этом контуре потечет ток Iн2, а на обмотках установится напряжение U2 и U1. ТокIн2 ,проходящий по вторичной обмотке, создаст свой магнитный поток Ф2, направлен навстречу магнитному потоку Ф1первичной обмотки w1 , и стремится его уменьшить. Магнитный поток Ф1 стремится уравновесить магнитный поток Ф2. По этому при увеличении тока Iн2увеличивается значение токаIн1. Но магнитный поток Ф1 зависит от величины тока нагрузки Iн2 , следовательно при изменении нагрузки во вторичном контуре II, влечет к изменению величины тока в первичном контуре I. Отсюда можно сказать, пренебрегая потерями в сердечнике и в обмотках, что величина энергии потребляемой нагрузкой из вторичной обмотки, прямо пропорциональна энергии подаваемой из первичной обмотки Режим короткого замыкания. В этом режиме выводы вторичной обмотки соединяются между собой без нагрузки. Следует различать эксплуатационное короткое замыкание, которое происходит в электрической цепи и расценивается как аварийная работа, и опытное короткое замыкание. Опытное короткое замыкание производят при таком первичном напряжении U1= Uк , при котором токи Iн1 и Iн2 обмоток трансформатора имеют номинальное значение. При эксплуатационном коротком замыкании (аварийный режим) ток во вторичной цепи достигает очень большой величины. Соответственно резко увеличивается ток и в первичной обмотке, что приводит к перегреву изоляции и выходу трансформатора из строя. г) Мощность и КПД трансформатора Потери мощности в трансформаторе. Потери энергии в трансформаторе складываются из следующего вида потерь:
Мощность на вторичной обмотке трансформатора всегда меньше мощности на первичной обмотке на величину суммарных потерь в трансформаторе.  где: Р2 – активная мощность во вторичной обмотке трансформатора (Вт) Р1 – активная мощность в первичной обмотке трансформатора. (Вт) ∆Р – суммарные потери мощности в трансформаторе. (Вт) Примечание: Реально на первичную обмотку трансформатора подается полная мощность S, поэтому прежде, чем вести расчет на активную мощность и потери , необходимо учесть величину сos φ. Тогда активная мощность на первичной обмотке трансформатора определяется по формуле :  Где:S– полная мощность (ВА) Коэффициент полезного действия трансформатора. Коэффициент полезного действия η показывает, какая часть активной мощности идет на выполнение полезной работы. КПД определяется по формуле :  Коэффициент полезного действия η является безразмерной величиной. Иногда КПД определяют в процентах. Для этого значение, полученное по ранее указанной формуле умножают на 100. КПД в мощных трансформаторах достигает 0,98...0,99 (98% ÷ 99% ) д) Автотрансформатор Автотрансформаторы по принципу действия ничем не отличаются от обычных трансформаторов. Разница состоит в том, что автотрансформатор имеет одну обмотку, от которой сделаны выводы. Если автотрансформатор используется какпонижающий, то вся обмотка рассчитывается на напряжение сети U1, в которую нужно подключить автотрансформатор. Один вывод обмотки считается общим и как правило обозначается цифрой 0. Вторичные напряжения U1,U2,..Un берутся от выводов обмотки 1,2,3,…,n относительно к общему выводу. Если автотрансформатор используется как повышающий, то часть обмотки рассчитывается под напряжение сети U1, а вывод делается от всей обмотки, на которой образуется вторичное напряжение U2>U1. На Рис.54.4.а показана электромагнитная схема понижающего автотрансформатора. Обмотка w1 включается в электросеть с напряжением U1 . Нагрузка (потребители) подключается к части витков w2-1, w2-2 ,…., w2-n обмотки, на которых вторичное напряжение U2-1, U2-2 ,…., U2-n пропорциональные количеству витков w2-1, w2-2 ,…., w2-n.  Напряжения для понижающего трансформатора U1> U2-1; U1> U2-2;…. ;U1> U2-n, соответственно для витков w1> w2-1; w1> w2-2;….. ;w1> w2-n. На Рис. 54.4.б показана электромагнитная схема повышающнго автотрансформатора. Так как для первичной цепи (сетевой) , w1< w2, следует, что U1 Автотрансформаторы проще по конструкции. Имеют стоимость ниже, чем трансформаторы, так как на их изготовление расходуется меньше медного провода и меньше трудозатрат при изготовлении обмоток. Но есть существенный недостаток. Первичные цепи и вторичные цепи непосредственно имеют металлическую связь. Эта конструктивная особенность, во вторичных цепях, поддерживает потенциал первичной цепи, что во многих случаях, из-за требований безопасности и надежности, недопустимо. По этой причине автотрансформаторы не получили широкого распространения, особенно в электронной отрасли производства. Занятие 55 Трехфазный трансформатор Трехфазные трансформаторы изготовляют .главным образом стержневыми. Схема получения трехфазного стержневого трансформатора показана на рис. 55. 1. Три одинаковых однофазных трансформатора выполнены так, что их первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки Если эти три трансформатора расположить так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один — 0 .Через объединенный стержень О будут замыкаться магнитные потоки трех однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода   Рис.55.1. Схема получения трехфазного стержневого трансформатора из трех однофазных Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и обмотки однофазных. Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются буквами А, В и С;концы фаз обмоток высшего напряжения — X, Y и Z. Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается буквой О. Зажимы обмоток низшего напряжения обозначаются буквами: а, в, с— начала фаз и х, у, г— концы фаз; О — вывод нулевой точки.  Рис.55.2. Схема трехфазного трансформатора. Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником. При соединении обмоток звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются между собой, образуя общую нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подключаются к трем проводам сети источника (или приемника) электрической энергии переменного тока. При соединении обмоток в треугольник начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы — с концом третьей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключаются к проводам трехфазной сети переменного тока. (см.У33 и У34) Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обозначается Y, а треугольником — Δ Занятие 56 (2 часа) Контрольная работа Контрольные вопросы
Примечание: Каждому учащемуся необходимо решить задачу, предложенную преподавателем. Модуль 3. Электрические установки (18 часов) |