Trifazės elektros grandinės – istorija, įrenginys, įtampos, srovės ir galios charakteristikos
Trumpa istorinė istorija
Istoriškai pirmasis apibūdino besisukančio magnetinio lauko reiškinį Nikola Tesla, o šio atradimo data laikoma 1887 m. spalio 12 d., kai mokslininkai pateikė patentų paraiškas, susijusias su indukcinio variklio ir jėgos perdavimo technologija. 1888 m. gegužės 1 d. Jungtinėse Valstijose Tesla gaus savo pagrindinius patentus – už daugiafazių elektros mašinų (įskaitant asinchroninį elektros variklį) išradimą ir elektros energijos perdavimo daugiafaze kintamąja srove sistemas.
Tesla naujoviško požiūrio į šį klausimą esmė buvo jo pasiūlymas sukurti visą elektros gamybos, perdavimo, paskirstymo ir naudojimo grandinę kaip vieną daugiafazę kintamosios srovės sistemą, įskaitant generatorių, perdavimo liniją ir kintamosios srovės variklį, kurį Tesla tada vadino “. indukcija"...
Europos žemyne, lygiagrečiai su Tesla išradinga veikla, panašią problemą išsprendė Michailas Osipovičius Dolivo-Dobrovolsky, kurio darbas buvo skirtas optimizuoti didelio masto elektros energijos naudojimo metodą.
Remdamasis Nikola Tesla dviejų fazių srovės technologija, Michailas Osipovičius savarankiškai sukūrė trifazę elektros sistemą (kaip specialų daugiafazės sistemos atvejį) ir tobulos konstrukcijos asinchroninį elektros variklį su „voverės narvelio“ rotoriumi. Michailas Osipovičius gautų variklio patentą 1889 m. kovo 8 d. Vokietijoje.
Trifazis tinklas per Dolivo-Dobrovolski yra sukurtas tuo pačiu principu kaip ir Tesla: trifazis generatorius mechaninę energiją paverčia elektra, simetriškas EMF tiekiamas vartotojams per elektros liniją, o vartotojai yra trifaziai varikliai arba vienfazės apkrovos (pvz., kaitrinės lempos). .
Trifazės kintamosios srovės grandinės vis dar naudojamos elektros energijos gamybai, perdavimui ir paskirstymui. Šios grandinės, kaip rodo jų pavadinimas, sudarytos iš trijų elektros grandinių, kurių kiekvienoje veikia sinusinis EMF. Šie EML yra generuojami iš bendro šaltinio, turi vienodas amplitudes, vienodus dažnius, bet yra 120 laipsnių arba 2/3 pi (trečdaliu periodo) fazėje.
Kiekviena iš trijų trifazių sistemos grandinių vadinama faze: pirmoji fazė – fazė „A“, antroji fazė – fazė „B“, trečioji fazė – fazė „C“.
Šių fazių pradžia žymima atitinkamai A, B ir C raidėmis, o fazių pabaiga – X, Y ir Z.Šios sistemos yra ekonomiškos, palyginti su vienfaze; galimybė tiesiog gauti sukamąjį variklio statoriaus magnetinį lauką, pasirinkti dvi įtampas - tiesinę ir fazę.
Trifazis generatorius ir asinchroniniai varikliai
Taigi, trifazis generatorius yra sinchroninė elektros mašina, sukurta sukurti tris harmonines emfs 120 laipsnių nefazių (iš tikrųjų, laiku) vienas kito atžvilgiu.
Tuo tikslu ant generatoriaus statoriaus sumontuota trifazė apvija, kurioje kiekviena fazė susideda iš kelių apvijų, o kiekvienos statoriaus apvijos «fazės» magnetinė ašis erdvėje fiziškai pasukama trečdaliu apskritimas kitų dviejų „fazių“ atžvilgiu.
Toks apvijų išdėstymas leidžia gauti trifazio EML sistemą rotoriaus sukimosi metu. Rotorius čia yra nuolatinis elektromagnetas, sužadintas ant jo esančios lauko ritės srovės.
Jėgainėje esanti turbina rotorių sukasi pastoviu greičiu, kartu su juo sukasi ir rotoriaus magnetinis laukas, magnetinio lauko linijos kerta statoriaus apvijų laidus, dėl to susidaro to paties dažnio indukuotų sinusoidinių EML sistema. ( 50 Hz) gaunamas, pasislinkęs vienas kito atžvilgiu trečdaliu periodo.
EML amplitudė nustatoma pagal rotoriaus magnetinio lauko indukciją ir statoriaus apvijos apsisukimų skaičių, o dažnį – pagal rotoriaus sukimosi kampinį greitį. Jei imsime pradinę apvijos fazę A lygią nuliui, tada simetriškam trifaziam EMF galite rašyti trigonometrinių funkcijų forma (fazė radianais ir laipsniais):
Be to, galima įrašyti efektyvias EML vertes sudėtinga forma, taip pat grafine forma parodyti momentinių verčių rinkinį (žr. 2 pav.):
Vektorinės diagramos atspindi trijų sistemos EML fazių abipusį poslinkį ir, priklausomai nuo generatoriaus rotoriaus sukimosi krypties, fazės sukimosi kryptis skirsis (pirmyn arba atgal). Atitinkamai, prie tinklo prijungto asinchroninio variklio rotoriaus sukimosi kryptis skirsis:
Jei nėra papildomų rezervų, tai reiškia tiesioginį EMF kaitą trifazės grandinės fazėse. Generatoriaus apvijų pradžios ir galų žymėjimas - atitinkamos fazės, taip pat jose veikiančio EML kryptis parodyta paveikslėlyje (atitinkama diagrama dešinėje):
Trifazės apkrovos prijungimo schemos - "žvaigždė" ir "trikampis"
Norint tiekti apkrovą trimis trifazio tinklo laidais, kiekviena iš trijų fazių yra prijungta bet kuriuo atveju pagal vartotoją arba pagal trifazio vartotojo (vadinamojo elektros imtuvo) fazę.
Trifazis šaltinis gali būti pavaizduotas lygiaverte trijų idealių simetrinio harmoninio EML šaltinių grandine. Idealūs imtuvai čia pavaizduoti trimis sudėtingomis varžomis Z, kurių kiekviena maitina atitinkama šaltinio fazė:
Aiškumo dėlei paveikslėlyje parodytos trys grandinės, kurios nėra tarpusavyje sujungtos elektra, tačiau praktikoje tokia jungtis nenaudojama. Tiesą sakant, tarp trijų fazių yra elektros jungtys.
Trifazių šaltinių ir trifazių vartotojų fazės tarpusavyje jungiamos skirtingais būdais, dažniausiai randama viena iš dviejų schemų – „delta“ arba „žvaigždė“.
Šaltinio fazės ir vartotojo fazės gali būti sujungtos viena su kita įvairiais deriniais: šaltinis yra sujungtas su žvaigždute, o imtuvas yra sujungtas su žvaigždute, arba šaltinis yra sujungtas su žvaigždute, o imtuvas yra sujungtas su trikampiu.
Būtent šie junginių deriniai dažniausiai naudojami praktikoje. „Žvaigždės“ schema reiškia vieno bendro taško buvimą trijose generatoriaus ar transformatoriaus „fazėse“, toks bendras taškas vadinamas šaltinio neutraliu (arba imtuvo neutraliu, jei kalbame apie „žvaigždę“). „vartotojo“).
Laidai, jungiantys šaltinį ir imtuvą, vadinami linijiniais laidais, jie jungia generatoriaus ir imtuvo fazių apvijų gnybtus. Laidas, jungiantis šaltinio nulinę ir imtuvo nulinę, vadinamas nuliniu laidu... Kiekviena fazė sudaro savotišką atskirą elektros grandinę, kur kiekvienas iš imtuvų yra prijungtas prie savo šaltinio pora laidų - viena linija. ir vienas neutralus.
Kai vienos šaltinio fazės pabaiga yra prijungta prie jo antrosios fazės pradžios, antrosios – su trečiosios fazės pradžia, o trečios – su pirmosios fazės pradžia, šis išvesties fazių sujungimas. vadinamas „trikampiu“. Trys priėmimo laidai, sujungti panašiai vienas su kitu, taip pat sudaro „trikampio“ grandinę, o šių trikampių viršūnės yra sujungtos viena su kita.
Kiekviena šaltinio fazė šioje grandinėje suformuoja savo elektros grandinę su imtuvu, kur jungtis sudaro du laidai. Tokiam ryšiui imtuvo fazių pavadinimai rašomi dviem raidėmis pagal laidus: ab, ac, ca. Fazių parametrų indeksai žymimi tomis pačiomis raidėmis: kompleksinės varžos Zab, Zac, Zca .
Fazės ir linijos įtampa
Šaltinis, kurio apvija prijungta pagal „žvaigždės“ schemą, turi dvi trifazių įtampų sistemas: fazę ir liniją.
Fazės įtampa - tarp linijos laidininko ir nulio (tarp vienos iš fazių pabaigos ir pradžios).
Linijos įtampa – tarp fazių pradžios arba tarp linijos laidų. Manoma, kad kryptis nuo didesnio potencialo grandinės taško iki mažesnio potencialo taško yra teigiama įtampos kryptis.
Kadangi generatoriaus apvijų vidinės varžos yra itin mažos, jos dažniausiai nepaisomos, o fazinės įtampos laikomos lygiomis EML fazei, todėl vektorinėse diagramose įtampa ir EMF žymimi tais pačiais vektoriais. :
Nulinį taško potencialą įvertinę kaip nulį, matome, kad faziniai potencialai bus identiški šaltinio fazių įtampai, o linijos įtampa – fazinių įtampų skirtumams. Vektorinė diagrama atrodys kaip aukščiau esančiame paveikslėlyje.
Kiekvienas tokios diagramos taškas atitinka tam tikrą trifazės grandinės tašką, todėl vektorius, nubrėžtas tarp dviejų diagramos taškų, parodys įtampą (jos dydį ir fazę) tarp atitinkamų dviejų grandinės taškų, kuriems diagrama sukonstruota.
Dėl fazių įtampų simetrijos linijos įtampos taip pat yra simetriškos. Tai galima pamatyti vektorinėje diagramoje. Linijos įtempių vektoriai pasislenka tik tarp 120 laipsnių. O fazės ir linijos įtampos santykį nesunku rasti iš diagramos trikampio: tiesinis iki trijų kartų fazės šaknies.
Beje, trifazėms grandinėms linijos įtampos visada normalizuojamos, nes tik įvedus nulinę bus galima kalbėti ir apie fazinę įtampą.
„Žvaigždės“ skaičiavimai
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta lygiavertė imtuvo grandinė, kurios fazes jungia „žvaigždė“, prijungta per maitinimo linijos laidus prie simetriško šaltinio, kurio išėjimai žymimi atitinkamomis raidėmis. Skaičiuojant trifazes grandines, linijinių ir fazių srovių radimo uždaviniai sprendžiami, kai žinoma imtuvo fazių varža ir šaltinio įtampa.
Srovės tiesiniuose laiduose vadinamos linijinėmis srovėmis, jų teigiama kryptis – nuo šaltinio iki imtuvo. Srovės imtuvo fazėse yra fazinės srovės, jų teigiama kryptis - nuo fazės pradžios - iki jos pabaigos, kaip ir EMF fazės kryptis.
Kai imtuvas surenkamas pagal "žvaigždės" schemą, nuliniame laide yra srovė, jos teigiama kryptis - nuo imtuvo - į šaltinį, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.
Jei, pavyzdžiui, atsižvelgsime į asimetrinę keturių laidų apkrovos grandinę, tada kriauklės fazinė įtampa, esant neutraliam laidui, bus lygi šaltinio fazinei įtampai. Srovės kiekvienoje fazėje yra pagal Ohmo dėsnį... Ir pirmasis Kirchhoffo dėsnis leis jums rasti srovės vertę neutralėje (nutraliajame taške n aukščiau esančiame paveikslėlyje):
Toliau apsvarstykite šios grandinės vektorinę diagramą. Jis atspindi linijos ir fazės įtampas, taip pat brėžiamos asimetrinės fazės srovės, parodytos spalva ir srovė nuliniame laide. Nulinio laidininko srovė vaizduojama kaip fazinės srovės vektorių suma.
Dabar tegul fazinė apkrova yra simetriška ir aktyvi-indukcinė. Sukurkime vektorinę srovių ir įtampų diagramą, atsižvelgdami į tai, kad srovė atsilieka nuo įtampos kampu phi:
Srovė nuliniame laide bus lygi nuliui. Tai reiškia, kad kai subalansuotas imtuvas yra prijungtas žvaigždute, nulinis laidas neturi jokio poveikio ir paprastai gali būti pašalintas. Nereikia keturių laidų, užtenka trijų.
Nulinis laidininkas trifazėje srovės grandinėje
Kai nulinis laidas yra pakankamai ilgas, jis pasižymi pastebimu pasipriešinimu srovės srautui. Tai atspindėsime diagramoje, pridėdami rezistorių Zn.
Srovė nulinėje laidoje sukuria įtampos kritimą visoje varžoje, o tai lemia imtuvo fazių varžų įtampos iškraipymus. Antrasis Kirchhoffo dėsnis, skirtas fazinei grandinei A, veda į tokią lygtį, o tada pagal analogiją randame B ir C fazių įtampas:
Nors šaltinio fazės yra simetriškos, imtuvo fazės įtampa yra nesubalansuota. Ir pagal mazgų potencialų metodą įtampa tarp šaltinio ir imtuvo neutralių taškų bus lygi (fazių EMF yra lygi fazių įtampai):
Kartais, kai nulinio laidininko varža yra labai maža, galima manyti, kad jo laidumas yra begalinis, o tai reiškia, kad įtampa tarp trifazės grandinės nulinių taškų yra lygi nuliui.
Tokiu būdu simetriškos imtuvo fazinės įtampos neiškraipomos. Srovė kiekvienoje fazėje ir srovė nuliniame laidininke yra Ohmo dėsnis arba pagal pirmąjį Kirchhoffo dėsnį:
Subalansuotas imtuvas turi vienodą varžą kiekvienoje jo fazėje.Įtampa tarp neutralių taškų lygi nuliui, fazių įtampų suma lygi nuliui, o srovė nuliniame laidininke lygi nuliui.
Taigi, su žvaigždute prijungtam subalansuotam imtuvui, neutralios jungties buvimas neturi įtakos jo veikimui. Tačiau ryšys tarp linijos ir fazės įtampos išlieka galiojantis:
Nesubalansuotas žvaigždute prijungtas imtuvas, jei nėra neutralaus laido, turės maksimalią nulinę įtampą (neutralus laidumas lygus nuliui, varža begalybė):
Šiuo atveju imtuvo fazių įtampų iškraipymas taip pat yra maksimalus. Šaltinio fazinių įtampų vektorinė diagrama su nulinės įtampos konstrukcija atspindi šį faktą:
Akivaizdu, kad pasikeitus imtuvo varžų dydžiui ar pobūdžiui, neutralios poslinkio įtampos vertė kinta plačiausiame diapazone, o imtuvo neutralus taškas vektorinėje diagramoje gali būti daugelyje skirtingų vietų. Tokiu atveju imtuvo fazinė įtampa labai skirsis.
Išėjimas: simetriška apkrova leidžia nuimti nulinį laidą, nedarant įtakos imtuvo fazinėms įtampoms; Asimetriška apkrova pašalinus nulinį laidą iš karto pašalina kietą jungtį tarp imtuvo įtampų ir generatoriaus fazių įtampų – dabar apkrovos įtampai turi įtakos tik generatoriaus linijos įtampa.
Dėl nesubalansuotos apkrovos atsiranda fazių įtampų disbalansas ir nulinio taško poslinkis toliau nuo vektorinės diagramos trikampio centro.
Todėl nulinis laidininkas yra būtinas, kad išlygintų imtuvo fazines įtampas jo asimetrijos sąlygomis arba kai jis yra prijungtas prie kiekvienos iš vienfazių imtuvų fazių, skirtų fazei, o ne linijos įtampai.
Dėl tos pačios priežasties neįmanoma įdiegti saugiklio nulinio laido grandinėje, nes nutrūkus nuliniam laidui esant fazinėms apkrovoms, bus tendencija pavojingiems viršįtampiams.
„trikampio“ skaičiavimai
Dabar apsvarstykime imtuvo fazių prijungimą pagal "delta" schemą. Paveikslėlyje pavaizduoti šaltinio gnybtai, o nulinio laido nėra ir niekur jo prijungti. Užduotis su tokia prijungimo schema paprastai yra apskaičiuoti fazės ir linijos sroves su žinomomis įtampos šaltinio ir apkrovos fazių varžomis.
Įtampa tarp linijos laidininkų yra fazinė įtampa, kai apkrova yra prijungta prie trikampio. Išskyrus linijos laidininkų varžą, įtampos tarp šaltinių ir linijos prilyginamos vartotojų fazių įtampai. Fazinės srovės uždaromos sudėtingomis apkrovos varžomis ir laidais.
Teigiamai fazinės srovės krypčiai imama fazių įtampas atitinkanti kryptis nuo pradžios - iki fazės pabaigos, o tiesinėms srovėms - nuo šaltinio iki kriauklės. Srovės apkrovos fazėse nustatomos pagal Ohmo dėsnį:
„Trikampio“, skirtingai nei žvaigždės, ypatumas yra tas, kad fazinės srovės čia nėra lygios tiesinėms. Fazinės srovės gali būti naudojamos skaičiuojant linijos sroves, naudojant pirmąjį Kirchhoff dėsnį mazgams (trikampio viršūnėms).Ir sudėjus lygtis, gauname, kad linijų srovių kompleksų suma trikampyje yra lygi nuliui, nepriklausomai nuo apkrovos simetrijos ar asimetrijos:
Simetriškoje apkrovoje linijos (šiuo atveju lygios fazėms) įtampos sukuria simetriškų srovių sistemą apkrovos fazėse. Fazių srovės yra vienodos dydžio, tačiau skiriasi tik faze trečdaliu periodo, tai yra, 120 laipsnių. Linijos srovės taip pat yra vienodos dydžio, skirtumai yra tik fazėse, o tai atsispindi vektorinėje diagramoje:
Tarkime, kad diagrama sudaryta simetriškai indukcinio pobūdžio apkrovai, tada fazių srovės atsilieka nuo fazių įtampų tam tikru kampu phi. Linijinės srovės susidaro dėl dviejų fazių srovių skirtumo (kadangi apkrovos jungtis yra „delta“) ir yra simetriškos.
Pažiūrėję į diagramos trikampius, galime lengvai pamatyti, kad fazės ir linijos srovės ryšys yra toks:
Tai yra, su simetriška apkrova, prijungta pagal "trikampio" schemą, fazinės srovės efektyvioji vertė yra tris kartus mažesnė už efektyviąją linijos srovės vertę. Esant „trikampio“ simetrijos sąlygoms, trijų fazių skaičiavimas sumažinamas iki vienos fazės skaičiavimo. Linijos ir fazės įtampa yra lygi viena kitai, fazinė srovė randama pagal Ohmo dėsnį, linijos srovė tris kartus didesnė už fazinę srovę.
Nesubalansuota apkrova reiškia sudėtingos varžos skirtumą, būdingą skirtingų vienfazių imtuvų tiekimui iš to paties trifazio tinklo. Čia skirsis fazių srovės, fazių kampai, galia fazėmis.
Tegul vienoje fazėje būna grynai aktyvi apkrova (ab), kitoje – aktyvi-indukcinė apkrova (bc), o trečioje – aktyvi-talpinė apkrova (ca). Tada vektorinė diagrama atrodys panašiai kaip paveikslėlyje:
Fazių srovės nėra simetriškos ir norėdami rasti linijos sroves, turėsite naudoti grafines konstrukcijas arba Kirchhoff pirmojo įstatymo smailių lygtis.
Išskirtinis „delta“ imtuvo grandinės bruožas yra tas, kad pasikeitus varžai vienoje iš trijų fazių, kitų dviejų fazių sąlygos nepasikeis, nes linijos įtampa niekaip nepasikeis. Keisis tik vienos konkrečios fazės srovė ir srovės perdavimo laiduose, prie kurių prijungta ta apkrova.
Dėl šios charakteristikos dažniausiai ieškoma trifazių apkrovų prijungimo schemos pagal „delta“ schemą, kad būtų tiekiama nesubalansuota apkrova.
Skaičiuojant asimetrinę apkrovą „trikampio“ schemoje, pirmiausia reikia apskaičiuoti fazių sroves, tada fazių poslinkius ir tik tada rasti linijų sroves pagal lygtis pagal pirmąjį Kirchhoffo dėsnį arba pasitelkiame vektorinę diagramą.
Trifazis maitinimo šaltinis
Trifazė grandinė, kaip ir bet kuri kintamosios srovės grandinė, pasižymi bendra, aktyvia ir reaktyvia galia. Taigi, nesubalansuotos apkrovos aktyvioji galia yra lygi trijų aktyvių komponentų sumai:
Reaktyvioji galia yra kiekvienos fazės reaktyviosios galios suma:
„Trikampiui“ pakeičiamos fazės reikšmės, pavyzdžiui:
Kiekvienos iš trijų fazių tariama galia apskaičiuojama taip:
Kiekvieno trifazio imtuvo matoma galia:
Subalansuotam trifaziam imtuvui:
Subalansuotam žvaigždžių imtuvui:
Simetriškam „trikampiui“:
Tai reiškia ir „žvaigždutei“, ir „trikampiui“:
Aktyvioji, reaktyvioji, tariamoji galia – kiekvienai subalansuotai imtuvo grandinei:
