Исследование цепей трехфазного переменного синусоидального тока

Лабораторная работа №5

Цели работы: 1. Изучение устройства и принципа действия синхронного генератора и получения трехфазного переменного тока.

2. Определение зависимостей между линейными и фаз­ными напряжениями и токами при соединений фаз звездой и треугольником.

3. Исследование условий возникновения вращающегося магнитного поля в асинхронном двигателе и способов его реверсирования.

Оборудование: 1. Действующая модель синхронного генератора.

2. Действующая модель асинхронного двигателя.

3. Действующая модель линии электропередачи.

4. Лампы (нагрузка), соединенные на звезду и треугольник.

5. Авометр (АВО-5М: 100 мА; 12 В).

6. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.2: §2.4 (2.4.1 – 2.4.9); [2], Гл.4: §§4.1 – 4.7, Гл.12: §§12.1 – 12.3; [3], Гл.2: с.120 – 138; [4], Гл.3: §§3.1 – 3.8, Гл.14, Гл.15: §§15.1 – 15.3; [5], Гл.6: §§6.1 – 6.7, Гл.8: §§8.1 – 8.14.

Промышленный источник электрической энергии представляет собой трехфазный генератор синусоидального напряжения. Такой источник представляет собой три генератора синусоидального на­пряжения с равными амплитудами и сдвинутыми на 120° (2π/3) относительно друг друга начальными фазами. Передача электроэнергии от них ведется по трем парам электрических проводов. При одинаковых частотах и амплитудах вырабатываемого ими переменного напряжения, сдвиге фаз напряжений на 2π/3 и 4π/3, соответственно, и одинаковых нагрузках во всех трех цепях в линиях протекают переменные токи одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые по фазе на 2π/3 и 4π/3. Каждый генератор имеет собственную нагрузку. В результате получаются три автономные цепи. Если теперь соединить эти цепи в одной точке, то токи, текущие в элементах цепей, не изменяются, т.к. дополнительных контуров не возникает. При этом количество проводов снижается с шести до четырех.

Это означает, что при симметричной нагрузке, т.е. когда , амплитуды токов в каждой фазе нагрузки равны, а фазы токов сдвинуты относительно друг друга на угол 120°. При объединении трех проводов из трех линий в один провод (связанная трехфазная цепь) суммарный ток в нем оказывается в любой момент времени равным нулю.

Индуктором в генераторе трехфазного тока служит электромагнит, обмотка которого питается постоянным током. Индуктор является ротором, а якорь генератора – статором. В пазах статора расположена трехфазная обмотка, состоящая из трех независимых электрических обмоток, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на 1/3 окружности статора, т. е. угол 2π/3.

При вращении ротора с угловой скоростью ω, в каждой из трех обмоток возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону с частотой ω. Так как обмотки сдвинуты в пространстве на 2π/3 и 4π/3, фазы колебаний в них также сдвинуты на 2π/3 и 4π/3. Таким образом, один генератор трехфазного тока заменяет три генератора однофазного тока.

Один из выводов фазной обмотки генератора называют ее началом, другой – концом. Начала обмоток трехфазного генератора обычно обозначают буквами А, В, С, а концы – буквами Х, У, Z.

Существует два основных способа соединения фазных обмоток генератора между собой: звездой и треугольником. При соединении звездой все концы Х, У, Z фазных обмоток соединяют в общий узел 0, который называется нейтральной или нулевой точкой генератора.

Напряжение между началом и концом каждой фазной обмотки генератора называют фазным напряжением U_ф, а напряжение между началами любых двух фазных обмоток – линейным напряжением U_л.

Легко доказать, что при соединении фаз генератора звездой амплитуда линейного напряжения больше амплитуды фазного напряжения в :

U_л = U_ф.

Обмотки трехфазного генератора можно соединить и треугольником. Для этого конец Х первой обмотки генератора соединяют с началом В второй фазной обмотки, конец У второй обмотки соединяют с началом С третьей обмотки, а конец Z третьей обмотки соединяют с началом А первой обмотки.

При соединении фаз генератора треугольником фазное напряжение оказывается равным линейному напряжению (U_ф = U_л).

На практике фазы генератора обычно соединяют на звезду, поскольку это позволяет без дополнительных затрат получить сразу два различных по величине рабочих напряжений: фазное, когда приемники электроэнергии включены между линейными проводами и нейтральным проводом, и линейное, когда приемники включены между линейными проводами.

Аналогично на звезду соединяют фазы нагрузки. Концы фаз x, y и z объединяют в общую точку 0 ^′ – нейтральную точку нагрузки.

Нагрузка, подключаемая к трехфазной сети, может быть соединена и на треугольник. Способ соединения фаз нагрузки не зависит от способа соединения фаз генератора, а определяется рабочим напряжением нагрузки. Если фазное напряжение нагрузки соответствует фазному напряжению генератора, то нагрузка включается на звезду. Если фазное напряжение нагрузки соответствует линейному напряжению генератора, то она включается на треугольник. На рис. 5.1. показаны схемы включения фаз генератора и нагрузки на звезду и векторная диаграмма генератора.

Провод, соединяющий точки 0 генератора и 0 ^′ нагрузки, называют нейтральным или нулевым проводом, а остальные провода – линейными.

В трехфазных цепях различают линейные токи I_л, текущие в линейных проводах, и фазные токи I_ф – в фазах.

Из схемы, изображенной на рис. 5.1, видно, что фазные напряжения генератора и нагрузки равны между собой, а фазные токи I_ф равны соответствующим токам I_л, текущим в линейных проводах: I_ф = I_л. Векторная диаграмма подтверждает сделанный ранее вывод о том, что линейное напряжение больше фазного в раз.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в нейтральном проводе равен сумме токов фаз нагрузки. При симметричной нагрузке (полные сопротивления фаз нагрузки равны; равны и сдвиги по фазе между током и напряжением во всех фазах трехфазной нагрузки) сила тока во всех фазных обмотках одинакова. Так как эти токи сдвинуты по фазе на 120°, то ток в нейтральном проводе равен нулю. Это означает, что при симметричной нагрузке нейтральный провод можно отключить.

В случае несимметричной нагрузки при отсутствии нейтрального провода между точками 0 и 0^′ появляется разность потенциалов, приводящая к перекосу фаз, при котором на одних фазах появится напряжение больше фазного, а на других – меньше фазного.

Таким образом, назначение нейтрального провода состоит в уравнивании фазных напряжений.

На рис. 5.2. приведена схема включения фаз генератора на звезду и нагрузки – на треугольник. Здесь же приведена векторная диаграмма для линейных и фазных токов нагрузки, включенной на треугольник.

Из схемы и векторной диаграммы следует, что фазные и линейные токи в данном случае не одинаковы. Легко показать, что при симметричной нагрузке линейные токи больше фазных в раз:

I_л = I_ф.

Так как при соединении нагрузки треугольником нет уравнительного провода (нейтрали), то неравномерность нагрузки фаз может значительнее сказаться на работе генератора, чем в случае соединения нагрузки звездой с нейтралью. Поэтому соединение треугольником чаще всего применяется в силовых установках (трехфазные двигатели и т. д.), где можно добиться близких по значению нагрузок фаз.

Одной из основных нагрузок в трехфазных электрических сетях является трехфазные асинхронные двигатели. Эти двигатели отличаются простой конструкцией, надежностью и относительно малой стоимостью в работе. Они широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве и бытовой технике.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на возможности получения с помощью трехфазной системы вращающегося магнитного поля. Под вращающимся магнитным полем понимают постоянный по величине магнитный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью. Такое поле можно получить внутри системы из трех катушек, плоскости которых повернуты на угол 120°, и которые питаются токами, сдвинутыми по фазе на угол 120°. При симметричном исполнении катушек амплитуды намагничивающих токов в них будут равны друг другу. Суммарная магнитная индукция вращающегося магнитного поля будет в 1,5 раза превышать магнитную индукцию, создаваемую любой из катушек.

Скорость вращения магнитного поля n₀ можно найти из простого соотношения: n₀ = 60 f/p, где: f – частота тока в сети (50 Гц), p – число пар полюсов.

Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора – неподвиж­ной части, которая изготавливается так же, как и статор синхронного генератора, и ротора – подвижной части двигателя.

Обмотки ротора часто маркируют буквой с индексом: С1, С2, С3, С4, С5, С6. Три первых индекса относятся к началам фаз статорной обмотки, три последних – к соответствующим концам каждой фазы.

Обмотка ротора двигателя чаще всего изготавливается в виде алюминиевых стержней, замкнутых на концах алюминиевыми же кольцами. Такой ротор называется короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо».

При подключении обмоток статора к трехфазной сети, ротор двигателя начинает вращаться со скорость n, меньшей скорости вращения магнитного поля n₀. Это явление называется скольжением S. Оно равно:

Скольжение асинхронных двигателей при работе под нагрузкой составляет от 3 до 5%.

Дата добавления: 2015-05-06