Соединение обмоток генератора

Для уменьшения количества проводов между генератором и потребителем фазные обмотки должны быть соединены между собой определённым образом, как в генераторе, так и у потребителя. Обмотки генератора обозначаются: U₁ – U₂,

V₁ – V₂, W₁ – W₂   (фазы A, B, C). Индексом 1 обозначается начало обмотки, индексом 2 – конец.

В практике используют 2 различные соединения: соединение звездой и треугольником.

Соединение звездой.

Условимся, что положительно направленный ток выходит из обмотки генератора через её начало и входит в неё через её конец. Если все концы обмоток генератора соединить в одной точке О, а к их началам подсоединить провода, идущие к приёмникам электрической энергии, у которых концы также соединены в одной точке О´, то получим соединение звездой.

Рис.5.3.

По общему обратному проводу будет протекать ток:

I_N = I₁ + I₂ + I₃ . Общий провод называется нейтральным (или нулевым) проводом.

Если все три фазы имеют одинаковые нагрузки, то фазные токи будут равны по модулю, отличаясь друг от друга по фазе на 120˚:

i₁ = I₁∙sinωt,   

i₂ = I₂∙sin(ωt – 120˚),  

i₃ = I₃∙sin(ωt + 120˚).

Сложим токи с помощью векторной диаграммы.

Суммарный ток, т.е. ток в общем проводе равен нулю, поэтому провод ОО´ называется нулевым. Провода, соединяющие начала обмоток генератора с приёмником электроэнергии, называются линейными. Система трёхфазного тока с нулевым проводом (или нейтралью) называется четырёхпроводной.

В цепях трёхфазного тока различают два типа напряжений: линейные и фазные. То же относится и к токам. Напряжение между двумя линейными проводами называется линейным, а между линейным проводом и нейтралью – фазным. Соответственно, токи, протекающие в линейных проводах, называются линейными, а в фазных – фазными.

Линейные напряжения обозначаем двойными индексами, а фазные – одинарными. При соединении звездой линейный ток совпадает с фазным. Построим диаграмму линейных и фазных напряжений при соединении звездой.

Из рис.5.5 видим, что

U₁₂ = U₁ – U₂

U₂₃ = U₂ – U₃

U₃₁ = U₃ – U₁

Рис.5.6.

Мы видим, что линейные напряжения также образуют трёхлучевую звезду, повёрнутую относительно звезды фазных напряжений на угол 30˚ против часовой стрелки. Рассмотрим соотношение между модулями линейных и фазных напряжений. Из треугольника U₁₂U₁N получим U₁₂/2 = U₁∙ cos30˚ = U₁∙√3/2,

U₁₂ = √3∙U1, т.е. в трёхфазной системе при соединении звездой U_л = √3U_ф    (5.5). Если линейное напряжение 220В, то фазное – 220/√3 = 127В.

Если фазное напряжение равно 220В, то линейное – 380В. Если нагрузка становится неравномерной, то можно считать, что соотношение (5.5) соблюдается, только в этом случае в нейтральном проводе течёт ток.

Соединение звездой без нулевого провода применяется при подключении трёхфазных двигателей (здесь нагрузка симметричная), а соединение с нулевым проводом – при электрификации жилых домов. К дому подводят три фазы и нейтральный провод, а внутри дома стремятся равномерно нагрузить каждую из фаз, чтобы общая нагрузка была симметричной.

Различные примеры соединения потребителя звездой.

Найти токи потребителей и в нейтральном проводе, если U_л = 400В.

Решение.

U₁ = U₂ = U₃ =U_л/√3 = 400/√3 = 230В.

Токи потребителей:

I₁ = U₁/R₁ = 2,3А;

I₂ = U₂/R₂ = 230/230 = 1А;

I₃ = U₃/R₃ = 230/57,3 = 4А.

Для получения геометрической суммы токов используем векторную диаграмму.

Масштаб возьмём

I₁ + I₂ + I₃ = I_N 

Из векторной диаграммы определяем, что I_N = 2,5А.

Рассмотрим особый случай, когда несимметричность получается в результате повреждения одной из фаз (например, сгорел предохранитель).

Если нейтральный проводник целый, то повреждённая фаза останется без питания. В остальных фазах нормальная работа продолжится. I₂ = U₂/R₂ и I₃ = U₃/R₃.

Ток в нейтральном проводе будет равен геометрической сумме I₂ + I₃.

В нейтральный провод нельзя ставить предохранители, выключатели и другие устройства, которые могут привести к его размыканию. В случае обрыва нейтрали фазовое напряжение может превысить обусловленное значение.

Если в системе нет нейтрального провода, то обрыв фазы приведёт к положению, как в однофазной сети.

Потребители во второй и третьей фазах будут соединены последовательно и

I₂ = I₃ = U₂₃/(R₂ +R₃).

Ещё раз о соединении обмоток генератора или трансформатора. Важно учитывать, чтобы обмотки трансформатора или генератора были соединены правильно. Это значит, что начала обмоток соединяются с линейным проводом, а концы между собой. Если одна из обмоток подсоединена неправильно, то возникает несимметричная линейная система, что показано на рисунке, где мы видим, что представляют собой линейные и фазные напряжения, если обмотка V₁ – V₂ соединена неправильно. U₁₂, U₂₃ и U₃₁ теперь не равны и образуют несимметричную систему.

Соединение треугольником

При соединении треугольником соединяют конец первой фазовой обмотки U₂ с началом второй фазовой обмотки V₁, её конец соединяют с началом третьей обмотки W₁, а конец третьей обмотки соединяют с началом первой обмотки U₁.

Три обмотки генератора образуют теперь замкнутую цепь с очень маленьким сопротивлением. Но короткого замыкания там не получится, т.к. сумма ЭДС будет равна нулю.

Линейные напряжения в случае соединения треугольником равны фазовым напряжениям: U₁ = U₁₂, U₂ = U₂₃, U₃ = U₃₁ соответственно, т.е.U_ф =U_л.

Главное, что надо иметь в виду, чтобы обмотки генератора или трансформатора были соединены правильно. Если одна из фазовых обмоток соединена наоборот, тогда сумма ЭДС в цепи не будет равна нулю, а сравняется с двукратным фазным напряжением.

7.4. Соединение потребителя треугольником

Потребители соединяются треугольником, если их рабочее напряжение равно линейному напряжению. Существуют два вида изображений на схемах: потребители расположены под углом 120˚ или параллельно друг другу.

При соединении в треугольник линейные напряжения равны фазному напряжению U_л = U_ф. Токи в фазах: I₁₂ = U₁₂/R₁₂, I₂₃ = U₂₃/R₂₃, I₃₁ = U₃₁/R₃₁.

Векторные диаграммы при соединении треугольником можно тоже рисовать по-разному. Можно рисовать векторы, исходящими из одной начальной точки, а можно векторы напряжений изобразить треугольником (рис.130). При симметричной нагрузке векторы фазовых токов равны, и векторная диаграмма симметрична. Если нагрузка не симметрична, то этого не будет.

Пример.

В трёхфазной сети с напряжением 400В объединены в треугольник потребители с разным сопротивлением нагрузки.

Найдём фазовые и линейные токи в этой цепи.

Фазовые токи:

I₁₂ = U₁₂/R₁₂ = 4A;

I₂₃ = U₂₃/R₂₃ = 8A;

I₃₁ = U₃₁/R₃₁ = 2A.

Линейные токи можно найти из векторной диаграммы, учитывая следующие соотношения: I₁ + I₃₁ = I₁₂,  I₂ + I₁₂ = I₂₃,  I₃ + I₂₃ = I₃₁. Здесь в масштабе построены вычисленные фазовые токи и геометрическим сложением определены линейные токи.

Особый случай несимметричной нагрузки получается при обрыве одного из проводов. Посмотрим, что получится при обрыве L1.

Схема в этом случае приобретёт следующий вид:

R₂₃ будет работать в нормальном режиме: I₂₃ = U₂₃/R₂₃. Потребители R₁₂ и R₃₁ будут подсоединены неправильно и их ток: I₁₂ = I₃₁ = U₂₃/(R₁₂ + R₃₁). Линейный ток I₂ будет равен геометрической сумме токов I₂₃ и I₁₂.