2 в чем заключаются основные преимущества трехфазных систем

Трёхфазный ток. Преимущества при генерации и использовании.

Преимущества трёхфазного тока очевидны только специалистам электрикам. Что такое трехфазный ток для обывателя представляется весьма смутно. Давайте развеем неопределенность.

Содержание статьи

Трехфазный переменный ток

Попытаемся простым языком дать начальные понятия об этом. Для этого обратимся к аналогиям. Начнём с простейшей – протекания постоянного тока в проводниках. Его можно сравнить с водным потоком в природе. Вода, как известно, всегда течёт от более высокой точки поверхности к более низкой. Всегда выбирает самый экономичный (наикратчайший) путь. Аналогия с протеканием тока – полнейшая. Причём количество воды протекающей в единицу времени через какое-то сечение потока будет аналогично силе тока в электрической цепи. Высота любой точки русла реки относительно нулевой точки – уровня моря – будет соответствовать электрическому потенциалу любой точки цепи. А разница в высоте любых двух точек реки будет соответствовать напряжению между двумя точками цепи.

Используя эту аналогию можно легко представить в уме законы протекания постоянного электрического тока в цепи. Чем выше напряжение – перепад высот, тем больше скорость потока, и, следовательно, количество воды протекающей по реке в единицу времени.

Водный поток, точно так же как электрический ток при своём движении испытывает сопротивление русла – по каменистому руслу вода будет протекать бурно, меняя направление, немного нагреваясь от этого (бурные потоки даже в сильные морозы не замерзают вследствие нагрева от сопротивления русла). В гладком канале или трубе вода потечёт быстро и в итоге в единицу времени канал пропустит гораздо больше воды, чем извилистое и каменистое русло. Сопротивление потоку воды полностью аналогично электрическому сопротивлению в цепи.

Теперь представим закрытую бутылку, в которой налито немного воды. Если мы начнём эту бутылку вращать вокруг поперечной оси, то вода в ней будет перетекать попеременно от горлышка к донышку и наоборот. Это представление – аналогия переменному току. Казалось бы, одна и та же вода перетекает туда-сюда и что? Тем не менее, этот переменный поток воды способен совершать работу.

Откуда вообще появилось понятие переменный ток? к содержанию

В дальнейшем оказалось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от протекания постоянного тока. Например, для протекания постоянного тока сопротивление катушки равно просто омическому сопротивлению проводов. А для переменного тока – сопротивление катушки из проводов значительно увеличивается из-за появления, так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток через заряженный конденсатор не проходит, для него конденсатор – разрыв цепи. А переменный ток способен свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее выяснилось, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток с другими напряжением или силой тока. Постоянный ток такой трансформации не поддаётся и, если мы включим любой трансформатор в сеть постоянного тока (что делать категорически нельзя), то он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет сопротивляться только омическое сопротивление провода, которое делается как можно меньше, и через первичную обмотку потечёт большой ток в режиме короткого замыкания.

Заметим также, что электродвигатели могут быть созданы для работы и от постоянного тока, и от переменного тока. Но разница между ними такая – электродвигатели постоянного тока сложнее в изготовлении, но зато позволяют плавно изменять скорость вращения обычным регулирующим силу тока реостатом. А электродвигатели переменного тока гораздо проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной, обусловленной конструкцией скоростью. Поэтому в практике широко применяются и те, и другие. В зависимости от назначения. Для целей управления и регулирования применяются двигатели постоянного тока, а в качестве силовых установок – двигатели переменного тока.

Далее конструкторская мысль изобретателя генератора двигалась примерно в таком направлении – если удобнее всего для генерации тока использовать вращение магнита рядом с катушкой, то почему бы вместо одной катушки генератора не расположить вокруг вращающегося магнита несколько катушек (места-то вокруг вон сколько)?

Получится сразу же, как бы несколько генераторов, работающих от одного вращающегося магнита. Причём переменный ток в катушках будет отличаться по фазе – максимум тока в последующих катушках будет несколько запаздывать относительно предыдущих. То есть синусоиды тока, если их графически изобразить, будут, как бы между собой, сдвинуты. Это важное свойство – сдвиг фаз, о котором мы расскажем ниже.

Примерно так рассуждая, американский изобретатель Никола Тесла и изобрёл сначала переменный ток, а затем и трёхфазную систему генерации тока с шестью проводами. Он расположил три катушки вокруг магнита на равном расстоянии под углами 120 градусов, если за центр углов принять ось вращения магнита.

(Число катушек (фаз) вообще-то может быть любым, но для получения всех тех преимуществ, что даёт многофазная система генерации тока, минимально достаточно трёх).

По этой же самой причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы получились значительно менее материалоёмкими, так как в магнитопроводе трансформатора происходит взаимопоглощение магнитных потоков и его можно делать с меньшим сечением.

Напряжение между нулевым проводом и любым из фазных проводов называется – фазным и составляет в сетях потребителей – 220 вольт.

Между фазными проводами тоже существует напряжение, причём значительно выше, чем фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет в цепях потребителей 380 вольт. Почему же оно больше фазного? Да всё это из-за сдвига фаз на 120 градусов. Поэтому, если на одном проводе, к примеру, в данный момент времени потенциал равен плюс 200 вольт, то на другом фазном проводе в этот же момент времени потенциал будет минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, то есть оно будет + 200 – (-180)=+380 В.

Кстати потери в проводах ЛЭП можно ещё более снизить, применяя передачу постоянного тока высокого напряжения (перестаёт действовать емкостная составляющая потерь, действующая между проводами), проводились даже такие эксперименты, но широкого распространения пока такая система не получила, видимо вследствие большей экономии в проводах при трёхфазной системе генерации.

Выводы: преимущества трёхфазной системы к содержанию

В заключение статьи подведём итоги, – какие же преимущества даёт трёхфазная система генерации и электроснабжения?

Благодаря этим преимуществам трёхфазные системы электроснабжения получили широчайшее распространение в мире.

Источник

Понятие о трехфазных электрических цепях и их преимуществах над однофазными

Трехфазные электрические цепи очень распространены, так как обладают целым рядом преимуществ по сравнению с однофазными, а также цепями постоянного тока. В данной статью мы рассмотрим понятие трехфазной электрической цепи, а также ее преимущества над остальными.

Понятие трехфазной цепи

Итак, трехфазная электрическая цепь, это цепь, в ветвях которой существуют три ЭДС изменяющиеся во времени по гармоническому закону (синусоидальному закону) с одинаковой частотой, но имеющих фазовый сдвиг друг относительно друга на угол равный 2π/3 (120 0 ).

Для получения трехфазного гармонического сигнала используют трехфазные синхронные генераторы, в трех статорных (якорных) обмотках которых и индуктируются эти ЭДС.

При указанных ниже на рисунке положительных направлениях ЭДС (от концов фаз x, y, z к их началам a, b, c):

ЭДС будут изменяться согласно приведенным ниже выражениям:

Ниже показаны графики изменения этих величин во времени:

При совмещении вектора ЭДС Е_а с осью действительных величин комплексной плоскости:

Получим выражения для ЭДС представленные в комплексной форме:

Также следует отметить, что ЭДС Е_а принято направлять вверх вертикально при построении векторных диаграмм, что, в свою очередь, соответствует повороту на 90 0 комплексной плоскости против часовой стрелки. При этом могут не указывать оси мнимых и действительных величин:

Используя положительное направления и обладая информацией о законах изменения ЭДС или имея соответствующие графики, можно определить действительные направления и мгновенные значения ЭДС в любой момент времени. Так, например, при t = 0, e_a = 0, a:

В случае, когда е_b 0, то при t = 0 ЭДС е_с и е_b будут направлены в разные стороны.

Если посмотреть на график б), где представлен трехфазный гармонический сигнал, можно увидеть, что максимального значения первой достигнет фаза А, после нее фаза В, и только потом фаза С. Данная последовательность достижения фазами своих максимальных (амплитудных) значений носит название прямой последовательности чередования фаз. Если бы ротор синхронного генератора вращался в обратную сторону, то чередования фаз было бы обратным С-В-А, и это была бы обратная последовательность чередования фаз. Именно от этой последовательности напрямую зависит направления вращения как трехфазных асинхронных электромашин, так и трехфазных синхронных машин. Расчеты и анализ трехфазных цепей, как правило, проводят в предположении, что система имеет прямое чередование фаз.

Симметричные и несимметричные трехфазные системы

Синхронный трехфазные генераторы имеют как раз симметричную систему ЭДС.

Питание потребителей от трехфазной системы электроснабжения

В очень редких случаях питание потребителей электрической энергии осуществляется напрямую от генераторов. Такие системы используются только в случаях аварийного отключения электроснабжения (дизель-генераторы или бензиновые генераторы) или же в местах, куда протягивание ЛЭП является экономически нецелесообразным.

Поэтому в большинстве своем питание потребители электрической энергии получают от вторичных обмоток трансформаторов, которые, как и генераторы, тоже имеют практически симметричную систему ЭДС. Поэтому, как правило, редко учитывают, чем создаются ЭДС на нагрузке – трансформаторами или генераторами.

От трехфазных источников электроэнергии получают питание не только трехфазные потребители, но также и однофазные, а также, в большинстве своем, и потребители постоянного тока (через управляемые или неуправляемые выпрямители).

Однофазный же приемник электроэнергии можно рассматривать как обычный двухполюсник, который рассчитан на подключение к двум проводам сети и имеет одно напряжение в отличии от трехфазного. К однофазным электроприемникам можно отнести осветительные лампы, асинхронные электродвигатели малой мощности, бытовые электроприборы и прочие устройства.

Преимущества трехфазных систем

В отличии от однофазных, трехфазные системы обладают целым рядом преимуществ, а именно:

Трехфазные системы получили наибольшее распространение. Электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, доставляется и распределяется между потребителями в виде энергии трехфазного переменного тока.

Источник

Трехфазная ЭДС и трехфазный ток. Получение трехфазной ЭДС. Преимущества трехфазной системы.

Три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые по фазе на , образуют трехфазную симметричную систему. Аналогично получаются трехфазные системы напряжений и токов.

В однородном магнитном поле постоянного магнита вращаются с постоянной угловой скоростью три рамки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на угол . Если к каждой из рамок подсоединить нагрузку, то в образовавшихся цепях появятся токи. Таким образом, мы получим симметричную трехфазную систему электрических цепей переменного тока.

Преимущества трехфазной системы:

1)при одинаковых условиях питание трехфазным током позволяет получить значительную экономию материала проводов по сравнению с тремя однофазными линиями;

2)при прочих равных условиях трехфазный генератор дешевле, легче и экономичнее, чем три однофазных генератора такой же общей мощности; то же относится к трехфазным двигателям и трансформаторам; 3 3)трехфазная система токов позволяет получить вращающееся магнитное поле с помощью трех неподвижных катушек, что существенно упрощает производство и эксплуатацию трехфазных двигателей;

4)при равномерной нагрузке трехфазный генератор создает на валу приводного двигателя постоянный момент в отличие от однофазного генератора, у которого мощность и момент на валу пульсируют с двойной частотой тока.

Соединение обмоток генератора и потребителей звездой. Фазные и линейные напряжения и токи. Соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами. Векторная диаграмма напряжений.

Приведем распространенную схему трехфазной системы при соединении фаз источника (генератора) и приемника звездой с нулевым проводом.

Провод ОО’ называют нулевым (или нейтральным). В соответствии с первым законом Кирхгофа вектор тока в нулевом проводе определится суммой векторов токов в фазах:

.

Различают симметричную и несимметричную трехфазные системы. Под симметричной понимают такую трехфазную систему, в которой сопротивления фаз источника и приемника равны. Тогда, при симметричной нагрузке, когда сопротивления равны между собой и имеют одинаковый характер, векторы токов фаз равны по абсолютному значению и образуют трехлучевую звезду, у которой углы между лучами равны .

Из геометрического построения, показанного на рисунке, следует, что в этом случае векторная сумма токов равна нулю (для симметричной трехфазной системы):

.

В рассматриваемой схеме фазные и линейные токи совпадают: . В симметричной звезде фазные и линейные напряжения связаны соотношениями .

Под фазным напряжением понимают разность потенциалов между точками начала и конца какой-либо фазы. Для системы соединения фаз звездой с нулевым проводом его еще определяют, как напряжение между одним из фазных проводов и нулевым проводом.

Линейным напряжением называют разность потенциалов между точками начала двух соседних фаз. Его еще называют межфазным или междуфазным – как напряжение, возникающее между двумя проводами.

Фазный ток – это ток, протекающий по фазной обмотке генератора (источника питания) или по цепи фазы потребителя.

Линейным током называют ток, протекающий по линейному проводу (или проводу линии электропередачи).

Источник

Преимущества трехфазных систем

Преимущества трехфазных систем

Преимущества трехфазной системы. Все элементы трехфазной системы:

в 1891 году русским инженером М. О. ее разработал Доливо-Добровольский. Людмила Фирмаль

Распространение трехфазных систем в основном обусловлено тремя причинами.

а) передача энергии на большие расстояния трехфазным током экономически выгоднее, чем передача энергии переменным током с различным числом фаз.

в) трехфазная система при определенных условиях имеет такую характеристику,

что мгновенная мощность системы остается постоянной в течение периода синусоиды. Людмила Фирмаль

Это свойство справедливо, если все трехфазные нагрузки трехфазного генератора одинаковы.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Преимущества трехфазных электрических цепей

Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, разработанная русским учёным М.О.Доливо-Добровольским. В разработку трёхфазных систем большой вклад также внесли учённые Н.Тесла, Ф. Хазельвандер, М. Депре, Ч. Бредли и другие.

В настоящее время в энергетике трехфазные системы получили наибольшее распространение, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:

— экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния, т.к. вместо шести проводов ( про однофазной системе ) здесь требуется всего три провода;

— самым надежным и экономичным является трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и трёхфазный трансформатор;

— возможность получения вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного, асинхронного и линейного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств.

Простейший трехфазный генератор, изображённый на рис4.1а представляет собой три однофазных генератора, размещённые в одном корпусе. Статор генератора представляет собой полый цилиндр на внутренней поверхности которого имеются пазы в которых размещены три одинаковые обмотки ( фазы ). Эти обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120°. На рис. 4.1а каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными Х,У,Z. Ротор представляет собой постоянный электромагнит при вращении которого, в неподвижных обмотках статора индуцируются синусоидальные ЭДС (рис. 4.2.б).

Рис.4.1. а) упрощенная схема генератора б) временные диаграммы ЭДС в) векторная диаграмма фазных ЭДС

Основные соотношения

При включении обмотки возбуждения ротора в сеть постоянного тока по ней потечет ток, который создает постоянный магнитный поток. При вращении ротора первичным двигателем этот поток, согласно закону электромагнитной индукции, наведет в обмотках статора A, B, C три одинаковых по величине и частоте синусоидальных ЭДС, сдвинутых по фазе на угол 120 ° (рис. 4.1б).

Если ЭДС фазы А принять за исходную, т.е. совместить с вещественной осью комплексной плоскости (рис4.1в), то ЭДС других обмоток (фаз) генератора можно записать в виде:

;

Такая трехфазная система ЭДС называется симметричной системой.

Комплексы действующих значений фазных ЭДС в показательной форме запишутся в виде:

; ; .

Обозначим множитель через a и будем называть оператором трехфазной цепи.

;

.

Комплексы действующих значений ЭДС фаз можно записать и в виде

; ;

Пусть , тогда ,

Алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС (напряжений,токов) симметричной системы в любой момент времени равна нулю (рис. 4.1.б и 4.1.в):

,

или в комплексной форме (рис. 4.1. в)

или ,

Последовательность прохождения ЭДС через одинаковые значения (например, через нулевое значение) называют порядок следования фаз. Рассмотренная система ЭДС (рис4.1.б,в) образует прямой порядок следования фаз (АВС), в которой напряжение (ЭДС) сдвинуты на 120°. Если две фазы поменять местами (АСВ), то получим обратный порядок следования фаз (сдвиг фаз 240°). Если ЭДС всех трех фаз проходят через ноль одновременно, то имеем нулевой порядок следования фаз (сдвиг фаз 360°). Порядок следования фаз определяет характер (направление движения) магнитного потока и, следовательно, влияет на режим работы ассинхронного двигателя.

Рассмотрим способы соединения элементов трехфазных цепей.

Существуют различные способы соединения обмоток трехфазного генератора и нагрузки. Из них основные – «звезда» и « треугольник ». Соединением «звезда» называется такое соединение, когда начало трех фаз (X,Y,Z) объединяются в одну (нулевую) точку, а концы фаз (A,B,C) подсоединяются к линейным проводам (рис. 4.2. а).

В трехфазных цепях различают фазные и линейные величины напряжений и токов.

Провода, соединяющие генератор с нагрузкой, называются линейными проводами, а протекающие по ним токи – линейными токами ( , , ). (рис.4.2. а)

Напряжения между линейными проводами называются линейными (междуфазными) напряжениями ( , , — на источнике и , , -на нагрузке). (рис.4.2. а)

Протекающие по фазам генератора или приемника токи называются фазными токами ( , , ), а напряжения между началом и концом фаз называются фазными напряжениями ( , , — на генераторе и , , — на нагрузке).

При соединении звездой фазный ток равен соответствующему линейному току, т.к. фаза и линия включены последовательно:

.

Выразим линейные напряжения , , через фазные , , (рис.4.2б).

Для этого запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для трех контуров, образованных одним из линейных напряжений и двумя фазными напряжениями и из них выразим линейные напряжения (рис.4.2. б), получим:

Рис.4.2. а) Схема соединения генератора «звезда» б) векторная диаграмма фазных и линейных напряжений.

Источник