Курсовая работа (т): Трифазні кола. Основні поняття і визначення

Трифазні кола. Основні поняття і визначення

Міністерство освіти і науки України

ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ

ЛУЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

КУРСОВА РОБОТА

з навчальної дисципліни «Електричні апарати та машини електропобутової техніки»

на тему “Трифазні кола. Основні поняття і визначення”

Виконав: студент групи 31-ОРЕ

Гладунець В.Ю.

Перевірив:

к.ф. - м. н., Луньов С.В.

Луцьк - 2013

Зміст

Вступ

Розділ 1. Загальні відомості про трифазні системи

Розділ 2. З’єднання трьохфазних кіл електричного струму

.1 З’єднання зіркою при симетричному навантаженні

.2 З’єднання трикутником при симетричному навантаженні

.3 Переключення навантаження із зірки на трикутник

.4 Переваги трифазного струму

Розділ 3. Трифазні випрямлячі

Висновки

Література

ВСТУП

Актуальність дослідження. Сьогодні для створення систем електропостачання широко використовуються трифазні системи. Майже вся електрична енергія ,що її виробляє людство, створюється шляхом перетворення механічної енергії в електричну за допомогою трифазних генераторів на теплових та гідроелектростанціях і передається до споживачів за допомогою трифазних електричних мереж. Лише незначна частина електроенергії виробляється хімічними джерелами (головним чином акумуляторами), вітровими електростанціями та генераторами постійного струму (переважно у транспортних системах).

При створенні систем електропостачання перевага змінного струму над постійним полягала в наявності технічної можливості передачі електричної енергії за допомогою трансформаторів на велику відстань з малими втратами.

А серед можливих систем змінного струму трифазні системи перемогли двофазні та однофазні, перш за все з комерційних причин: вартість проводів лінії передачі трифазної системи виявилася значно нижчою. Крім того, трифазні двигуни та генератори за своїми техніко-економічними характеристиками є більш досконалими, ніж двофазні ич однофазні. Тому зараз найбільш масовим двигуном у промисловості є трифазні асинхронні двигуни, які потребують саме трифазного живлення.

Трифазну систему вперше розробив та впровадив наприкінці XIX ст. М.О. Доліво-Добровольський. Але все таки вважаємо за доцільне розкрити теоритичні аспекти та практичне застосування трифазних струмів.

Мета дослідження - розкрити основні характеристики трифазних струмів.

Мета дослідження передбачає розв’язання таких завдань:

–       Висвітлити основні ознаки та властивості трифазного струму;

–       Розглянути основні з’єднання у колах трифазного струму;

–       Розглянути види трифазних випрямлячів;

Об’єктом дослідження є загальна електротехніка.

Предмет дослідження - трифазні струми.

Теоритичною та методологічною основою дослідження є праці вчених М. О. Доліво-Добровольського, Д. Стефановича, А. Русанова та ін.

Наукова новизна роботи забезпечена тим, що вона є новою спробою теоритичного дослідження трифазних струмів.

Практичне значення роботи полягає в тому, що матеріали, узагальнення та висновки ,які містяться в дослідженні можуть бути використані при підготовці лекційних курсів, спецкурсів і семінарів з електротехніки, а також у написанні дипломних, магістерських та курсових робіт.

Структура роботи відповідає меті та розв’язанню основних завдань дослідження. Відповідно до цього робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел.

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТРИФАЗНІ СИСТЕМИ

Багатофазна система електричних кіл являє собою сукупність електричних кіл, в яких діють синусоїдні е. р. с. однакової частоти, зсунуті відносно одна одної за фазою і створювані одним джерелом енергії. Відповідно до цього означення система з трьох кіл називається трифазною.

У трифазному генераторі, в якому є три самостійні обмотки, зсунуті відносно одна одної в просторі на 120°, утворюється трифазна симетрична система е. р. с. Схематично це показано на рис. 1.1 стосовно генератора з однією парою полюсів на статорі й обмотками на роторі. Проте слід зазначити, що в реальних генераторах обмотка змінного струму нерухома (розташована на статорі), а магнітні полюси обертаються (розташовані на роторі). Така конструкція генератора краща, а принцип його роботи не змінюється. Якщо кількість витків в обмотках однакова, то при обертанні ротора в усіх обмотках наводяться е. р. с. однакового значення. Початкові фази цих е. р. с. зсунуті відносно одна одної на 120° відповідно до просторового розташування обмоток.

Рис. 1.1. Схема трифазного генератора

Трифазна симетрична система е. р. с. - це сукупність трьох е. р. с., які мають однакову частоту й амплітуду, зсунутих за фазою відносно одна одної на кути 120°.

Ознакою несиметрії трифазної системи е. р. с. є нерівність амплітуд або нерівність кутів зсуву фаз між кожною парою е. р. с.

На рис. 1.1 обмотки. показано в початковому положенні (t - 0). При обертанні ротора проти годинникової стрілки рівняння е. р. с. можна записати в такому вигляді:

Цим рівнянням відповідають графіки е. р. с. і векторна діаграма, зображені на рис. 1.2.

Рис 1.2. Графік (а) та векторна діаграма (б) симетричної системи е.р.с.

Комплекси діючих значень цих е. р. с.

Якщо прийняти за вихідний вектор е. р. с. Е а, то е. р. с. ев відстає від еа, а е. р. с. ec - від ев. Отже, максимальних значень е. р. с. в фазах досягають в такому порядку: спочатку в фазі А, потім в В і далі в С.

Вектори е. р. с. обертаються проти годинникової стрілки, і повз нерухому вісь +/ вони проходитимуть у такому порядку: Такий порядок чергування називається прямою послідовністю фаз. При зворотному обертанні ротора матимемо зворотну послідовність фаз. Далі при розгляді трифазних систем взято пряму послідовність фаз, яку вважають нормальною.

Незв'язана трифазна система електричних кіл

На схемах заміщення обмотки трифазного генератора позначають, а при цьому напрям е. р. с. від кінця до початку обмотки умовно вважають додатним.

Якщо кожну обмотку трифазного генератора з'єднати із своїм приймачем, утворяться три незалежних кола, кожне із своїм струмом. Одне таке коло з його елементами (обмотка генератора, приймач, з'єднувальні проводи) в практиці називається фазою.

У незв'язаній трифазній системі генератор з приймачем енергії з'єднується шістьма проводами. Велика кількість з'єднувальних проводів - основний недолік незв'язаюіх систем, які через це не застосовуються. Зменшення кількості з'єднувальних проводів досягають у зв'язаних системах, де обмотки генератора, як і окремі фази приймача, електричне зв'язані між собою й утворюють трифазні кола.

Видатний російський учений М.О. Доліво-Добровольський (1862 - 1919) для цієї мети запропонував дві схеми з'єднання: зіркою і трикутником, які застосовуються і тепер.

Трифазне коло називається симетричним, якщо комплекси опорів усіх його фаз однакові. Якщо в такому колі діє симетрична система е. р. с., то струми в фазах однакові за значенням й зсунуті за фазою на кут 120°, тобто утворюється симетрична трифазна система струмів.

Слід зазначити, що приймачі електричної енергії (електродвигуни, електролампи тощо) з генераторами, встановленими на електростанціях, звичайно безпосередньо не зв'язані. На шляху електроенергії від генератора до приймачів установлено трансформатори, за допомогою яких в електричній мережі не раз змінюється напруга.

Розділ 2. ВИДИ З’ЄДНАНЬ ТРЬОХФАЗНИХ КІЛ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

.1 З’єднання зіркою при симетричному навантаженні

На рис. 2.1. показано зв'язану систему при з'єднанні фаз джерела енергії і приймача зіркою. Таку систему легко дістати з незв'язаної системи.

Рис 2.1. Зав’язані трифазні системи електричних кіл при з’єднанні зіркою

Кінці обмоток джерела X, Y, Z з'єднують у загальну точку N, яка називається нульовою точкою, або нейтраллю. Проводи, які з'єднують початки А, В і С обмоток джерела з приймачем (лінійні проводи), зберігають; три проводи, приєднані до кінців обмоток, замінюють одним. Завдяки цьому в приймачі також утворюється нульова точка N' (нейтраль). Нульові точки джерела енергії і приймача можуть бути зв'язані проводом, який називається нульовим, або нейтральним (рис. 2.1, а). При цьому матимемо зв'язану чотирипровідну трифазну систему електричних кіл.

Далі буде показано, що в симетричних трифазних колах можна відмовитись від нульового проводу, оскільки струм у ньому дорівнює нулю. В цьому випадку зв'язок між джерелом і приймачем, з'єднаними зіркою, можна здійснювати за трипровідною схемою (рис. 2.1, б).

В трифазних колах розрізняють фазні та лінійні струми.

Фазні напруги

Фазні напруги джерела - це напруги між печатками й кінцями фаз, вони відрізняються від е. р. с. на спад напруги в обмотках. Якщо опором обмоток можна знехтувати, то фазні напруги джерела дорівнюють відповідним е. р. с. У симетричній системі вони зображуються, так само як і е. р. с., трьома однаковими за значенням векторами, зсунутими за фазою на 120° (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Векторні діаграми напруг при з’єднанні обмоток джерела зіркою

У чотирипровідному і симетричному трипровідному колах фазні напруги в приймачі менші, ніж у джерелі, на спад напруги у з'єднувальних проводах. Якщо опором проводів можна знехтувати, то фазні напруги в приймачі вважають такими ж, як у джерелі.

Лінійні напруги

Різниця потенціалів між кожною парою лінійних проводів називається лінійною напругою (11 ав, vbc, oca).

Якщо прийняти потенціал нульової точки N джерела енергії таким, що дорівнює нулю, то потенціали його лінійних затискачів:

Лінійні напруги:

Перейшовши до діючих значень, запишемо вирази в комплексній формі:

Потенціали лінійних затискачів (або лінійних проводів) у кожну мить відрізняються один від одного через наявність зсуву фаз між фазними напругами. Отже, лінійні напруги не дорівнюють нулю, їх можна визначити аналітичне за графічно за допомогою векторної діаграми рис. 2.2.

З векторної діаграми видно, що при симетричній системі фазних напруг система лінійних напруг також симетрична: uab, obc,uca однакові за значенням і зсунуті відносно одна одної на 120°. Разом з тим при прямій послідовності фаз зірка векторів лінійних напруг випереджає на 30° зірку векторів фазних напруг.

Векторну діаграму зручно виконати топографічною, тоді кожній точці кола відповідає певна точка на діаграмі (рис. 2.2, б). Вектор, проведений між двома точками топографічної діаграми, виражає за значенням і фазою напругу між однойменними точками кола.

Діюче значення лінійних напруг легко визначити за векторною діаграмою з трикутника, утвореного векторами двох фазних і однієї лінійної напруг, наприклад ANB:

Позначивши всі фазні напруги а лінійні напруги Un, дістанемо загальне співвідношення між лінійними та фазними напругами в симетричній системі:

Фазні та лінійні струми У зв'язаній системі (див. рис. 2.1, а), так само як і в незв'язаній, кожна фаза є замкненим колом. Згідно з додатним напрямом е. р. с., в обмотках джерела додатний напрям струмів у лінійних проводах - від джерела до приймача, а в нульовому проводі - від приймача до джерела.

При з'єднанні зіркою в точках переходу із джерела в лінію й з лінії в приймач немає розгалужень, тому фазні та лінійні струми однакові між собою в кожній фазі:

2.2 З’єднання трикутником при симетричному навантаженні

При з'єднанні трикутником з трьох обмоток джерела утворюється замкнений на себе контур (рис. 2.3, а). Точно так само замкнений контур можна утворити з трьох фаз приймача.

Загальні точки двох фаз джерела й двох фаз приймача з'єднано лінійними проводами. Так утворюється зв'язана трифазна трипровідна система, в якій кожну обмотку джерела з'єднано з відповідною фазою приймача парою лінійних проводів. Кожний з них забезпечує такий зв'язок у двох суміжних фазах.

Фазні та лінійні напруги

З'єднання кількох обмоток джерела в замкнений контур можливе лише тоді, коли сума всіх е. р. с. цього контура дорівнює нулю.

Ця вимога виконується при такому порядку з'єднання, коли кінець попередньої обмотки з'єднується з початком наступної. Наприклад, кінець X фази А з'єднано з початком фази В у загальній точці ХВ, кінець У фази В - з початком фази С в загальній точці YC й кінець Z фази С - з початком фази А в загальній точці ZA.

Симетрична система е. р. с., які діють у контурі, має суму, що дорівнює нулю (рис. 2.3, б): ЕА + Ев + ec = 0.

В цьому випадку при холостому ходу джерела струму в його обмотках немає.

При несиметрії системи е. р. с. їх сума не дорівнює нулю; тому вже при холостому ходу в обмотках джерела утворюється струм, який може бути великим навіть при малій несиметрії, оскільки опір обмоток незначний.

Рис. 2.3. Зв’язана трифазна система при з’єднанні трикутником (а) та її векторна діаграма(б)

При неправильному вмиканні обмоток, коли дві сусідні фази з'єднано печатками або кінцями (рис. 2.4.), сума е. р. с. в контурі дорівнює подвоєному значенню е. р. с. фази.

Із схеми з'єднання трикутником видно, що фазні та лінійні напруги збігаються, оскільки кінець однієї фази з'єднано з початком іншої:

Векторну діаграму напруг можна побудувати у вигляді зірки або замкненого трикутника векторів (рис. 2.5.). В останньому випадку діаграма є топографічною.

Рис. 2.4. Неправильне з’єднання трикутником обмоток джерела

Рис. 2.5. Векторні діаграми напруг при з’єднанні обмоток джерела трикутником

Фазні та лінійні струми

Кожна фаза приймача при з'єднанні трикутником перебуває під лінійною напругою. Цим зумовлено наявність у приймачі фазних струмів і.\-,. ібс, іса, додатний напрям яких на схемі рис. 2.3. вибрано відповідно до додатного напряму е. р. с. у фазах джерела.

Точки А', В', С' приймача, так само як і точки А, В, С джерела, є електричними вузлами; тому фазні струми відрізняються від лінійних їа, ів, іс- Для вузлових точок А, В, С можна записати рівняння в комплексній формі за першим правилом Кірхгофа:

При симетричному навантаженні струми у всіх фазах однакові. Зірка векторів лінійних струмів зсунута відносно зірки фазних струмів на 30° проти обертання векторів, якщо послідовність фаз - пряма (рис. 2.6, а).

Діюче значення лінійних струмів визначають за векторною діаграмою з рівнобедреного трикутника, утвореного векторами двох фазних і одного лінійного струмів, наприклад із трикутника ANC (рис. 2.6, б):