Методическая разработка Трехфазный источник электрической энергии

Методическая разработка

по ОП.03 Электротехника и электроника

на тему

 «Трехфазный источник электрической энергии»

2021

Цель занятия:

1.     Изучить тему Трехфазный источник электрической энергии

Время:  2 часа

Место: кабинет Электротехники и электроники

Учебно - материальное обеспечение:

Плакаты, презентации, лабораторное оборудование.

Распределение времени занятия:

Вступительная часть                                                                      5 мин;

Проверка подготовки обучающихся к занятию                             5 мин;

Учебные вопросы занятия                                                              25 мин;

Домашнее задание                                                                         5 мин;

Заключение                                                                                    5 мин.

Содержание занятия

Вступительная часть

–        принять рапорт дежурного по группе;

–        проверить наличие студентов и их готовность к занятию;

–        ответить на вопросы, которые возникли при подготовке к занятию на самостоятельной работе;

–        провести опрос по ранее изученному материалу:

–        Опрос рекомендуется провести устно, задавая вопросы и вызывая одного-двух студентов для ответа,

ТРЕХФАЗНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

Как и в однофазных электрических цепях, в трехфазных электрических цепях основными элементами являются источник электрической энергии (генератор) и приемник (потребитель).

4.1 Трехфазный источник электрической энергии

В отличие от однофазного, трехфазный источник электрической энергии имеет не два, а четыре вывода (рис. 4.1,а).

Рис. 4.1. Схема трехфазного источника электрической энергии (а)

и векторная диаграмма его напряжений (б)

Выводы А, В, С называются фазными, а вывод N называется нейтральным или нулевым.

Напряжения между фазными выводами называются линейными, а напряжения между соответствующими фазными выводами и нулевым выводом  – фазными напряжениями.

По традиции вместо обозначений  применяются обозначения

Таким образом, трехфазный источник электрической энергии вырабатывает не одно, а шесть напряжений, причем линейные напряжения по модулю связаны с фазными напряжениями зависимостью

                                     ,                                            (4.1)

где  и  – действующие значения линейных и фазных напряжений трехфазного источника электрической энергии.

Например, при = 380 В  В, при = 220 В В и т.д.

Очевидно, что соотношение (4.1) справедливо и для амплитудных значений напряжений трехфазного источника электрической энергии ().

Наличие напряжений двух уровней (фазного и линейного), на которые можно переходить путем простого переключения, является преимуществом трехфазного генератора по сравнению с однофазным.

Основными частями трехфазного генератора являются статор и ротор. В пазах статора расположены три одинаковые обмотки (катушки) А,В,С, оси которых смещены относительно друг друга на 120° или рад.

Обмотки генератора называются фазами, которые обозначаются соответственно А, В, С.

Таким образом, термин «фаза» в электротехнике обозначает в одних случаях аргумент синуса , а в других случаях - одну из обмоток трехфазного генератора или только вывод этой обмотки.

В каждой обмотке (фазе) статора под действием вращающегося магнитного поля (ВМП) ротора, согласно закону электромагнитной индукции, индуцируются синусоидальные напряжения с равными амплитудами и угловыми частотами, но сдвинутые по фазе на угол  друг относительно друга:

                                                                       (4.2)

где – мгновенные значения фазных напряжений.

Система напряжений, описываемая уравнениями (4.2), называется симметричной, а генератор, вырабатывающий такую систему напряжений, – симметричным.

Фазные напряжения (4.2) трехфазного симметричного генератора в комплексной форме имеют вид:

                                                          (4.3)

где U – действующее значение фазного напряжения.

На рисунке 4.1,б на комплексной плоскости построена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника электрической энергии в соответствии с уравнениями (4.2) и (4.3).

Трехфазная система впервые разработана и применена русским инженером-электриком М. И. Доливо-Добровольским в 80-х годах XIX века в Германии. В настоящее время генераторы электростанций всех видов являются трехфазными.

4.2 Анализ электрических цепей при соединении трехфазного  источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом

У источника энергии, выполненного по схеме «звезда», концы фазных обмоток X, Y, Z генератора соединяются в общий узел в N            (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема электрической цепи при соединении источника и приемника

по схеме «звезда» с нулевым проводом

Аналогичный узел п образует соединение концов x, y, z трех фаз приемника, а точки Nun соединяет нейтральный провод, в результате чего потенциалы этих точек равны. Остальные три провода, соединяющие выводы генератора А, В, С с выводами приемника а, в, с, называются линейными.

Таким образом, вместо шести проводов (в случае раздельного питания фаз приемника однофазными источниками) трехфазная система, выполненная по схеме «звезда» с нулевым проводом, содержит четыре провода.

Следовательно, трехфазная электрическая цепь обеспечивает передачу электрической энергии с меньшими потерями и с меньшим расходом материала проводов при передаче одинаковой мощности. В этом состоит преимущество трехфазных электрических цепей перед однофазными.

Линейные токи в линиях (проводах) А – а, В – в, С – с определяются по закону Ома в комплексной форме:

                                                                 (4.4)

Ток  в нейтральном проводе связан с линейными токами законом Кирхгофа в комплексной форме:

                                                                             (4.5)

Очевидно, что в схеме (рис. 4.2) линейные токи  являются одновременно и фазными, т.е. они протекают одновременно в фазах источника и приемника и в соединяющих их проводах (линиях).

Приемник с одинаковыми сопротивлениями всех трех фаз () называется симметричным.

Из уравнений (4.4) следует, что при симметричном приемнике действующие значения линейных токови токов всех фаз приемника равны:

                                                                        (4.6)

Равны также сдвиги фаз  этих токов относительно соответствующих фазных напряжений.

Таким образом, токи  представляют симметричную систему токов, в связи с чем их векторная сумма равна нулю и ток в нейтральном проводе , согласно (4.5), также равен нулю.

Векторная диаграмма напряжений и токов при емкостном характере симметричного приемника (ток опережает напряжение по фазе на          угол ) изображена на рисунке 4.3,а.

Векторная диаграмма напряжений на рисунке 4.3,а повторяет векторную диаграмму напряжений источника электрической энергии (рис. 4.1), т.к. система фазных и линейных напряжений в рассматриваемой электрической цепи задается источником и не зависит от нагрузки. В этом достоинство электрической цепи с нулевым проводом.

Составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура ANBA (рис. 4.2):

                                                                               (4.7)

где  – комплекс линейного напряжения.

Рис. 4.3. Векторная диаграмма напряжений и токов трехфазной электрической цепи при соединении симметричного приемника и источника по схеме «звезда» при емкостном характере приемника (а), при несимметричном приемнике (б)

На векторной диаграмме вектор  направлен в т. А так, чтобы выполнялось условие (4.7).

Физически это направление вектора указывает, что условно потенциал т. А выше потенциала т. В.

Из векторной диаграммы следует, что при симметричном приемнике, соединенном в «звезду», и при наличии нулевого (нейтрального) провода, симметричной системе напряжений (4.3) соответствует симметричная система токов:

                                                                    (4.8)

Однако, если приемник несимметричный, токи в схеме (рис. 4.2) не будут представлять симметричную систему и в нулевом проводе, в соответствии с (4.5), появится ток .

На рисунке 4.3,б приведена векторная диаграмма токов для случая несимметричного приемника емкостного характера.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

-      подвести итоги занятия;

-      напомнить тему, цели и учебные вопросы;

-      объявить оценки;

-      ответить на вопросы;

-      отметить активность и дисциплину на занятии;

-      дать задание на самоподготовку.

Список используемой литературы

1.       Славинский, А. К. Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А. К. Славинский, И. С. Туревский. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 448 с.

2.       Маркелов, С. Н. Электротехника и электроника : учебное пособие / С.Н. Маркелов, Б.Я. Сазанов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 267 с.