КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА» Дніпропетровськ 2011

Скачати 0.8 Mb.

Назва	КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА» Дніпропетровськ 2011
Сторінка	1/6
Дата	01.04.2013
Розмір	0.8 Mb.
Тип	Конспект

bibl.com.ua > Фізика > Конспект

1 2 3 4 5 6

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА МЕХАНІЗАЦІЇ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ У ТВАРИННИЦТВІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ

«ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА»

Дніпропетровськ – 2011

Зміст лекційного курсу дисципліни
Тема 1. Загальні відомості з електротехніки.

Тема 2. Електроенергетика України і електропостачання сільських споживачів.

Тема 3. Електропривод у сільськогосподарському виробництві.

Тема 4. Електричне освітлення і опромінення.

Тема 5. Електричне нагрівання і основи електротехнологій.

Тема 6. Автоматизація виробничих процесів сільськогосподарського виробництва.

Тема 7. Основи електробезпеки під час експлуатації електроустановок.
Тема 1. Загальні відомості з електротехніки.
1.1. Поняття потенціалу, напруги, електрорушійної сили (ЕРС), сили струму, електричного опору.
Різниця потенціалів. Припустимо, що електричний заряд переміщається в електричному полі з деякої крапки 1 в іншу крапку 2. На заряд в електричному полі діє сила, то при такому переміщенні буде зроблена певна робота А₁₂. Якщо той же заряд переміщується по колишньому шляху у зворотному напрямку (від крапки 2 до крапки 1), то робота буде тією ж, але зміниться її знак, тобто А₁₂= - А₂₁.

Рис. 1. Робота при переміщенні заряду в електростатичному полі не залежить від форми шляху
φ=W(A)/q

Потенціал вимірюється у вольтах (скорочено записується В — по імені італійського фізика Алессандро Вольта (1745 — 1827), одного із засновників вчення про електрику). Енергія W, як і робота A, вимірюється в джоулях (скорочено записують Дж — по імені англійського фізика Джеймса Джоуля (1818 — 1889) збереження, що експериментально обґрунтував закон, енергії). Джоулем називається робота, зроблена силою в один ньютон на шляху в один метр, тобто [Дж] = Н м — кг•м•м/с² = кг•м²/с². Потенціалом в 1 В називається такий потенціал, при якому на переміщення заряду в 1 Кл із даної крапки поля в нескінченність затрачається енергія в 1 Дж. Одержимо залежність напруженості електричного поля Е від потенціалу φ.

Напруженість поля Е дорівнює відношенню потенціалу φ до відстані l і вимірюється у вольтах на метр (В/м). Таким чином, одиниця Н/Кл те ж саме, що й В/м.

Кожна крапка електричного поля характеризується деяким потенціалом. Різниця потенціалів двох крапок називається напругою, позначається U і вимірюється так само, як і потенціал, у вольтах. Найважливішою властивістю електричного поля є те, що напруга між двома крапками залежить від різниці потенціалів, але не залежить від форми шляху, по якім переміщається заряд. В електростатичнім полі робота переміщення заряду між двома крапками не залежить від форми шляху, що з'єднує ці крапки. При переміщенні заряду по замкненому контуру робота дорівнює нулю.

Напруга між двома крапками чисельно дорівнює роботі А, витраченій на переміщення одиничного заряду з однієї крапки поля в іншу.

Електричним колом називають сукупність з'єднаних один з одним джерел електричної енергії і навантажень, по яким може протікати електричний струм. Електромагнітні процеси в електричному колі можна описати за допомогою понять «струм», «напруга», «ЕРС», «опір» («провідність»), «індуктивність», «ємність».

Постійним струмом називають струм, незмінний у часі. Постійний струм являє собою спрямований упорядкований рух часток, що несуть електричні заряди.

Джерело ЕРС і джерело струму. Джерело електричної енергії характеризується ЕРС E і внутрішнім опором R_в. Якщо через нього під дією ЕРС протікає струм I, то напруга на його затискачах U= E-Irв при збільшенні I зменшується. Залежність напруги U на затискачах реального джерела від струму I зображена на мал. 2.2, а.

Розглянемо два крайні випадки.

1. Якщо у деякого джерела внутрішній опір R_в = 0, а ВАХ його буде прямою лінією (мал. 2, б). Такою характеристикою має ідеалізоване джерело живлення, називаний джерелом ЕРС. Отже, джерело ЕРС являє собою таке ідеалізоване джерело живлення, напруга на затискачах якого постійна (не залежить від струму) і дорівнює ЕРС E, а внутрішній опір дорівнює нулю.

2. Якщо в джерелі безмежно збільшувати ЕРС Е і внутрішній опір R, то крапка с (мал. 2. а) відсувається по осі абсцис у нескінченність, а кут прагне до 90 ° (мал. 2, в). Таке джерело живлення називають джерелом струму.

Отже, джерело струму являє собою ідеалізоване джерело живлення, яке створює струм, що незалежно від опору навантаження, до якого він під’єднаний, а його ЭРС та внутрішній опір дорівнюють нескінченності.

Елементи електричних кіл.

1. Резистивний елемент (резистор)

Умовне графічне зображення резистора наведене на мал. 1,а. Резистор – це пасивний елемент, що характеризується резистивним опором. Останнє визначається геометричними розмірами тіла й властивостями матеріалу: питомим опором r (Ом м) або зворотною величиною – питомою провідністю

(Ом/м).

У найпростішому випадку провідника довжиною

і перетином S його опір визначається вираженням

У загальному випадку визначення опору пов'язане з розрахунками поля в провіднім середовищі, що розділяє два електроди.

Основною характеристикою резистивного елемента є залежність

(або

), називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ). Якщо залежність

являє собою пряму лінію, що проходить через початок координат (див.мал. 1,б), то резистор називається лінійним і описується співвідношенням

або

,

де

- провідність. При цьому R=const.

2. Індуктивний елемент (котушка індуктивності)

Умовне графічне зображення котушки індуктивності наведене на мал. 2,а. Котушка – це пасивний елемент, що характеризується індуктивністю. Для розрахунків індуктивності котушки необхідно розрахувати створене нею магнітне поле.

Індуктивність визначається відношенням потокозчеплення до струму, що протікає по витках котушки,

.

У свою чергу потокозчеплення дорівнює сумі добутків потоку, що пронизує витки, на число цих витків

, де

.

Основною характеристикою котушки індуктивності є залежність

, називана вебер - амперною характеристикою. Для лінійних котушок індуктивності залежність

являє собою пряму лінію, що проходить через початок координат (див. мал. 2,б); при цьому

.

Нелінійні властивості котушки індуктивності (див. криву

на мал. 2,б) визначає наявність у неї сердечника з феромагнітного матеріалу, для якого залежність

магнітної індукції від напруженості поля нелінійна. Без обліку явища магнітного гістерезису нелінійна котушка характеризується статичної

й диференціальної

індуктивностями.

3. Ємнісний елемент (конденсатор)

Умовне графічне зображення конденсатора наведене на мал. 3,а.

Конденсатор – це пасивний елемент, що характеризується ємністю. Для розрахунків останньої необхідно розрахувати електричне поле в конденсаторі. Ємність визначається відношенням заряду q на обкладках конденсатора до напруги u між ними

і залежить від геометрії обкладок і властивостей діелектрика, що перебуває між ними. Більшість діелектриків, використовуваних на практиці, лінійні, тобто в них відносна діелектрична проникність

=const. У цьому випадку залежність

являє собою пряму лінію, що проходить через початок координат, (див. мал. 3,б) і

.

У нелінійних діелектриків (сегнетоелектриків) діелектрична проникність є функцією напруженості поля, що обумовлює нелінійність залежності

(мал. 3,б). У цьому випадку без обліку явища електричного гістерезису нелінійний конденсатор характеризується статичної

й диференціальної

ємностями.
1.2. Електричне коло й основні елементи, що його складають. Закони Ома, Джоуля-Ленця, Кірхгофа.
Нерозгалужені й розгалужені електричні кола. Електричні кола підрозділяють на нерозгалужені й розгалужені. На мал. 2.1, а представлена схема найпростішого нерозгалуженого ланцюга. У всіх елементах її тече той самий струм. Найпростіший розгалужений ланцюг зображений на мал. 2.4, а; у ній є три гілки й два вузли. У кожній гілці тече свій струм. Гілки можна визначити як ділянки ланцюга, утворені послідовно з'єднаними елементами (через які тече однаковий струм) і ув'язнений між двома вузлами. У свою чергу, вузол — це крапка ланцюга, у якому сходяться не менш трьох гілок. Якщо в місці перетинання двох ліній на електричній схемі поставлена крапка (мал. 2.4, б), то в цьому місці є електричне з'єднання двох ліній, а якщо ні, то (мал. 2.4, в) його немає.

Постійний струм прийнято позначати буквою I, ЕРС джерела— E, опір — R, провідність — g. У Міжнародній системі одиниць (СИ) одиниця струму — амперів (А), одиниця ЕРС — вольтів(В), одиниця опору — ом (Ом),одиниця провідності — сименс (См).

Зображення електричного ланцюга за допомогою умовних знаків називають електричною схемою (мал. 2.1, а).

Залежність струму, що протікає по опору, від напруги на цьому опорі називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ). По осі абсцис на графіку звичайно відкладають напруга, а по осі ординат — струм.

Опору, ВАХ яких є прямими лініями (мал. 2.1, б), називають лінійними, електричні кола тільки з лінійними опорами — лінійними електричними колами.

Опору, ВАХ яких не є прямими лініями (мал. 2.1, в), тобто вони нелінійні, називають нелінійними, а електричні кола з нелінійними опорами — нелінійними електричними колами.

Закон Ома для ділянки ланцюга, що не містить джерела ЕРС.

Закон (правило) Ома для ділянки ланцюга, що не містить джерело ЕРС, встановлює зв'язок між струмом і напругою на цій ділянці. Стосовно до

або

Закон Ома для ділянки ланцюга, що містить джерело ЕРС. Узагальнений закон Ома для ділянки ланцюга, що містить джерело ЕРС, дозволяє знайти струм цієї ділянки по відомій різниці потенціалів (φа — φс)на кінцях ділянки ланцюги й наявної на цій ділянці ЕРС Е.

У загальному випадку

Закони Кірхгофа. Усі електричні кола підкоряються першому й другому законам Кірхгофа.

Перший закон Кірхгофа можна сформулювати:

1) алгебраїчна сума струмів, що притікають до будь-якого вузла схеми, дорівнює нулю;

або

2) сума струмів, що притікають до будь-якого вузла, дорівнює сумі струмів, що витікають від вузла.

Стосовно до

, якщо струми, що притікають до вузла, вважати позитивними, а, що витікають — негативними, те

згідно з першим формулюванням відповідно другий

.

Фізично перший закон Кірхгофа означає, що рух зарядів у ланцюзі відбувається так, що в жодному з вузлів вони не накопичуються.

Другий закон Кірхгофа також можна сформулювати подвійно:

1) алгебраїчна сума спадань напруги в будь-якому замкненому контурі дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС уздовж того ж контуру:

(у кожну із сум відповідні доданки входять зі знаком плюс, якщо вони збігаються з напрямком обходу контуру, і зі знаком мінус, якщо вони не збігаються з ним);

2) алгебраїчна сума напруг (не спадань напруги!) уздовж будь-якого замкненого контуру дорівнює нулю:

Закони Кірхгофа слушні для лінійних і нелінійних ланцюгів при будь-якому характері зміни в часі струмів і напруг.

Закон Джоуля-Ленца. Електричний струм робить у будь-якій ділянці ланцюга певну роботу. Нехай є довільна ділянка ланцюга (мал. 90), між кінцями якого існує напруга. По визначенню електричної напруги робота, чинена при переміщенні одиниці заряду між крапками а і б, рівна U. Якщо сила струму в ділянці ланцюга рівна i, то за час t пройде заряд it, і тому робота електричного струму в цій ділянці буде

Це вираження слушне для постійного струму в кожному разі, для якого завгодно ділянки ланцюга. Потужність струму, тобто робота в одиницю часу, рівна

У системі СИ одиниця напруги вольт (В) 1 В = 1 Вт/1 А = 1 Вт/А.

Вольт — електрична напруга, що викликає в електричнім колі постійний струм силою 1 А при потужності 1 Вт.

Будемо тепер уважати, що ділянка ланцюга являє собою нерухливий провідник 1-го роду. Тоді вся робота струму перетворюється в тепло, яке виділяється в провіднику. Якщо провідник однорідний і підкоряється закону Ома (сюди ставляться всі метали й електроліти), те

, де г — опір провідника. У такому випадку

1.3. Постійний електричний струм, змінний однофазний, трифазний струм.
Постійний електричний струм. Характеристики електричного струму.

Усякий рух електричних зарядів ми називаємо електричним струмом.

У металах можуть вільно переміщатися тільки електрони. Тому електричний струм у металах є рух електронів провідності. У провідних розчинах немає вільних електронів, а рухливими зарядженими частками є іони. У газах можуть існувати в рухливому стані й іони, і електрони.

Напрямком струму вмовилися вважати напрямок руху позитивних часток. Тому напрямок струму в металах протилежно напрямку руху електронів.

Лінії, уздовж яких рухаються заряджені частки, названі лініями струму. За напрямок ліній струму ухвалюють напрямок руху позитивних зарядів. Прокреслюючи лінії струму, ми одержуємо відразу наочну виставу про рух електронів і іонів, що утворює струм.

Якщо усередині провідника зі струмом подумки виділити трубку, у якої бічна поверхня складається з ліній струму, то заряджені частки при русі не будуть перетинати бічну поверхню трубки й не будуть виходити із трубки назовні, не входити ззовні в трубку. Така трубка називається трубкою струму. Поверхня металевого дроту, що перебуває в ізоляторі, є одна із трубок струму.

Для кількісної характеристики електричного струму служать дві основні величини: щільність струму й сила струму.

Щільність струму дорівнює заряду, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні, перпендикулярної до ліній струму.

Виділимо усередині провідника майданчик з S = 1, розташовану перпендикулярно до ліній струму, а виходить, і перпендикулярно до напрямку швидкості V заряджених часток. Побудуємо на цьому майданчику прямокутний паралелепіпед з довжиною, рівної швидкості руху часток υ. Тоді число часток, які пройдуть через розглянутий майданчик в одиницю часу, буде дорівнює числу часток, ув'язнених усередині паралелепіпеда. Якщо n є концентрація заряджених часток, то число часток усередині паралелепіпеда рівно n υ, а заряд, стерпний ними, є nеυ, де е — заряд однієї частки (наприклад, електрона). Тому щільність струму j рівна

Тому що пні суть скалярні величини, а швидкість — вектор, те можна ввести вектор щільності струму j, обумовлений у такий спосіб:

Тому що швидкість v характеризує рух заряджених часток у даній крапці, те й вектор щільності струму j визначає електричний струм у даній крапці провідника.

Сила струму i у якому-небудь провіднику дорівнює заряду, що проходить в одиницю часу через повний перетин провідника. Якщо dq- заряд, що пройшов через перетин провідника за час dt, то

Одиницею сили струму служить амперів (А). Ця одиниця є однієї з основних одиниць системи СИ. При струмі в 1 А через повний перетин провідника протікає заряд 1 Кл за час 1 с.

Вистава синусоїдальних величин за допомогою векторів і комплексних чисел.
Змінний струм довгий час не знаходив практичного застосування. Це було пов'язане з тим, що перші генератори електричної енергії виробляли постійний струм, який цілком задовольняв технологічним процесам електрохімії, а двигуни постійного струму мають гарні регулювальні характеристики. Однак у міру розвитку виробництва постійний струм усе менш став задовольняти зростаючим вимогам економічного електропостачання. Змінний струм дав можливість ефективного дроблення електричної енергії й зміни величини напруги за допомогою трансформаторів. З'явилася можливість виробництва електроенергії на великих електростанціях з наступним економічним її розподілом споживачам, збільшився радіус електропостачання.

У цей час центральне виробництво й розподіл електричної енергії здійснюється в основному на змінному струмі. Ланцюги з мінливими – змінними – струмами в порівнянні з ланцюгами постійного струму мають ряд особливостей. Змінні струми й напруги викликають змінні електричні й магнітні поля. У результаті зміни цих полів у ланцюгах виникають явища самоіндукції й взаємної індукції, які виявляють самий істотний вплив на процеси, що протікають у ланцюгах, ускладнюючи їх аналіз.

Змінним струмом (напругою, ЕРС і т.д.) називається струм (напруга, ЕРС і т.д.), що змінюється в часі. Струми, значення яких повторюються через рівні проміжки часу в одній і тій же послідовності, називаються періодичними, а найменший проміжок часу, через який ці повторення спостерігаються, - періодом Т. Для періодичного струму маємо

, (1)

Величина, зворотна періоду, є частота, вимірювана в герцах (Гц):

, (2)

Діапазон частот, застосовуваних у техніку: від наднизьких частот (0.01¸10 Гц – у системах автоматичного регулювання, в аналоговій обчислювальній техніці) – до надвисоких (3000 ¸ 300000 МГц – міліметрові хвилі: радіолокація, радіоастрономія). У РФ промислова частота f = 50Гц.

Миттєве значення змінної величини є функція часу. Її прийнято позначати малою літерою:

i - миттєве значення струму ;

u – миттєве значення напруги ;

е - миттєве значення ЕРС ;

р-р- миттєве значення потужності .

Найбільше миттєве значення змінної величини за період називається амплітудою (її прийнято позначати заголовною буквою з індексом m).

- амплітуда струму;

- амплітуда напруги;

- амплітуда ЕРС.

Діюче значення змінного струму

Значення періодичного струму, рівне такому значенню постійного струму, який за час одного періоду зробить той же самий тепловий або електродинамічний ефект, що й періодичний струм, називають діючим значенням періодичного струму:

, (3)

Аналогічно визначаються діючі значення ЕРС і напруги.

Синусоїдальний змінний струм

Із усіх можливих форм періодичних струмів найбільше поширення одержав синусоїдальний струм. У порівнянні з іншими видами струму синусоїдальний струм має та перевага, що дозволяє в загальному випадку найбільше економічно здійснювати виробництво, передачу, розподіл і використання електричної енергії. Тільки при використанні синусоїдального струму вдається зберегти незмінними форми кривих напруг і струмів на всіх ділянках складного лінійного ланцюга. Теорія синусоїдального струму є ключем до розуміння теорії інших ланцюгів.

Зображення синусоїдальних ЕРС, напруг і струмів на площині декартових координат

Синусоїдальні струми й напруги можна зобразити графічно, записати за допомогою рівнянь із тригонометричними функціями, представити у вигляді векторів на декартової площини або комплексними числами.

Наведеним на мал. 1, 2 графікам двох синусоїдальні ЕРС е₁ і е₂ відповідають рівняння:

.

Значення аргументів синусоїдальних функцій і називаються фазами синусоїд, а значення фази в початковий момент часу (t=0): і - початковою фазою ( ).

Величину, що характеризує швидкість зміни фазового кута, називають кутовою частотою. Тому що фазовий кут синусоїди за час одного періоду Т змінюється на рад., те кутова частота є, де f– частота.

При спільному розгляді двох синусоїдальних величин однієї частоти різниця їх фазових кутів, рівну різниці початкових фаз, називають кутом зрушення фаз.

Для синусоїдальних ЕРС е₁ і е₂ кут зрушення фаз:

.

Перетворення енергії в електричнім колі. Миттєва, активна, реактивна і повна потужності синусоїдального струму.
Передача енергії w по електричному колу (наприклад, по лінії електропередачі), розсіювання енергії, тобто перехід електромагнітної енергії в теплову, а також і інші види перетворення енергії характеризуються інтенсивністю, з якої протікає процес, тобто тем, скільки енергії передається по лінії в одиницю часу, скільки енергії розсіюється в одиницю часу. Інтенсивність передачі або перетворення енергії називається потужністю р. Сказаному відповідає математичне визначення:

. (1)
Вираження для миттєвого значення потужності в електричних колах має вигляд:

. (2)

Прийнявши початкову фазу напруги за нуль, а зрушення фаз між напругою й струмом за

, одержимо:

. (3)

Отже, миттєва потужність має постійну складову й гармонійну складову, кутова частота якої в 2 рази більше кутової частоти напруги й струму.

Коли миттєва потужність негативна, а це має місце (див. мал. 1), коли u і i різних знаків, тобто коли напрямок напруги і струму у двополюсника протилежні, енергія вертається із двополюсника джерелу живлення.

Таке повернення енергії джерелу відбувається за рахунок того, що енергія періодично запасається в магнітних і електричних полях відповідно індуктивних і ємнісних елементів, що входять до складу двухполюсника. Енергія, що віддається джерелом двухполюснику протягом часу t рівна

.

Середнє за період значення миттєвої потужності називається активною потужністю

.

Беручи до уваги, що

, з (3) одержимо:

. (4)

Активна потужність, споживана пасивним двухполюсником, не може бути негативної (інакше двухполюсник буде генерувати енергію), тому

, тобто на вході пасивного двухполюсника

. Випадок Р=0,

теоретично можливий для двухполюсника, що не має активних опорів, а утримуючого тільки ідеальні індуктивні і ємнісні елементи.

Інтенсивність обміну енергії прийнято характеризувати найбільшим значенням швидкості вступу енергії в магнітне поле котушки або електричне поле конденсатора, яке називається реактивною потужністю.

У загальному випадку вираження для реактивної потужності має вигляд:

(5)

Вона позитивна при відстаючому струмі (індуктивне навантаження -

) і негативна при випереджальному струмі (ємнісне навантаження-

). Одиницю потужності в застосуванні до виміру реактивної потужності називають вольт-ампер реактивний (Вар).

Зокрема для котушки індуктивності маємо:

, тому що

.

З останнього видне, що реактивна потужність для ідеальної котушки індуктивності пропорційна частоті й максимальному запасу енергії в котушці. Аналогічно можна одержати для ідеального конденсатора:

.

Повна потужність

Крім понять активної й реактивної потужностей в електротехніку широко використовується поняття повної потужності:

. (6)

Активна, реактивна й повна потужності зв'язані наступним співвідношенням:

. (7)

Відношення активної потужності до повної називають коефіцієнтом потужності. З наведених вище співвідношень видне, що коефіцієнт потужності

дорівнює косинусу кута зрушення між струмом і напругою. Отже,

. (8)

Комплексна потужність

Активну, реактивну й повну потужності можна визначити, користуючись комплексними зображеннями напруги й струму. Нехай

, а

. Тоді комплекс повної потужності:

, (9)

де

- комплекс, сполучений з комплексом

Комплексної потужності можна поставити у відповідність трикутник потужностей (див. мал. 4). Рис. 4 відповідає

(активно-індуктивне навантаження), для якого маємо:

.

Трифазні електричні кола.
Трифазний ланцюг представляє собою сукупність електричних кіл, у яких діють ЕРС однакової частоти, зрушені по фазі відносно один одного на певний кут. Відзначимо, що звичайно ці ЕРС, у першу чергу в силовій енергетиці, синусоїдальні. Однак, у сучасних електромеханічних системах, де для керування виконавчими двигунами використовуються перетворювачі частоти, система напруг у загальному випадку є несинусоїдальною. Кожну із частин багатофазної системи, що характеризується однаковим струмом, називають фазою, тобто фаза – це ділянка ланцюга, що відноситься до відповідної обмотки генератора або трансформатора, лінії й навантаженню.

Джерелом трифазної напруги є трифазний генератор, на статорі якого (див. мал. 1) розміщена трифазна обмотка. Фази цієї обмотки розташовуються таким чином, щоб їх магнітні осі були зрушені в просторі друг щодо друга на

ел. рад. На мал. 1 кожна фаза статора умовно показано у вигляді одного витка. Початку обмоток прийнято позначати заголовними буквами А,В,С, а кінці - відповідно прописними x,y,z. ЕРС у нерухомих обмотках статора індукує в результаті перетинання їх витків магнітним полем, створюваним струмом обмотки збудження обертового ротора (на мал. 1 ротор умовно зображений у вигляді постійного магніту, що використовується на практиці при відносно невеликих потужностях). При обертанні ротора з рівномірною швидкістю в обмотках фаз статора індукується періодично змінний синусоїдальний ЕРС однакової частоти й амплітуди, з просторовим зрушенням друг від друга по фазі на

рад. (см. мал. 2).

На трифазному струмі працюють усі великі електростанції і споживачі, що пов'язане з рядом переваг трифазних ланцюгів перед однофазними, найважливішими з яких є:

- економічність передачі електроенергії на великі відстані;

- самим надійним і економічним промисловим електроприводом є електропривод з асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором;

- можливість одержання за допомогою нерухомих обмоток обертового магнітного поля, на чому і заснована робота синхронного й асинхронного двигунів, а також ряду інших електротехнічних пристроїв;

- урівноваженість симетричних трифазних систем.

Для розгляду найважливішого властивості врівноваженості трифазної системи, яке буде доведено далі, уведемо поняття симетрії багатофазної системи.

Система ЕРС (напруг, струмів і т.д.) називається симетричної, якщо вона складається з m однакових по модулю векторів ЕРС (напруг, струмів і т.д.), зрушених по фазі друг щодо друга на однаковий кут

. Зокрема векторна діаграма для симетричної системи ЕРС, відповідній до трифазної системи синусоїд на мал. 2, представлена на мал. 3.

Рис.3 Рис.4

З несиметричних систем найбільший практичний інтерес представляє двофазна система з 90-градусним зрушенням фаз (див. мал. 4).

Усі симетричні трьох- і m-фазні (m>3) системи, а також двофазна система є врівноваженими. Це означає, що хоча в окремих фазах миттєва потужність пульсує (див. мал. 5,а), змінюючи за час одного періоду не тільки величину, але в загальному випадку й знак, сумарна миттєва потужність усіх фаз залишається величиною постійної протягом усього періоду синусоїдальної ЕРС (див. мал. 5,б).

Урівноваженість має найважливіше практичне значення. Якби сумарна миттєва потужність пульсувала, то на валу між турбіною й генератором діяв би пульсуючий момент. Таке змінне механічне навантаження шкідливо відбивалося б на енергогенеруючій установці, скорочуючи строк її служби. Ці ж міркування ставляться й до багатофазних електродвигунів.

Якщо симетрія порушується (двофазна система Тесла в силу своєї специфіки в розрахунки не ухвалюється), то порушується й урівноваженість. Тому в енергетику строго стежать за тим, щоб навантаження генератора залишалося симетричної.

Схеми з'єднання трифазних систем

Трифазний генератор (трансформатор) має три вихідні обмотки, однакові по числу витків, а ЕРС зрушені по фазі на 120⁰. Для зменшення кількості проводів у лінії фази генератора зв'язані між собою. Розрізняють два види з'єднань: у зірку і у трикутник. У свою чергу при з'єднанні в зірку система може бути трьох- і чотирьохпроводною.

З'єднання в зірку

На мал. 6 наведена трифазна система при з'єднанні фаз генератора й навантаження в зірку. Тут проведення АА’, ВВ’ і СС’ – лінійні проведення.

Лінійним називається проведення, що з'єднує початок фаз обмотки генератора і приймача. Крапка, у якій кінці фаз з'єднуються в загальний вузол, називається нейтральної (на мал. 6 N і N’ – відповідно нейтральні крапки генератора й навантаження).

Проведення, що з'єднує нейтральні крапки генератора й приймача, називається нейтральним (на мал. 6 показаний пунктиром). Трифазна система при з'єднанні в зірку без нейтрального проведення називається трьохпроводною, з нейтральним проведенням – чотирьохпроводною.

Усі величини, що відносяться до фаз, звуться фазними змінними, до лінії - лінійними. Як видно зі схеми на мал. 6, при з'єднанні в зірку лінійні струми

рівні відповідним до фазних струмів. При наявності нейтрального проведення струму у нейтральному проводі

. Якщо система фазних струмів симетрична, то

. Отже, якби симетрія струмів була гарантована, то нейтральний провід був би не потрібний. Як буде показано далі, нейтральний провід забезпечує підтримку симетрії напруг на навантаженні при несиметрії самого навантаження.

Оскільки напруга на джерелі протилежна напрямку його ЕРС, фазні напруги генератора (див. мал. 6) діють від крапок А,В и С до нейтральної крапки N;

- фазні напруги навантаження.

Лінійні напруги діють між лінійними проводами. У відповідності із другим законом Кірхгофа для лінійних напруг можна записати

; (1)

; (2)

. (3)
Відзначимо, що завжди

- як сума напруг по замкненому контуру.

На мал. 7 представлена векторна діаграма для симетричної системи напруг. Як показує її аналіз (промені фазних напруг утворюють сторони рівнобедрених трикутників з кутами при основі, рівними 300), у цьому випадку

(4)

Звичайно при розрахунках

.

Тоді для випадку прямого чергування фаз

(при зворотному чергуванні фаз фазові зрушення в

міняються місцями).

З'єднання в трикутник

У зв'язку з тим, що значна частина приймачів, що включаються в трифазні ланцюги, буває несиметрична, дуже важливо на практиці, наприклад, у схемах з освітлювальними приладами, забезпечувати незалежність режимів роботи окремих фаз. Крім чотирьохпроводної, подібні властивості мають і трьохпроводні ланцюги при з'єднанні фаз приймача в трикутник. Але в трикутник також можна з'єднати і фази генератора (див. мал. 8).

Для симетричної системи ЕРС маємо

.

Таким чином, при відсутності навантаження у фазах генератора в схемі на мал. 8 струми будуть дорівнюють нулю. Однак, якщо поміняти місцями початок і кінець кожної з фаз, то

і у трикутнику буде протікати струм короткого замикання. Отже, для трикутника потрібно строго зберігати порядок з'єднання фаз: початок однієї фази з'єднується з кінцем іншої.

Схема з'єднання фаз генератора і приймача в трикутник представлена на мал. 9. Очевидно, що при з'єднанні в трикутник лінійні напруги рівні відповідним фазним. По першому закону Кірхгофа зв'язок між лінійними і фазними струмами приймача визначається співвідношеннями

Аналогічно можна виразити лінійні струми через фазні струми генератора.

На мал. 10 представлена векторна діаграма симетричної системи лінійних і фазних струмів. Її аналіз показує, що при симетрії струмів

. (5)

На закінчення відзначимо, що крім розглянутих з'єднань «зірка - зірка» і «трикутник - трикутник» на практиці також застосовуються схеми «зірка - трикутник» і «трикутник - зірка».

1 2 3 4 5 6

Схожі:

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ до лабораторних робіт з дисципліни «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ... Т, вказані основні теоретичні положення до кожної з практичної роботи містять основні матеріали з питань вибору, розрахунку та застосування...	Конспект лекцій У двох частинах Частина 2 Суми Затверджено на засіданні кафедри фінансів як конспект лекцій з дисципліни «Банківський менеджмент»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ з дисципліни “ Економіка підприємства ” для студентів... ВСТУП	10 Фіксований сільськогосподарський податок Платниками фіксованого... Платниками фіксованого сільськогосподарського податку можуть бути сільськогосподарські товаровиробники, у яких частка сільськогосподарського...
Конспект лекцій з дисципліни «Особливості водопостачання і водовідведення... Конспект лекцій з дисципліни «Особливості водопостачання і водовідведення промислових підприємств» (для студентів 5-6 курсів денної...	РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА з дисципліни ПРОБЛЕМНІ ПИТАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ... Робоча навчальна програма з дисципліни «Проблемні питання застосування трудового законодавства» / Укладачі: доцент кафедри трудового...
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ «Маркетинг інформаційних продуктів та послуг» Зростання інформаційних потреб суспільства, спрямованих на отримання повної, достовірної та своєчасної інформації, створює передумови...	Конспект лекцІй з дисципліни “ ПОТЕНЦІАЛ і розвиток ПІДПРИЄМСТВА”... Конспект лекцій з дисципліни “Потенціал і розвиток підприємства” для студентів ІV курсу / Укл доцент кафедри економіки підприємства...
Роботизація та автоматизація виробництва на основі електронно обчислювальної техніки Тема: Роботизація та автоматизація виробництва на основі електронно обчислювальної техніки	КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ дисципліни «Історія економічних учень»

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання