Меню

Переменный трехфазный ток постоянной частоты

Переменный трехфазный ток постоянной частоты

Трехфазная система переменного тока

Электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток. Генератор трехфазного тока представляет собой как бы три объединенных вместе генератора переменного тока, работающих так, чтобы сила тока (и напряжение) изменялась у них не одновременно, а с отставанием на 1/3 периода. Это осуществляется за счет смещения катушек генераторов на 120° одна относительно другой (рис. справа).


Каждая часть обмотки генератора называется
фазой. Поэтому генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из трех частей, называют трехфазными.

Следует отметить, что термин «фаза» в электротехнике имеет два значения: 1) как величина, которая совместно с амплитудой определяет состояние колебательного процесса в данный момент времени; 2) в смысле наименования части электрической цепи переменного тока (например, часть обмотки электрической машины).

Некоторое наглядное представление о возникновении трехфазного тока дает установка, изображенная на рис. слева.
Три катушки от школьного разборного трансформатора с сердечниками размещаются по окружности под углом 120° по отношению друг к другу. Каждая катушка соединена с демонстрационным гальванометром. В центре окружности на оси укрепляется прямой магнит. Если вращать магнит, то в каждой из трех цепей «катушка — гальванометр» возникает переменный ток. При медленном вращении магнита можно заметить, что наибольшее и наименьшее значения токов и их направления будут в каждый момент во всех трех цепях различными.

Таким образом, трехфазный ток представляет совместное действие трех переменных токов одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 1/3 периода относительно друг друга.
Каждая обмотка генератора может соединяться со своим потребителем, образуя несвязанную трехфазную систему. Выигрыша от такого соединения нет никакого по отношению к трем отдельным генераторам переменного тока, так как передача электрической энергии осуществляется с помощью шести проводов (рис. справа).

На практике получили два других способа соединения обмоток трехфазного генератора. Первый способ соединения получил название звезды (рис. слева, а), а второй — треугольника (рис. б).

При соединении звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются в один общий узел, а от начал (или концов) идут провода к потребителям. Эти провода называются линейными проводами. Общую точку, в которой соединяются концы фаз генератора (или потребителя), называют нулевой точкой, или нейтралью. Провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, называют нулевым проводом. Нулевой провод применяется в том случае, если в сети создается неравномерная нагрузка на фазы. Он позволяет уравнять напряжения в фазах потребителя.

Нулевой провод, как правило, применяется в осветительных сетях. Даже при наличии одинакового количества ламп равной мощности во всех трех фазах равномерная нагрузка не сохраняется, так как лампы могут включаться, выключаться не одновременно во всех фазах, могут перегорать, и тогда равномерность нагрузки фаз будет нарушена. Поэтому для осветительной сети применяется соединение в звезду, которая имеет четыре провода (рис. справа) вместо шести при несвязанной трехфазной системе.

При соединении в звезду различают два вида напряжения: фазное и линейное. Напряжение между каждым линейным и нулевым проводом равно напряжению между зажимами соответствующей фазы генератора и называется фазным ( U ф ), а напряжение между двумя линейными проводами — линейным напряжением ( U л ).

Между фазными и линейными напряжениями можно установить соотношение:

если рассмотреть треугольник напряжения (рис. слева).

Ил= ^ч-Т^-г-Т^-сойШ^ Сф-л/2 + 2-со5б0° = л/3 -Ц,

На практике широкое распространение получили трехфазные цепи с нейтральными проводами при напряжениях U Л = 380 В; U Ф = 220 В.

Поскольку в нулевом проводе при симметричной нагрузке сила тока равна нулю, то ток в линейном проводе равен току в фазе.
При неравномерной нагрузке фаз по нулевому проводу проходит уравнительный ток относительно малой величины. Поэтому сечение этого провода должно быть значительно меньше, чем у линейного провода. В этом можно убедиться, если включить четыре амперметра в линейные и нулевой провода. В качестве нагрузки удобно использовать обычные электрические лампочки (рис. справа).

При одинаковой нагрузке в фазах ток в нулевом проводе равен нулю и надобность в этом проводе отпадает (например, равномерную нагрузку создают электродвигатели). В этом случае производят соединение в «треугольник», которое представляет собой последовательное соединение друг с другом начал и концов катушек генератора. Нулевой провод в этом случае отсутствует.
При соединении обмоток генератора и потребителей «треугольником» фазные и линейные напряжения равны между собой,
т.е. U Л = U Ф , а линейный ток в √3 раз больше фазного тока I Л = √3 . I Ф

Соединение треугольником применяется как при осветительной, так и при силовой нагрузке. Например, в школьной мастерской станки можно включать в звезду или треугольник. Выбор того или иного способа соединения определяется величиной напряжения сети и номинальным напряжением приемников электрической энергии.
Принципиально можно соединять треугольником и фазы генератора, но обычно этого не делают. Дело в том, что для создания заданного линейного напряжения каждая фаза генератора при соединении треугольником должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения звездой. Более высокое напряжение в фазе генератора требует увеличения числа витков и усиленной изоляции для обмоточного провода, что увеличивает размеры и стоимость машин. Поэтому фазы трехфазных генераторов почти всегда соединяют звездой. Двигатели же иногда в момент пуска включают звездой, а затем переключают на треугольник.

Источник

Трёхфазный переменный ток. Получение трёхфазного тока

Трёхфазный переменный ток. Получение трёхфазного тока

Работающие в настоящее время электростанции производят трёхфазный ток. Главное его преимущество заключается в лёгкости получения вращающегося магнитного поля. Вращающееся поле используется в самом простом и надёжном двигателе в мире – асинхронном. Трёхфазный ток легко производить и экономично передавать.

Трёхфазной системой переменного тока называется совокупность трёх однофазных токов одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1/3 периода (или 120 градусов.
Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора.

23. А)Звезда. Б)Треугольник

24.Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам:

По роду измеряемой величины; по роду тока;по степени точности; по принципу действия; по способу получения отсчета; по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать: по способу монтирования; по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей; по выносливости в отношении перегрузок; по пригодности к применению при различных температурах; по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно: тока — амперметр; напряжения — вольтметр;

электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивлений; мощности — ват­тметр; электрической энергии — счетчик; частоты перемен­ного тока — частотомер; коэффициента мощности — фа­зометр.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические (ферромагнитные); индукционные;

и др. По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие. По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

25.Измерение тока. Для измерения тока в цепи амперметр или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Пуск в ход асинхронных двигателей

При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Назначение

Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.

Необходимость в повышении передаваемого напряжения возникает в целях многократной экономии металла, используемого в проводах ЛЭП, и уменьшения потерь на активном сопротивлении. Действительно, необходимая площадь сечения проводов определяется только силой проходящего тока и отсутствием возникновения коронного разряда. Также уменьшение силы проходящего тока влечёт за собой уменьшение потери энергии, которая находится в прямой квадратичной зависимости от значения силы тока. С другой стороны, чтобы избежать высоковольтного электрического пробоя, применяются специальные меры: используются специальные изоляторы, провода разносятся на достаточное расстояние и т. д. Основная же причина повышения напряжения состоит в том, что чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

42.Электрическая сеть — совокупность электроустановок, предназначенных для передачи и распределения электроэнергии от электростанции к потребителю.

Электрическая сеть — совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии.

43.Электронная лампа, радиолампа — электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Радиолампы массово использовались в ХХ веке как активные элементы электронной аппаратуры (усилители, генераторы, детекторы, переключатели и т. п.). В настоящее время практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Иногда ещё применяются в мощных высокочастотных передатчиках и аудиотехнике.

44.Газоразрядная лампа — источник света, излучающий энергию в видимом диапазоне. Физическая основа — электрический разряд в газах. В последнее время принято называть газоразрядные лампы разрядными лампами.

Разрядные лампы обладают высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую. Эффективность измеряется отношением люмен/Ватт.

45.Транзистор полупроводнико́вый трио́д — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

46.Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (

300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость при 300 К составляет 10-4?10

10 Ом?1·см?1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

47. Электронные выпрямители –эл. устройство служащие для преобразования энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Трёхфазный переменный ток. Получение трёхфазного тока

Работающие в настоящее время электростанции производят трёхфазный ток. Главное его преимущество заключается в лёгкости получения вращающегося магнитного поля. Вращающееся поле используется в самом простом и надёжном двигателе в мире – асинхронном. Трёхфазный ток легко производить и экономично передавать.

Трёхфазной системой переменного тока называется совокупность трёх однофазных токов одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1/3 периода (или 120 градусов.
Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора.

23. А)Звезда. Б)Треугольник

24.Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам:

По роду измеряемой величины; по роду тока;по степени точности; по принципу действия; по способу получения отсчета; по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать: по способу монтирования; по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей; по выносливости в отношении перегрузок; по пригодности к применению при различных температурах; по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно: тока — амперметр; напряжения — вольтметр;

электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивлений; мощности — ват­тметр; электрической энергии — счетчик; частоты перемен­ного тока — частотомер; коэффициента мощности — фа­зометр.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические (ферромагнитные); индукционные;

и др. По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие. По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

25.Измерение тока. Для измерения тока в цепи амперметр или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник



Основные сведение о трехфазной системе переменного тока

Трехфазная система переменного тока получила широкое применение, т. к. имеет ряд преимуществ по сравнению с системой однофазного переменного тока. Поэтому чаще всего электрическая энергия вырабатывается, передается и распределяется между потребителями трехфазными системами. Подавляющее большинство электродвигателей является двигателями трехфазного переменного тока.

Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380 В — для питания электродвигателей и 220 В — для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) применяют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи IA, IB, IC и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах потребителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток I, называемый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трехфазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой» и показана на рисунке 1.

2. Свойства трёхфазной цепи соединённой по схеме «звезда»

При соединении в звезду фазный ток IФ и линейный ток IЛ есть оно и тоже.

Напряжение между линейными проводам, называемое линейным напряжением (например, U), оказывается в Ö3 раз больше, чем фазное напряжение источника питания UA, UВ или UС:

3. Векторные диаграммы напряжений и токов при соединении схеме «звезда»

Рисунок 2 Рисунок 3

Если трехфазная система симметричная (все сопротивления и мощности фазных потребителей одинаковы), то по всем трем фазам протекают одинаковые по величине токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Ток в нейтральном проводе при этом равен нулю. Напряжения на всех фазах потребителя также отличаются друг от друга только по начальной фазе на 120° (рисунок 2).

При включении в разных фазах различных по мощности потребителей (несимметричная нагрузка), токи каждой фазы (в каждом линейном проводе) отличаются друг от друга не только начальной фазой, но и величиной. По нейтральному проводу при этом протекает ток, вектор которого на основании первого закона Кирхгофа равен геометрической сумме векторов фазных токов (рисунок 3). I=IA+IB +IC . Обрыв нейтрального провода (трехпроводная система) при несимметричной нагрузке приводит к изменению напряжений на всех фазах потребителей и появлению напряжения смещения нейтрали.

Тема: «Соединение обмоток трехфазного генератора и приемников потребителей энергии треугольником».

Общие сведения

Соединением треугольником называют такую трёхфазную цепь, в которой фазы генератора и фазы приёмника образуют два замкнутых контура, в которых начало первой фазы соединяется с концом третьей, конец первой фазы- с началом второй, а конец второй – с началом третьей.

Токи Iа,Iв,Iс называются линейными, а токи Iав, Iвс, Iса— фазными.

Положительные направления ЭДС в обмотках генератора, соединённых треугольником, сохраняются такими же, как и при соединении звездой: от конца обмотки к началу. Положительные направления токов совпадают с положительными направлениями ЭДС.

Соединение в «Треугольник» получается при соединении концов фаз и начал фаз согласно рисунок 1.

2. Свойства трёхфазной цепи соединённой по схеме «треугольник»

1.Нет нулевого провода и фазное напряжение (на обмотке) равно линейному напряжению между проводами питающей сети:

2.Линейный ток в проводах сети больше, чем ток в фазе (обмотке):

3. Векторная диаграмма напряжений и токов в фазах генератора при соединении обмоток треугольником

При включении нагрузок в сеть трёхфазного переменного тока треугольником каждая группа нагрузки окажется включённой между двумя линейными проводами.

Вывод: Таким образом мы рассмотрели трёхфазные симметричные электрические цепи переменного тока соединённые треугольником и звездой.

Очень ценным свойством четырёх проводной системы является возможность получения различных напряжений.

Так, если включить приёмники энергии между линейными проводами и нулевым проводом, т.е звездой, то они окажутся включёнными на фазные напряжения. Если другую группу приёмников соединить треугольником, то они будут включены только между линейными проводами и окажутся под линейным напряжением, большим в раза фазного.

Четырёхпроводная система широко используется для электроснабжения смешанных осветительно-силовых нагрузок. Осветительные нагрузки включают на фазное напряжение, а силовые нагрузки (электродвигатели) на линейное напряжение.

4. Мощность в трёхфазной цепи.

Мощность потребляемая нагрузкой от сети трёхфазного тока равна сумме мощностей, потребляемых отдельными фазами, т.е.:

(1)

При равномерной нагрузке мощность, потребляемая каждой фазой:

(2)

Мощность потребляемая всеми тремя фазами:

(3)

При соединении приёмников энергии звездой соотношения между линейными и фазными значениями напряжений и токов:

(4)

Следовательно, мощность потребляемая нагрузкой от трёхфазной сети:

(5)

При соединении приёмников энергии «треугольником» соотношения между линейными и фазными значениями напряжений и токов:

(6)

Следовательно активная мощность потребляемая нагрузкой в обеих случаях

(соединённой звездой и треугольником) будет равна:

(7)

Реактивная мощность для соединений звезда, треугольник равна:

(8)

Полная мощность в трёхфазной цепи при симметричной нагрузке:

(9)

(10)

Вывод:Таким образом, при равномерной нагрузке мощность потребляемая от трёхфазной сети, независимо от схемы включения нагрузки, выражается формулой: (11)

При неравномерной нагрузке мощности в фазах различны ( ) и суммарная мощность потребляемая нагрузкой, равна:

(12)

Тема: «Электрические машины переменного тока».

Асинхронный двигатель.

Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя.

Рисунок 1 Рисунок 2

На рисунке 1 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.

На рисунке 2 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле. Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.

Частота вращающегося магнитного поля статора n1 зависит от числа пар полюсов двигателя р, на которое сконструирована обмотка статора, и от частоты тока трехфазной системы n1=60f/p. Частота тока в цепи (промышленная частота) f=50 Гц. Тогда формула примет вид n1 = 60*50/p = 3000/p об/мин.

Из формулы следует, что при любой механической нагрузке, которую может преодолеть двигатель, синхронная частота n1 остается неизменной, так как зависит только от конструкции обмотки статора.

Частота вращения ротора п2 связана с частотой n1характеристикой двигателя, которая называется скольжением, s (маленькая буква): s= (n1 n2)/n1n2= n1(1—s). Скольжение s изменяется от 0,01 до 0,06 или от 1 до 6 %, возрастая с увеличением нагрузки двигателя. Поэтому частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора двигателя. С ростом нагрузки двигателя частота п2 немного уменьшается, что и приводит к росту скольжения s. Из-за такого неравенства п2

Источник

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

Большинство людей, за исключением специалистов — электриков, имеют весьма смутное представление, что такое так называемый «трёхфазный» переменный ток, да и в понятиях, что такое сила тока, напряжение и электрический потенциал, а также мощность, — часто путаются.

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.

Трёхфазный ток

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

Да с тех самых пор, когда человечество, узнав, что перемещение магнита вблизи проводника вызывает электрический ток в проводнике. Именно движение магнита вызывает ток, если магнит положить рядом с проводом и не двигать – никакого тока в проводнике это не вызовет. Далее, мы хотим получить (генерировать) в проводнике ток, чтобы использовать его в дальнейшем для каких-либо целей. Для этого изготовим катушку из медного провода и начнём возле неё двигать магнит. Магнит можно передвигать возле катушки как угодно – двигать по прямой туда-сюда, но, чтобы не двигать магнит руками, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать его вращать около катушки, аналогично вращению бутылки с водой из предыдущего примера. Вот именно таким образом — по техническим причинам — мы и получили синусоидальный переменный ток, используемый ныне повсеместно. Синусоида – это развёрнутое во времени описание вращения.

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.

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

Далее русский учёный электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трёх — и четырёхпроводную систему передачи трёхфазного переменного тока. Он предложил соединить один конец всех трёх обмоток генератора в одну точку и передавать электроэнергию всего по четырём проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах существенная). Оказалось, что при симметричной нагрузке каждой фазы (равным сопротивлением) ток в этом общем проводе равняется нулю. Потому что при суммировании (алгебраическом, с учётом знаков) сдвинутых по фазе на 120 градусов токов они взаимно уничтожаются. Этот общий провод так и назвали – нулевой. Поскольку ток в нём возникает только при неравномерности нагрузок фаз и численно он небольшой, гораздо меньше фазных токов, то представилась возможность использовать в качестве «нулевого» провод меньшего сечения, чем для фазных проводов.

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.

Сегодня трёхфазная система электроснабжения осуществляется четырьмя проводами, три из них называются фазными и обозначаются латинскими буквами: на генераторе — А, В и С, у потребителя — L1, L2 и L3. Нулевой провод так и обозначается – 0.

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

Фазное напряжение

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.

Возникает вопрос, если по нулевому проводу ток не протекает, то нельзя ли его вообще убрать. Можно. И мы получим трёхпроводную систему электроснабжения. С соединением потребителей так называемым «треугольником» — между фазными проводами. Однако нужно заметить, что при неравномерной нагрузке в сторонах «треугольника» на генератор будут действовать разрушающие его нагрузки, поэтому данную систему можно применять при огромном количестве потребителей, когда неравномерности нагрузок нивелируются. Передача электроэнергии от больших электростанций при высоких фазных и линейных напряжениях (сотни тысяч вольт) так и осуществляются. Почему же применяется такое высокое напряжение. Ответ простой – чтобы уменьшить потери в проводах на нагрев. Так как нагрев проводов (потери энергии) пропорционален квадрату протекающего тока, то желательно чтобы протекающий ток был минимален. Ну а для передачи необходимой мощности при минимальном токе нужно повышать напряжение. Линии электропередач (ЛЭП) так и обозначаются, к примеру, ЛЭП – 500 – это линия электропередачи под напряжением 500 киловольт.

потери в проводах ЛЭП

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?

  1. Экономия на количестве проводов, необходимых для передачи электроэнергии. Учитывая немалые расстояния (сотни и тысячи километров) и то, что для проводов используют цветные металлы с малым удельным электрическим сопротивлением, экономия получается весьма существенной.
  2. Трёхфазные трансформаторы, при равной мощности с однофазными, имеют значительно меньшие размеры магнитопровода. Что позволяет получить существенную экономию.
  3. Очень важно, что трёхфазная система передачи электроэнергии создаёт при подключении потребителя к трём фазам как бы вращающееся электромагнитное поле. Опять-таки, вследствие сдвига фаз. Это свойство позволило создать чрезвычайно простые и надёжные трёхфазные электродвигатели, у которых нет коллектора, а ротор, по сути, представляет собой простую «болванку» в подшипниках, к которой не нужно подсоединять никакие провода. (На самом деле конструкция короткозамкнутого ротора имеет свои особенности и вовсе не болванка) Это так называемые трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Очень широко распространённые сегодня в качестве силовых установок. Замечательное свойство таких двигателей – это возможность менять направление вращения ротора на обратное простым переключением двух любых фазных проводов.
  4. Возможность получения в трёхфазных сетях двух рабочих напряжений. Другими словами менять мощность электродвигателя или нагревательной установки путём простого переключения питающих проводов.
  5. Возможность значительного уменьшения мерцаний и стробоскопического эффекта светильников на люминисцентных лампах путём размещения в светильнике трёх ламп, питающихся от разных фаз.

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

Источник

Читайте также:  Как открыть домофон ударом тока