Тема 4. Електричні машини змінного струму.

Тема уроку. Трифазні електричні кола синусоїдального струму. Мета. 

ü  Формувати знання про трифазні електричні кола синусоїдального струму, їх призначення та спосіб використання;

ü  Розвивати вміння аналізувати, логічне мислення, вміння працювати з додатковою інформацією;

ü  Виховувати спостережливість, культуру оформлення конспекту, формувати науковий світогляд та інтерес до вивчення електротехніки.

Тип уроку.  Урок формування нових знань. Вид уроку.  Лекція з елементами бесіди.

v Додаток Т 4 К 10.1.  

q  Поясніть принцип дії двигуна змінного струму. 

q  Назвіть основні частини машини постійного струму, поясніть її конструкцію.

 Розкажіть за схемою: 

q  будову машин постійного струму;

q  про якір машини постійного струму;

q  будову коллектора;

q  про щітковий механізм машини постійного струму.

v Додаток Т 4 К 10.2. 

q  Що таке електричні машини змінного струму.

q  Генератор змінного струму….

q  Діюче значення  сили струму….

q  Основні характеристики  змінного електричного струму… q       У колі змінного струму з чисто індуктивним опором струм ….

q  Які є з’єднання споживачів змінного струму?

q  Що Ви знаєте про з’єднання трикутником та зіркою?

v Додаток Т4 К 10. 3.  Трифазні електричні кола синусоїдального струму.

3 метою заощадження електричної енергії під час її транспортування та ефективності її використання у техніці об'єднують низку кіл з незалежними джерелами живлення в одну систему. Широко використовуються трифазні та шестифазні кола.

Багатофазними системами називають сукупність електричних кіл, в яких діють синусоїдальні ЕРС однакової частоти, такі, що відрізняються за фазою одна від одної і утворені в одному джерелі енергії (генераторі).

Кожне з однофазних кіл, що входять в багатофазну систему, прийняти називати фазою. Отже термін фаза в електротехніці позначає два різних поняття: 1) фазовий кут, що визначає миттєве значення синусоїдальної величини; 2) складову частину трифазного кола. Кола, в залежності від кількості фаз, називають двофазними, трифазними, шестифазними і т.п. До цього ми розглядали однофазні кола.

Найбільше розповсюдження в сучасній електроенергетиці отримали трифазні кола. Це пояснюється низкою переваг як перед іншими багатофазними колами, так і перед однофазними колами змінного струму. Серед переваг можна виділити такі:

•       Економічність виробництва і передачі енергії в порівнянні з однофазними колами.

•       Можливість простого отримання магнітного поля, що обертається, необхідного для роботи трифазних асинхронного та синхронного двигунів – одних з найрозповсюджених двигунів змінного струму.

•       Можливість одночасного отримання в одній установці двох експлуатаційних номіналів напруг – фазної напруги і лінійної напруги.

Трифазну систему вперше розробив та впровадив наприкінці XIX ст. М.О. Доліво-Добровольський. Джерелом енергії у трифазних системах є три обмотки генератора. Обмотки укладаються таким чином, що вони індукують змінні ЕРС, які зсунуті на третину періоду.

Трифазне електричне коло — це сукупність трьох електричних кіл, що мають синусоїдну ЕРС однакової частоти. ЕРС зсунуті за фазою на одну третину періоду. Ці ЕРС генеруються в одному (звичайно машинному) джерелі живлення.

 Устрій генератора трифазного струму

Нагадаємо принциповий устрій генератора однофазного струму. Генератор змінного струму конструктивно складається з двох основних частин: ротора – частини, що обертається, і нерухомого статора. На роторі розташовані полюси N–S постійного магніту, як правило електромагніту, обмотка якого живиться від допоміжного джерела постійного струму невеликої потужності. Статор – сталевий циліндр, в повздовжніх пазах якого розміщені витки обмотки, в якій індукується змінна ЕРС.

На відміну від однофазного генератора в пазах статора трифазного генератора розміщені три однакові

обмотки, зсунуті в просторі відносно одна одної на 120. При обертанні ротора в кожній з обмоток статора індукується синусоїдальна ЕРС. Оскільки обмотки однакові, ЕРС, що в них утворюються будуть однакові за амплітудним значенням і частоті, але зсунуті за фазою відносно одна одної на 1/3 періоду. Виводи обмоток трифазного генератора прийнято позначати так: початки – буквами  А, В, С, а відповідні їм кінці – X, Y, Z. Маркування виводів виконується з таким розрахунком, щоб індуковані в обмотках  А–X, B–Y, C–Z  ЕРС E_A, E_B, E_C  відставали на третину періоду E_B від

E_A, E_C від E_B.

Беручи за початок відліку моменти

часу, коли ЕРС е_А в обмотці А–Х дорівнює нулю можна записати такі вирази:

е_А = Е_mA sin  t; е_B = Е_mB sin ( t – 120); е_C = Е_mC sin ( t – 240).

Графіки цих ЕРС мають вигляд:

геометрична сума трьох векторів, рівних за величиною і зсунутих за фазою на третину періоду (120) дорівнює нулю. Сума миттєвих значень ЕРС трифазного генератора в будь–який момент часу також дорівнює нулю е_А + е_В + е_С = 0.

v Додаток Т4 К 10. 4.  Трифазні електричні кола синусоїдального струму

З’єднання за схемою «зірка» Чотирипровідна система. Якщо об’єднати кінці обмоток генератора в спільну точку О, а кінцеві клеми навантажень в спільну точку О, то для з’єднання генератора і трьох навантажень потрібно буде всього чотири проводи.

Точки О, О' називають відповідно нульовою (нейтральною) точкою генератора і нульовою (нейтральною) точкою навантаження.  

Проводи А–А, В–В, С–С називають лінійними, а провід О–О' – нульовим            або         нейтральним.      Отримана             схема     має               назву чотирипровідна система трифазного струму, або з’єднання зіркою з нульовим проводом.

Напруга між лінійним проводом і нульовим має назву фазна напруга і позначається U_A, U_B,  U_C.

Напруга між лінійними проводами називається лінійною напругою і позначається U_AВ, U_BС,  U_СА.

До навантажень Z_A, Z_B, Z_C прикладені фазні напруги.

В трифазних колах розрізняють лінійні І_л і фазні І_Ф струми.

Лінійними називають струми І_А, І_В, І_С, що протікають по лінійних проводах. 

Струми, що протікають по обмотках генератора, або по опорах навантаження називають відповідно фазними струмами генератора і фазними струмами навантаження.

При з’єднанні зіркою лінійний струм рівний фазному І_л  = І_Ф.

Струм, що протікає по нульовому проводі, позначають І_N.

Заміна незв’язаної шостипровідної системи чотирипровідною не впливає на величину фазних напруг генератора, тому струми І_А, І_В, І_С при тій і другій системі залишаються однаковими (якщо не враховувати опір проводів).

З’єднання за схемою “трикутник”

Якщо мережу трифазного струму між кожною парою лінійних проводів А–В, В–С, С–А включити три опори Z_AB, Z_BC, Z_CA, то під дією лінійних напруг в кожному з цих опорів почне протікати струм. Такий спосіб включення опорів в трифазну мережу має назву включення трикутником. 

При з’єднанні навантажень «трикутником» по їх опорам протікають струми I_AB,  I_ВC,  I_CA. Ці струми називають фазними. Струми I_A,  I_В, I_C, що протікають в лінійних проводах мережі називають лінійними. Показані на малюнку напрямки струмів є додатними загальноприйнятими напрямками.

Напруга, що прикладена до опорів навантажень Z_AB, Z_BC, Z_CA прийнято називати фазними напругами U_ф. В наведеній схемі фазна напруга дорівнює напрузі між лінійними проводами, тобто лінійній напрузі U_л. Тому при з’єднанні «трикутником» U_л = U_ф.

Вибір схеми з’єднання споживачів вирішується в залежності від величини лінійної напруги мережі і номінальної напруги споживачів. В трифазних установках можливі випадки, коли одна частина споживачів з’єднана «зіркою», а інша – «трикутником».

При заданій величині лінійної напруги U_л = U_ф, відомих значеннях опорів навантаження можна розрахувати фазні

мережі в тричі більшою за потужність, що споживається цими ж опорами при з’єднанні “зіркою”. Дійсно, при з’єднанні

“зіркою”

                               Uл                                                           2                             Uл2

I_{ф                                                                                                                             зірка}    ;           ^Р_зірка  3 ^І_{ф зірка}  R ^            ₂  R, а при з’єднанні “трикутником” Z

                                                                                                 3U2                                     Р

                                                                         2                                               л                                            трикут

          Iф трикут       ;      Ртрикут  3Іфтрикут R  2 R, звідки 3.

                               Z                                                 Z                        Р_зірка

Приклад. U_л = 220 в; R_A = 10 Ом; R_В = 5 Ом; R_С = 7,5 Ом. Визначити: 

1) лінійні струми І_А та І_В; фазні напруги U_А та U_В, якщо нульовий провід відсутній, а навантаження R_С відключене.

Розрахунок: При відключенні R_С навантаження R_A і R_В утворюють послідовне однофазне коло. Струм в опорі R_С дорівнює 0. Тоді І_А = І_В = U_АВ / (R_A + R_В) = 220 / (10 + 5) = 14,7 A.  

U_А = І_А R_A = 14,710 = 147 [в]; U_В = І_В R_В = 14,75  73 В.

Отриманий результат показує, що фазні напруги U_А на опорі R_A підвищилась в порівнянні з номінальним режимом

(коли U_Ф = U_л / 3 = 220 / 3 = 127 В) . Якщо б в фазу            А             були       включені              електричні           лампи, розраховані на номінальну напругу 127 в, то при відсутності нульового проводу вони б знаходились під дією підвищеної напруги (147 в) і швидко б вийшли з ладу. Неприпустимо встановлення запобіжника в нульовому проводі.