Схемы соединения и подключения Методические указания по выполнению практических работ

Министерство Образования и Науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Кузбасский Государственный Технический Университет

имени

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ И ПОДКЛЮЧЕНИЯ

Методические указания по выполнению практических работ

по дисциплине «»

для студентов специальности 140211 «Электроснабжение»

всех форм обучения

Кемерово 2014

Цель занятия

Целью занятия является изучение теоретических положений на тему «схемы соединения и подключения». В результате студенты должны уметь решать типовые задачи, соответствующие теме методических указаний.

Основные теоретические положения

Основные виды соединений в электроустановках трехфазного тока - звезда и треугольник. Соединение в зигзаг применяют реже. Так как каждое соединение имеет только ему характерные свойства, то каждый вид соединения имеет немалое значение. Так, к примеру, если лампы, включенные в звезду, хорошо светят, их не разрешается переключать в треугольник, иначе они ярко вспыхнут и перегорят. Следовательно, в этом случае соединение в звезду полезно, а в треугольник — вредно. В иных случаях наоборот: полезны свойства треугольника. К примеру, обмотки электродвигателя, хорошо работающего при соединении в треугольник, нежелательно переключать в звезду, так как при этом мощность на его валу снизится в 3 раза. При соединении вторичной обмотки трансформатора в треугольник получается одно напряжение, например, 220 или 380 В и т. д. При соединении в звезду с выведенной нейтральной точкой два напряжения, например, 220 и 380 В и т. д. При соединении в зигзаг с выведенной нейтральной точкой можно получить три напряжения. Согласно ГОСТ 12022-66 силовые трансформаторы мощностью от 25 до 250 кВА могут выпускаться с обмоткой низшего напряжения, соединенной в зигзаг, но всё же получение трех напряжений (для чего требуется 7 выводов) не предусматривается.

Обмотки одного и того же аппарата можно соединить в звезду, треугольник, зигзаг не одним, а несколькими способами. Следовательно, не все звезды и не все треугольники одинаковы, что в ряде случаев имеет значение. Так, к примеру, если параллельно подключить два одинаковых, трансформатора с одинаковыми звездами (одинаковыми группами соединений), они верно разделят между собой нагрузку. Если же звезды у трансформаторов различные, произойдет тяжелое КЗ.

Можно верно знать, какое соединение требуется в данном случае, однако этого недостаточно. Необходимо умение его исполнить. На самом деле, на практике выполнить это гораздо сложнее, чем в теории. Дело в том, что обмотки, находящиеся внутри аппарата, не видны. Доступны только их выводы, и далеко не всегда известно, к какой из трех обмоток относится тот или иной вывод и чем он является - концом обмотки или ее началом. Следовательно, при выполнении соединений легко ошибиться, т. е. вместо одной звезды (треугольника) получить другую (другой) или, еще хуже, другое соединение - не звезду, и не треугольник, и не зигзаг, далеко не всегда допустимое.

В конце концов, верно соединенный аппарат легко неверно присоединить к сети. Эта оплошность может, к примеру, поменять направление вращения электродвигателя и даже группы электродвигателей.

Приведенных примеров достаточно для того, чтобы убедиться, насколько важно любому электромонтеру и электротехнику не только хорошо знать и понимать свойства звезды и треугольника, но и уметь правильно пользоваться своими знаниями на практике.

Звезда

Подключение электродвигателя по схеме звезда

Один из основных способов подключения к сети трёхфазных электродвигателей – это подключение звездой.

При соединении трёхфазного электродвигателя звездой, концы его статорных обмоток соединяются вместе, соединение происходят в одной точке, а на начала обмоток подаётся трехфазное напряжение (рис 1).

Рис.1 Соединение в звезду трехфазного генератора.

Расположим на чертеже изображения трех обмоток ах, by и сz трехфазного генератора под углами 120° так, как это сделано на рис. 2а). Присоединим к каждой обмотке нагрузку. В данном случае это сопротивления zа, zь и zс. На практике нагрузкой могут быть лампы, печи, электродвигатели и другие электроприемники. Для соединения обмоток генератора с нагрузками потребовалось шесть проводов. В каждый момент времени три из них яв­ляются прямыми — ток по ним идет от генератора к нагрузке. Другие три провода — обратные.

Векторы Еа, Еь и Ес  расположены параллельно обмоткам и изображают их эдс. Напряжения Ua, Uь и Uc меньше соот­ветствующих э д с на величину падения напряжения в обмот­ках. Направления токов Ia, Iь и Ic изображены стрелками.

Объединение трех обратных проводов в один дает четырехпроводную схему (рис. 2,б). В ней провода, присоединенные к выводам генератора а, b и с, называются линей­ными (или просто фазами). Общий провод называют либо нейтральным на том основании, что он в равной степени принадлежит любой фазе, либо нулевым, так как в ряде случаев ток в нем I0 равен нулю.

Естественно, возникает вопрос; может ли равняться нулю ток в проводе, по которому в генератор должны возвращаться токи трех фаз? Ответ дает (рис. 2 в), где векторами изображены токи Ia, Iь и Ic (сумма которых образует ток I0) и произведено их сложение. Сначала сложены токи двух фаз, затем их сумма сложена с током третьей фазы. В итоге получен нуль, так как геометрическая сумма токов двух фаз, что отчетливо видно на рис. 2 в), по величине равна току третьей фазы b и направлена прямо противоположно.

Рис. 2. Соединение в звезду трехфазного генератора.

Физический смысл полученного результата состоит в том, что благодаря сдвигу фаз между токами в каждый момент времени токи в одних линейных проводах идут от генератора, в других — к генератору. Иными словами, одни из них являются прямыми, другие — обратными. Роль линейных-проводов в качестве прямых и обратных, понятно, непрерывно меняется, но так или иначе при равномерной (одинаковой) нагрузке фаз на долю нулевого провода тока не остается.

При равномерной нагрузке фаз нулевого провода - не делают, получая, таким образом, трехпроводную схему (рис. 2г).

При неравномерной нагрузке в четырехпроводной схеме по нулевому проводу идет только небаланс токов. Поэтому сечение нулевого провода не больше сечения линейных проводов, а, как правило, вдвое меньше.

Независимо от того, выполнена схема с шестью, четырьмя или тремя проводами (что для практики, конечно, не безразлично, во-первых, потому что трехпроводные схемы дешевле и, во-вторых, потому что каждая схема обладает определенными свойствами и предназначена для определенных условий), си­стема не перестает быть трехфазной.

Электродвижущие  силы Eа, Eь и Ec напряжения Ua, Uь и Uc и токи Ia, Iь и Ic каждой фазной обмотки называют фазными. Напряжения Uab, Uьc и Uca, действующие между линейными проводами, а также токи в линейных проводах Ia, Iь и Ic называют линейными.

Треугольник

Следующий способ подключения к сети трёхфазных электродвигателей – это подключение треугольником.

При соединении трёхфазного электродвигателя по схеме подключения "треугольником" обмотки статора электродвигателя соединяются последовательно таким образом, что конец одной обмотки соединяется началом следующей и так далее (рис 3).

Рис.3 Соединение в треугольник трехфазкого генератора.

Соединим конец х обмотки ах с началом b обмотки by, конец у обмотки by с началом с обмотки cz, конец г обмотки сz с началом а обмотки ах так, как показано на рис. 4. Такое соединение по виду напоминает треугольник, откуда и происходит его название. Линейные провода присоединены в вершинах треугольника.

Рис.4. Соединение в треyгольник генератора.

Зигзаг

Соединение в зигзаг применяют, чтобы неравномерную нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети и даже при неравномерной нагрузке сохранить магнитное равновесие.

Соединение в зигзаг — звезду трехфазного трансформатора. Первичные обмотки трансформаторов соединены в звезду, вторичные в зигзаг — звезду (рис. 5, а). Для этого вторичная обмотка каждой фазы составляется из двух половин: одна половина расположена на одном стержне, другая — на другом. Конец, например х1 , соединен с концом (а не с началом!) у2 и т. д. Начала а2, b2 и с2 соединены и образуют нейтраль. К началам а1, b1 и с1 присоединяют линейные провода вторичной сети. При таком соединении эдс обмоток, расположенных на разных стержнях, сдвинуты на 120°; векторная диаграмма эдс вторичной обмотки приведена на рис. 5, б).

Эта векторная диаграмма построена следующим способом. Предположим, что соединены концы x1, y1, с1 и получена диаграмма (рис. 5, в). Затем предположено, что соединены начала а2, b2, с2. Это соответствует диаграмме на рис. 5, г), повернутой относительно диаграммы на рис. 5, в) на 180°. Наконец, в соответствии со схемой на рис. 5, а) произведено геомет­рическое сложение векторов, которые изображены на рис. 5, в) и г).

Рис. 5. Соединение в зигзаг — звезду трехфазного трансформатора.

Буквами а1, b1, с1, а2, b2 и с2 обозначены начала вторичных обмоток, буквами x1, y1, z1, x2, y2 и z2 их концы. Электродвижущие силы вторичных обмоток: е'1, e'2, e'3,е''1,e''2, e''3, линейные напряжения  Е1, Е2 , Е3.

Соединение в зигзаг — звезду дороже соединения в звезду, так как требует большего числа витков. Действительно, при последовательном соединении двух половин обмотки, расположенной на одном стержне, их эдс складываются алгебраически, т. е, в данном случае удваиваются. При соединении обмоток, расположенных на разных стержнях, эдс. складываются

геометрически под углом 120° и дают эдс, в раз больше одной из них. Следовательно, чтобы получить эдс той же величины при соединении в зигзаг — звезду, «нужно на 15% больше витков, чем при соединении в звезду, так как 2: 1,73=1.15.

При соединении в зигзаг — звезду можно получить три напряжения, например 690, 400 и 230 В. Указанные величины относятся к холостому ходу. Под нагрузкой у потребителей напряжения будут ниже, приближаясь к номинальным напряжениям сети 660,380 и 220 В.

Выполняемое задание

Расчет цепей при соединении источников и потребителей звездой

Задача № 1.

Освещение дома питается от четырехпроводной трехфазной сети с линейным напряжением UЛ = 380 В. Первый этаж питается от фазы "А" и потребляет мощность 1530 Вт, второй – от фазы "В" и потребляет мощность 1860 Вт, третий – от фазы "С", его мощность 2080 Вт. Составить электрическую схему цепи, рассчитать токи, потребляемые каждой фазой, и ток в нейтральном проводе, вычислить активную мощность всей нагрузки. Построить векторную диаграмму.

Методика расчета

1. Строится схема цепи. Лампы освещения соединяются по схеме звезда с нейтральным проводом.

2. Расчет фазных напряжений и токов. При соединении звездой UЛ = UФ. Осветительная нагрузка имеет коэффициент мощности cos ц = 1, поэтому PФ = UФ · IФ

3. Построение векторной диаграммы и определение тока в нейтральном проводе.

Векторная диаграмма начинается с построения равностороннего треугольника линейных напряжений ЪAB, ЪBC, ЪCA, и симметричной звезды фазных напряжений Ъa, Ъb, Ъc. .

Токи фаз НA, НB, НC связаны каждый со своим напряжением; в нашем случае по условию ц = 0, и токи совпадают по фазе с напряжениями. Ток в нейтральном проводе НN = НA + НB + НC.

4. Вычисление активной мощности в цепи.

Активная мощность цепи равна сумме мощностей ее фаз:

P = PA + PB + PC

Расчет цепей при соединении треугольником

Задача № 2

В трехфазную сеть с UЛ = 380 В включен соединенный треугольником трехфазный асинхронный двигатель мощностью Pн = 4 кВт, КПД двигателя равен зН = 89%, коэффициент мощности cos цН = 0,8. Определить фазные и линейные токи двигателя, параметры его схемы замещения RФ, XФ. Включить ваттметры для измерения активной мощности и найти их показания.

3.2 методика решения

1. Расчет активной мощности и токов, потребляемых двигателем из сети.

В паспорте двигателя указывается механическая мощность на валу; потребляемая активная мощности двигателя

P = PН / з

2. Для симметричной нагрузки, какой является двигатель,

P = 3 UФ IФ cos ц и IФ = P / (3 UФ cos ц).

IЛ = IФ

3. Расчет параметров схемы замещения двигателя.

ZФ = UФ / IФ

RФ = ZФ cos ц

XФ = ZФ sin цФ

cos цФ = cos цН = 0,8.

4. Схема включения ваттметров

В трехпроводных сетях часто для измерения активной мощности применяется схема двух ваттметров, один из вариантов которой показан на рис. 6. Показания ваттметра определяются произведением напряжения, приложенного к его катушке напряжения, на ток в токовой катушке и косинус угла между ними:

Рис. 6.

P1 = UAB IA cos (ЪAB ^ НA) = UAB IA cos (цФ + 30°)
P2 = UCB IC cos (ЪCB ^ НC) = UCB IC cos (цФ - 30°)

Активная мощность трехфазной цепи равна алгебраической сумме показаний приборов: P = P1 + P2

Контрольные вопросы
Назовите характерные свойства всех соединений. Изобразите схему соединения трех фазного электродвигателя в «звезду» и «треугольник». Для чего нужен нулевой провод? Почему соединение «зигзаг» применяют реже? Как изменится режим работы цепи, если в одну из фаз вместо освещения включить двигатель? (к задаче №1) Можно ли данный двигатель использовать в сети с UЛ = 380 В при соединении его обмоток звездой? (к задаче №2)