Теоретические основы электротехники . . . Федеральное агентство по образованию (стр. 11 )

Генераторы, питающие потребители, рассчитывают на определенную номинальную мощность Sн = Uн ∙ Uн; при заданном напряжении Uн они могут быть нагружены током, не превышающим номинальное значение. Поэтому увеличение тока потребителя вследствие снижения его не должно превышать определенных пределов. Чтобы ток генератора не был выше номинального при снижении потребителя, необходимо снижать его активную мощность. В этом случае генератор будет полностью нагружен по току и недогружен по активной мощности.

Для сохранения неизменной активной мощности потребителя при снижении можно было установить генератор на большую номинальную мощность с тем, чтобы увеличение тока вследствие снижения не превышало его номинального значения. В этом случае активная мощность , которой будет нагружен генератор, составляет только часть номинальной мощности Sн. Например, при снижении от 1 до 0,5 нагрузка генератора составляет только 50% от его номинальной мощности. Таким образом, характеризует, как используется номинальная мощность источника, и поэтому его называют коэффициентом мощности.

Но работа источника питания в целом характеризуется КПД его установки, состоящим из КПД генератора и первичного двигателя. Работа первичного двигателя определяется в основном активной мощностью генератора. Поэтому недогрузка генератора активной мощностью влечет за собой недогрузку и снижение КПД первичного двигателя и всей энергетической установки. Себестоимость электроэнергии от этого повышается. Работа потребителя с малым коэффициентом мощности, кроме ухудшения условий экономического использования источника питания, приводит к увеличению мощности потерь в линии передачи электрической энергии от источника к потребителю. Если сопротивление проводов этой линии r, то мощность потерь в ней . Мощность потерь, как видно из этого выражения, тем больше, чем ниже установки. Следовательно, чем ниже потребителя, тем дороже будет обходиться передача к нему электроэнергии.

Чтобы повысить экономичность энергетических установок, принимают меры к повышению коэффициента мощности потребителей. Идея повышения заключается в следующем. Общий ток индуктивного потребителя рассматривают состоящим из активной и реактивной составляющих. Активная мощность потребителя при данном напряжении определяется активной составляющей тока P = U∙Ia, поэтому при заданном значении активной мощности активная составляющая тока должна оставаться неизменной. Снизить ток потребителя в этом случае можно только за счет уменьшения реактивного тока индуктивного потребителя. Последнее можно осуществить только путем параллельного подключения к нагрузке какого-либо приемника с емкостным током. Таким приемником может быть или синхронный компенсатор, или батарея специальных (косинусных) конденсаторов.

2.4. Трехфазные электрические цепи

2.4.1. Основные понятия. Элементы трехфазных цепей.

Трехфазные цепи представляют собой частный случай многофазных систем переменного тока. Многофазными системами называется совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, отличающиеся по фазе одна от другой и индуктированные в одном источнике энергии. Каждую из однофазных цепей, входящую в многофазную систему, принято называть фазой (в электротехнике термин «фаза» имеет два значения: понятие, характеризующую стадию периодического процесса, и наименование однофазных цепей, образующих многофазную систему). Цепи в зависимости от числа фаз называются двухфазными, трехфазными, шестифазными и т. п.

Наибольшее распространение в современной электроэнергетике получили трехфазные цепи. Это объясняется рядом их преимуществ, как перед другими многофазными цепями, так и перед однофазными цепями переменного тока. Среди этих преимуществ можно отметить:

экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;

возможность сравнительно простого получения вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя – одного из самых распространенных двигателей переменного тока; возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений фазного и линейного.

Трехфазная цепь состоит из трех основных частей или элементов: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с трехфазной системой ЭДС, линии передачи со всем необходимым оборудованием, приемников (потребителей), которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину двух типов: турбогенератор или гидрогенератор (схематическое изображение модели трехфазного генератора дано на рис. 2.11). На статоре генератора размещается обмотка, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол  радиан. Начала обмоток обозначаются буквами A, B, C, а концы – X, Y, Z.

ЭДС в неподвижных витках обмотки статора индуктируются в результате пересечения этих витков магнитным полем, возбуждаемым током обмотки вращающегося ротора (на рис. 2.11 ротор с обмоткой условно изображен в виде постоянного магнита с полюсами N и S). Расположенная на роторе обмотка возбуждения питается от источника постоянного напряжения (возбудителя). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуктируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, но отличающиеся друг от друга по фазе вследствие их пространственного смещения.

На схемах обмотку (или фазу) источника питания изображают, как показано на рис. 2.12. За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу. Обычно индуктированные в катушках ЭДС имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол . Такая система ЭДС называется симметричной.

2.4.2. Способы изображения симметричной трехфазной системы ЭДС

Симметричная трехфазная система ЭДС может изображаться графиками, тригонометрическими функциями, векторами и функциями комплексного переменного.

Графики изменения ЭДС симметричной системы показаны на рис. 2.13. Важно обратить внимание на то, что для симметричной трехфазной системы ЭДС справедливо равенство: eA + eB + eC = 0. Если ЭДС какой-либо отдельной фазы трехфазной обмотки, например фазы A, принять за исходную и считать ее начальную фазу равной нулю, то выражения для мгновенных значений ЭДС можно записать в следующем виде:

,

,

.

Соответственно для комплексных значений ЭДС получим уравнения:

, , .

Векторная диаграмма симметричной трехфазной системы ЭДС показана на рис. 2.14. (Следует обратить внимание на то, что при рассмотрении трехфазных цепей комплексную плоскость обычно поворачивают на угол против часовой стрелки.) Из векторных диаграмм рис. 2.14 следует, что для симметричной трехфазной системы геометрическая сумма векторов ЭДС всех фаз равна нулю: . Систему ЭДС, в которой ЭДС фазы В отстает по фазе от ЭДС фазы А, а ЭДС фазы С по фазе – от ЭДС, фазы В, называют системой прямой последовательности. Если изменить направление вращения ротора генератора, то последовательность фаз изменится и будет она называться обратной.

Последовательность фаз определяет направление вращения трехфазных двигателей, ее нужно учитывать также при включении трехфазных генераторов на параллельную работу. Для определения последовательности фаз имеются специальные приборы – фазоуказатели.

Поскольку на практике применяется прямая последовательность фаз, в данной главе будут рассматриваться трехфазные цепи только с прямой последовательностью фаз.

2.4.3 Способы соединения трехфазного источника питания

Если фазы обмотки электрически не соединены между собой, то они образуют несвязанную трехфазную систему цепей. В этом случае каждая из фаз должна соединяться со своим приемником двумя проводами (рис. 2.15). Несвязанные цепи не получили применения вследствие их неэкономичности, вызванной большим числом проводов, соединяющих источник питания и приемники.

Так, например, в трехфазной несвязанной системе таких проводов будет шесть. Более совершенными и экономичными являются связанные цепи, в которых фазы обмотки электрически соединены между собой. В дальнейшем будут рассматриваться связанные трехфазные цепи с соединением фаз обмоток звездой или треугольником, разработанные и внедренные в практику -Добровольским в начале 90-х годов прошлого века.