Соединения в звезду и треугольник, фазные и линейные напряжения и токи

В трехфазных цепях применяют два вида соединений генераторных обмоток – в звезду и треугольник (рис. 1).

Рис. 1 Соединения генераторных обмоток – в звезду и треугольник

Соединение резисторов треугольником: а — расположение резисторов вдоль сторон, б — параллельное расположение резисторов

Рис. 2 Соединения нагрузки в звезду и треугольник

Существует пять видов соединения генераторов с нагрузкой : звезда – звезда с нулевым проводом, звезда – звезда без нейтрального провода, треугольник – треугольник, звезда – треугольник и треугольник – звезда (рис. 3).

Рис. 3 Фазные и линейные напряжения и токи при соединениях в звезду треугольник

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Свойства звезды и треугольника

Типичные случаи соединений в звезду и треугольник генераторов, трансформаторов и электроприемников рассмотрены в статьях «Схема соединения «Звезда» и «Схема соединения «Треугольник». Остановимся теперь на важнейшем вопросе о мощности при соединениях в звезду и треугольник, так как для работы каждого механизма, приводимого в действие электродвигателем или получающего питание от генератора или трансформатора, в конечном итоге важна именно мощность.

При определении мощности генераторов в формулы входят э. д. с, при определении мощности электроприемииков – напряжения на их зажимах. При определении мощности электродвигателей учитывают также коэффициент полезного действия, так как на табличке электродвигателя указывается мощность на его валу.

Мощность при соединении в звезду

При соединении в звезду линейные токи I и фазные токи I_ф равны, а между фазными
и линейными напряжениями существует соотношение U = √3 × U_ф, откуда U_ф = U / √3.

Сопоставляя эти формулы, видим, что выраженные через линейные величины при соединении в звезду мощности равны:
полная S = 3 × S_ф = 3 × (U / √3) × I = √3 × U × I;
активная P = √3 × U × I × cos φ;
реактивная Q = √3 × U × I × sin φ.

Мощность при соединении в треугольник

При соединении в треугольник линейные U и фазные U_ф напряжения равны, а между фазными и линейными токами существует соотношение I = √3 × I_ф, откуда I_ф = I / √3.

Поэтому выраженные через линейные величины при соединении в треугольник мощности равны:
полная S = 3 × S_ф = 3 × U × (I / √3) = √3 × U × I;
активная P = √3 × U × I × cos φ;
реактивная Q = √3 × U × I × sin φ.

Важное замечание. Одинаковый вид формул мощности для соединений в звезду и треугольник иногда служит причиной недоразумений, так как наталкивает недостаточно опытных людей на неправильный вывод, будто вид соединений всегда безразличен. Покажем на одном примере, насколько ошибочен такой взгляд.

Электродвигатель был соединен в треугольник и работал от сети 380 В при токе 10 А с полной мощностью

S = 1,73 × 380 × 10 = 6574 В×А.

Затем электродвигатель пересоединили в звезду. При этом на каждую фазную обмотку пришлось в 1,73 раза более низкое напряжение, хотя напряжение в сети осталось тем же. Более низкое напряжение привело к тому, что ток в обмотках уменьшился в 1,73 раза. Но и этого мало. При соединении в треугольник линейный ток был в 1,73 раза больше фазного, а теперь фазный и линейный токи равны.

Таким образом, линейный ток при пересоединении в звезду уменьшился в 1,73 × 1,73 = 3 раза.

Иными словами, хотя новую мощность нужно вычислять по той же формуле, но подставлять в нее следует иные величины, а именно:

S₁ = 1,73 × 380 × (10 / 3) = 2191 В×А.

Из этого примера следует, что при пересоединении электродвигателя с треугольника в звезду и питании его от той же электросети мощность, развиваемая электродвигателем, снижается в 3 раза.

Что происходит при переключении со звезды в треугольник и обратно в наиболее распространенных случаях?

Оговариваем, что речь идет не о внутренних пересоединениях (которые выполняют в заводских условиях или в специализированных мастерских), а о пересоединениях на щитках аппаратов, если на них выведены начала и концы обмоток.
1. При переключении со звезды в треугольник обмоток генераторов или вторичных обмоток трансформаторов напряжение в сети понижается в 1,73 раза, например с 380 до 220 В. Мощность генератора и трансформатора остается такой же. Почему? Потому что напряжение каждой фазной обмотки остается таким же и ток в каждой фазной обмотке такой же, хотя ток в линейных проводах возрастает в 1,73 раза.

При переключении обмоток генераторов или вторичных обмоток трансформаторов с треугольника в звезду происходят обратные явления, то есть линейное напряжение в сети повышается в 1,73 раза, например с 220 до 380 В, токи в фазных обмотках остаются теми же, токи в линейных проводах уменьшаются в 1,73 раза.

Значит, и генераторы и вторичные обмотки трансформаторов, если у них выведены все шесть концов, пригодны для сетей на два напряжения, отличающихся в 1,73 раза.

2. При переключении ламп со звезды в треугольник (при условии их присоединения к той же сети, в которой лампы, включенные звездой, горят нормальным накалом) лампы перегорят.

При переключении ламп с треугольника в звезду (при условии, что лампы при соединении в треугольник горят нормальным накалом) лампы будут давать тусклый свет. Значит, лампы, например, на 127 В в сеть напряжением 127 В должны включаться треугольником. Если же их приходится питать от сети 220 В, необходимо соединение в звезду с нулевым проводом (подробнее смотрите статью «Схема соединения «Звезда»). Соединять в звезду без нулевого провода можно только лампы одинаковой мощности, равномерно распределенные между фазами, как, например, в театральных люстрах.

3. Все сказанное о лампах относится и к сопротивлениям, электрическим печам и тому подобным электроприемникам.

4. Конденсаторы, из которых собирают батареи для повышения cos φ, имеют номинальное напряжение, которое указывает напряжение сети, к которой конденсатор должен присоединяться. Если напряжение сети, например, 380 В, а номинальное напряжение конденсаторов 220 В, их следует соединять в звезду. Если напряжение сети и номинальное напряжение конденсаторов одинаковы, конденсаторы соединяют в треугольник.

5. Как объяснено выше, при переключении электродвигателя с треугольника в звезду мощность его снижается примерно втрое. И наоборот, если электродвигатель переключить со звезды в треугольник, мощность резко возрастает, но при этом электродвигатель, если он не предназначен для работы при данном напряжении и соединении в треугольник, сгорит.

Пуск короткозамкнутого электродвигателя с переключением со звезды в треугольник

Предупреждения:
1. Переключение со звезды в треугольник допустимо лишь для двигателей с легким режимом пуска, так как при соединении в звезду пусковой момент примерно вдвое меньше момента, который был бы при прямом пуске. Значит, этот способ снижения пускового тока не всегда пригоден, и если нужно снизить пусковой ток и одновременно добиться большого пускового момента, то берут электродвигатель с фазным ротором, а в цепь ротора вводят пусковой реостат.
2. Переключать со звезды в треугольник можно только те электродвигатели, которые предназначены для работы при соединении в треугольник, то есть имеющие, обмотки, рассчитанные на линейное напряжение сети.

Переключение с треугольника в звезду

Известно, что недогруженные электродвигатели работают с очень низким коэффициентом мощности cos φ. Поэтому рекомендуется недогруженные электродвигатели заменять менее мощными. Если, однако, выполнить замену нельзя, а запас мощности велик, то не исключено повышение cos φ переключением с треугольника в звезду. Нужно при этом измерить ток в цепи статора и убедиться в том, что он при соединении в звезду не превышает при нагрузке номинального тока; в противном случае электродвигатель перегреется.

Источник

Соотношение между фазными и линейными напряжениями. Номинальные напряжения

Напряжение фаз нагрузки отличны от значения ЭДС генератора из-за падения напряжения на линии от генератора к потребителю. Длина этих линий может составлять несколько метров, а может и пару сотен метров, также возможна длина и в тысячи километров. Вопросы о падении напряжений на линиях электрических передач ЛЭП, снабжающих потребителей энергией электрической от электрических станций будут рассматриваться чуть позже, в последующих статьях. Для упрощения расчетов указанным значением падений напряжений можно пренебречь.

Соединение звездой

При принятых допущениях для соединенных источников звездой:

применив второй закон Кирхгофа получим:

Из выражения (1) можно сделать вывод, что при симметричной системе ЭДС генератора его фазные напряжения также симметричны, и, соответственно, их векторная диаграмма:

не будет отличатся от векторной диаграммы ЭДС:

Исходя из уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для контуров (схема соединения в звезда указана выше):

Исходя из этих уравнений можно составить следующие уравнения, которые связывают линейные и фазные напряжения:

Использовав выражение (2) при наличии векторов фазных напряжений можно построить векторы линейных напряжений U_ab, U_bc, U_ca.

Исследовав векторную диаграмму при соединении звездой можно сделать вывод, что линейные напряжения будут равны и, как и фазные, сдвинуты друг относительно друга на угол 120 0 или 2π/3. Векторы линейных напряжений чаще всего показывают как соединенные фазные направления:

Соответственно такие же соотношение и между остальными фазными и линейными значениями:

Соединение треугольником

Выражения (1) будут правильны и при соединении в треугольник источника. Из формул (2) следует равенство фазных и линейных напряжений при соединении треугольником, и это можно представить в таком виде:

Или можно записать как Uл = Uф.

Векторная диаграмма при соединении треугольником для линейных и фазных напряжений:

Номинальные напряжения

Из выше перечисленного можно сделать такие выводы как – трехфазная сеть имеет два напряжения, а именно фазные и линейные. При соединении звездой линейные напряжения больше фазных, а при соединении треугольником равны. Этот фактор необходимо учитывать при подключении нагрузки, чтоб не произошло аварийных ситуаций и выхода оборудования из строя.

Линейные напряжения тоже сдвинуты друг относительно друга на угол 120 0 или 2π/3.

Номинальные напряжения – напряжения, на которые рассчитываются потребители электроэнергии, и которые соответствуют их нормальной работе.

Наиболее распространенными напряжениями в сетях до 1000 В являются 380В, 220В, 127В. 380 В и 220 В наиболее распространены в промышленности, а 220 В и 127 В в бытовых электросетях. Также при четырехпроводной электросети (соединения звезда с нулевым проводом) существует возможность получения фазного напряжения, которые при линейном 380 В будут равны , а при линейном 220 В будут равны . Такое соединение дает плюс в виде возможности при наличии четырехпроводной сети производить подключение как трехфазных потребителей 380 В, так и однофазных с номиналом в 220 В.

Источник

4. 2 Соотношение между фазными и линейными величинами

При соединении фаз по схеме «звезда» линейное напряжение по модулю в раз больше фазного напряжения, что следует из рисунка 4.7.

Рисунок 4.7 – Соотношение между фазными и линейными токами

при соединении обмоток по схеме «звезда»

В соответствии с этим, в четырехпроводной трехфазной цепи имеются два уровня напряжения, различающиеся в раз (380/220 и 220/127), что позволяет использовать приемники с различным номинальным напряжением.

Так как обмотка генератора, линейный провод и приемник, принадлежащие одной фазе, соединяются последовательно, то при соединении генератора «звездой» линейный ток равен фазному току I_Л=I_ф. Комплексные величины линейных и фазных токов обозначаются İ_A, İ_B, İ_C.

Ток в нейтральном проводе определяется по первому закону Кирхгофа:

Таким образом, ток в нейтральном проводе равен геометрической сумме фазных токов. При возникновении несимметрии токов в фазах нагрузки по нейтральному проводу протекает ток i₀, амплитуда которого меньше амплитуды токов в линейных проводах. В соответствии с этим сечение нулевого провода принимают на ступень меньше сечения линейных проводов.

В симметричной трехфазной системе при соединении фаз по схеме «звезда» действующие фазные и линейные токи равны друг другу, а линейное напряжение в раз больше фазного. Обмотки трехфазных генераторов на электростанциях всегда соединяют «звездой», что позволяет выполнять изоляцию обмоток на фазное напряжение.

При соединении фаз по схеме «треугольник» напряжение между началом и концом фазы – это напряжение между линейными проводами.

В симметричной трехфазной системе при соединении фаз нагрузки «треугольником» фазные и линейные напряжения равны друг другу, а линейный ток в раз больше фазного.

Рисунок 4.8– Соотношение между фазными и линейными токами при

соединении по схеме «треугольник»

Преимуществом соединения фаз приемника «треугольником» является взаимная независимость фазных токов.

Таблица 4.1 – Соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями при различном соединении фаз для симметричной трехфазной цепи

4.3 Приемники, включаемые в трехфазную цепь

Приемники, включаемые в трехфазную цепь, могут быть однофазными и трехфазными. К однофазным приемникам относятся осветительные и различные бытовые приборы, однофазные двигатели и т.д. К трехфазным – трехфазные асинхронные двигатели и индукционные печи.

Фазы обмоток трехфазных приемников, а также однофазные приемники могут быть соединены как «звездой», так и «треугольником». При этом способ соединения обмоток генератора не влияет на способ соединения фаз потребителя. Несимметричные приемникии включаются или по схеме «звезда» в четырехпроводную сеть или по схеме «треугольник» в трехпроводную.

Соединение нагрузки по схеме «звезда»

Рисунок 4.9 – Соединение фаз нагрузки «звездой»

Приемники электрической энергии называют симметричными, если равны между собой комплексные сопротивления

При этом фазные токи равны по значению İ_A=İ_B=İ_C=I_Ф и углы сдвига фаз между током и напряжением одинаковы:

Фазные токи при симметричной нагрузке образуют симметричную систему (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Симметричная нагрузка (а) и векторная диаграмма фазных токов и напряжений (б)

В данном случае напряжение опережает ток на углы φ_A=φ_B=φ_C. При построении векторной диаграммы, где из вектора тока I_А вычитаем вектора токов фаз В и С и получаем, что ток в нейтральном проводе равен нулю Таким образом, при симметричной нагрузке создается такой режим работы трехфазной цепи, при котором тока в нейтральном проводе нет. В этом случае переходят к трехпроводной трехфазной цепи (без нулевого провода).

Если условия симметрии не выполняются, то приемники называются несимметричными. При этом нагрузка может быть равномерной, если реактивные сопротивления равны между собой Z_A=Z_B=Z_C или однородной, если φ_A=φ_B=φ_C. Векторная диаграмма фазных напряжений и токов при несимметричной нагрузке представлена на рисунке 4.11

Рисунок 4.11– Несимметричная нагрузка (а) и векторная диаграмма фазных токов и напряжений (б)

В четырехпроводную сеть включают однофазные несимметричные приемники, режимы работы которых не зависят друг от друга, а нулевой провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника, то за счет него напряжения на каждой из фаз будут равны Ů_A=U_а=U_ф соответствующим фазным напряжениям генератора по амплитуде и по фазе. А фазные токи в каждой из фаз будут разными.

Рисунок 4.12– Схема четырехпроводной цепи при соединении фаз генератора

и нагрузки по схеме «звезда»

В нейтральном проводе четырехпроводной осветительной цепи запрещена установка предохранителей или выключателей, т. к. при отключении нейтрального провода фазные напряжения становятся неравными, что может привести к выходу из строя бытовых электротехнических приборов. Если при соединении «звездой» перегорит один из магистральных предохранителей, то отключатся только потребители данной фазы.

Соединение нагрузки по схеме «треугольник». При соединении нагрузки в треугольник положительные направления для токов выбирают по часовой стрелке. Индексы у токов соответствуют выбранным положительным направлениям: первый индекс – точка, от которой ток утекает, второй – точка, к которой ток притекает. При таком соединении линейные токи не равны фазным токам нагрузки и определяются через них по первому закону Кирхгофа:

Таким образом, линейные токи İ_A, İ_B, İ_C при соединении треугольником равны векторной разности фазных токов тех фаз, которые соединены с данным линейным проводом. Фазные токи İ_AB, İ_BC, İ_CA при симметричной нагрузке равны по значению и сдвинуты по отношению к векторам напряжений на одинаковый угол φ.

Система линейных (фазных) напряжений Ů_AB, Ů_BC и Ů_CA при соединении треугольником образует замкнутый треугольник (рисунок 4.13). Так как линейные токи определяются через фазные так же, как и линейные напряжения через фазные при соединении звездой, то можно сразу построить векторы линейных токов, соединив концы векторов фазных токов. Векторы линейных токов образуют замкнутый треугольник. Линейные токи при симметричной нагрузке, соединенной треугольником, в раза больше фазных токов. В общем случае, когда нагрузка несимметрична, системы фазных и линейных токов также несимметричны (рисунок 4.13 в).

Рисунок 4.13 – Векторная диаграмма напряжений и фазных токов при соединении фаз треугольником (а) и диаграмма фазных и линейных токов при:

б) симметричной нагрузке; в) несимметричной нагрузке

Преимуществом соединения приемника по схеме «треугольник» является взаимная независимость фазных токов, которые определяются как

,

а нагрузки не равны . Токи в линейных проводах определяются через разность фазных токов (4.4) и их сумма будет равна нулю.

Если при таком соединении перегорит предохранитель в линейном проводе, то приемники в прилагающих к нему фазах окажутся включенными последовательно и напряжение на них будет равно половине линейного напряжения, напряжение на третьей фазе будет нормальным.

На рисунке 4.14 показаны схемы включения однофазных и трехфазных приемников.

Рисунок 4.14 – Схемы включения однофазных и трехфазных потребителей

Симметричными приемниками на рисунке 4.14 являются асинхронный двигатель, обмотки которого соединены «звездой» и батарея конденсаторов, соединенная треугольником. Симметричные трехфазные приемники можно включать в трехпроводную цепь, как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Поэтому на щитках трехфазных электродвигателей указывается два напряжения (одно– для включения фаз звездой, другое – треугольником) и имеется шесть выводов. Например, Y-380/220-∆: если U_Л = 380В, то фазы обмотки двигателя включают «звездой» и U_Ф =220В, т.к. U_Л=U_Ф, если U_Л = 220 В, то фазы включают «треугольником» и U_Ф =U_Л =220В.

Источник