Исследование режимов работы электрооборудования при симметричной и несимметричной нагрузке
жүктеу/скачать 1 Mb.
|
ЛР2-ЭСж-Сарсенбаева
- Бұл бет үшін навигация:
- Тақырыбы
- Цель работы
- 3.2Методические указания
|
Коммерциялықемесакционерлікқоғам «Ғ.Ж.ДӘУКЕЕВ атындағы АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕБАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ» “Электрменжабдықтаужәнеэнергияныңжаңғыртылғанкөздері”кафедрасы “Электрмен жабдықтау”пәні Тақырыбы : Өндірістік кәсіпорындардың электрлік жүктемесінің графигінзерттеу Тобы:ЭСХк-20-1 Орындаған :Сарсенбаева Сайра Тексерген:Амиркулов Бекзат « » (бағасы) (қолы) Алматы, 2023ж Исследование режимов работы электрооборудования при симметричной и несимметричной нагрузке Цель работы: исследовать режим работы системы электроснабжения при симметричной и несимметричной нагрузке. 3.1 Перечень оборудования Лабораторный стенд состоит из лабораторной стойки и имеет специализированный каркас, в котором закрепляются отдельные модули стенда такие, как модули трехфазной сети, вводные выключатели, выключатели кабельной ЛЭП, двигательные нагрузки и секционный выключатель, также в состав стенда входит персональный компьютер, располагаемый на специальном столе. 3.2Методические указания Симметрия напряжения. Трехфазные цепи являются частным случаеммногофазных систем, под которымипонимают совокупность нескольких нагрузок и источников питания, имеющих одинаковую частоту и смещенных по фазе на некоторый угол друг относительно друга. Каждая пара «источник-нагрузка» может рассматриваться как отдельная цепь и называется фазой системы. Если отдельные фазы системы не соединены между собой электрически (рисунок3.1 а), то такую систему называютнесвязанной. Несвязанная система не обладает никакими особыми свойствами, и если между фазами отсутствует и магнитная связь, то такая совокупность цепей вообще не может рассматриваться как многофазная. Соединение фаз системы между собой (рисунок 3.1 б) придает ей особые качества, благодаря которым многофазные системы (в особенности трехфазные) получили исключительное распространение в области передачи и преобразования электрической энергии. Одним из очевидных преимуществ связанной системы (рисунок 3.1) является сокращение с шести до четырех числа проводников, соединяющих источники с нагрузкой. При благоприятных обстоятельствах это число может быть уменьшено до трех. В дальнейшем мы отметим целый ряд других преимуществ, которым обладают связанные системы. Любая многофазная система может быть симметричной и несимметричной. Симметрия системы определяется симметрией ЭДС, напряжений и токов.
Рисунок 3.1 – Схема соединение фаз между собой Под симметричной многофазной системой ЭДС, напряжений или токовпонимают совокупность соответствующих величин, имеющиходинаковые амплитуды и смещенных по фазе на угол по отношению друг к другу, где m - число фаз системы. Если для обозначения фаз трехфазной системы использовать первые буквы латинского алфавита, то симметричную систему ЭДС можно записать в виде:
Аналогичные выражения можно написать и для токов, и падений напряжения в симметричной трехфазной системе. Основное свойствосимметричных многофазных системзаключается в том, чтосумма мгновенных значений величин, образующих систему в каждый момент времени, равна нулю. Для изображений величин, образующих систему, это свойство означаетравенство нулю суммы фазных векторов. В справедливости этого утверждения легко убедиться на примере трехфазной системы, если в области изображений сложить числа в скобках в правой части выражений (3.1). Многофазная система симметрична только тогда, когда в ней симметричны ЭДС, токи и напряжения. Если принять равными нулю внутренние сопротивления источников питания или включить их значения в сопротивления нагрузки, то условие симметрии системы сводится к симметрии ЭДС и равенству комплексных сопротивлений нагрузки. Это условие для трехфазной системы записывается в виде: Za = Zb = Zc. (3.2) Существуют два способа связывания элементов в многофазную систему - соединение звездой и соединение многоугольником. Звезда - это такое соединение, в котором начала всех элементов объединены в один узел, называемый нейтральной точкой. Подключение к системе при этом осуществляется концами элементов (рисунок 3.2 а). Многоугольник - это соединение, в котором все элементы объединены в замкнутый контур так, что у соседних элементов соединены между собой начало и конец. С системой многоугольник соединяется в точках соединения элементов. Частным случаем многоугольника является треугольник рисунок 3.2 (б).
Источники питания и нагрузки в многофазных системах в общем случае могут быть связаны разными способами. При анализе многофазных систем вводится ряд понятий, необходимых для описания процессов. Проводники, соединяющие между собой источники и нагрузку, называютсялинейными проводами, а проводник, соединяющий нейтральные точки источников и нагрузки,нейтральным проводом. Электродвижущие силы источников многофазной системы (eA,EA, EA, eB, EB, EB,eC, EC, EC), напряжения на их выводах (uA,UA, UA,uB,UB, UB, uC, UC, UC) и протекающие по ним токи (iA, IA, IA,iB,IB,IB,iC,IC,IC) называются фазными. Напряжения между линейными проводами (UAB,UAB,UBC,UAC,UCA,UCA) называютсялинейными. Связь линейных напряжений сфазными можно установить через разность потенциалов линейных проводов(рисунок 3.1 б)какuAB = uAN + uNB = uAN - uBN = uA-uBили в символической форме: UAB = UA - UB ;UBC = UB - UC; UCA =UC - UA. (3.3) Симметричная нагрузка приемника. При симметричной системе напряжений и симметричной нагрузке, когдаZa=Zb=Zc, т.е. когда Ra= Rb= Rc=Rфи Xa= Xb= Xc= Xф, фазные токи равны по значению и углы сдвига фаз одинаковы: (3.4) (3.3) Построив векторную диаграмму токов для симметричного приемника (рисунок3.3), легко установить, что геометрическая сумма трех векторов тока равна нулю: İa + İb + İc = 0. Следовательно, в случае симметричной нагрузки ток в нейтральном проводе IN = 0, поэтому необходимость в нейтральном проводе отпадает. Рисунок 3.3 - Векторная диаграмма токов Симметричная нагрузка. При симметричной нагрузке:
т.е Так как линейные (они же фазные) напряжения UAB, UBC, UCAсимметричны, то и фазные токи образуют симметричную систему: Абсолютные значения их равны, а сдвиги по фазе относительно друг друга составляют 120°. Линейные токи образуют также симметричную систему токов (рисунок 3.4, 3.3). Рисунок3.4 – Векторная диаграмма линейных токов На векторной диаграмме (рисунок 3.3) фазные токи отстают от фазных напряжений на угол φ (полагаем, что фазы приемника являются индуктивными, т.е. φ > 0°). Здесь принято, что напряжение UABимеет нулевую фазу. Из диаграммы следует, что любой линейный ток больше фазного в раз. Линейный ток İAотстает по фазе от фазного тока İabна угол 30°, на этот же угол отстает İBот İbc, İCот İca. Таким образом, при соединении треугольником действующее значение линейного тока при симметричной нагрузке в раз больше действующего значения фазного тока и ; Трехфазная цепь является совокупностью трех однофазных цепей, поэтому ее мощность может быть определена как сумма мощностей отдельных фаз. При соединении звездой активная мощность системы будет равна: (3.7) а реактивная: (3.8) Если нагрузка соединена треугольником, то активная и реактивная мощности будут равны: (3.9) (3.10) Полную мощность можно определить из треугольника мощностей как: (3.11) Следует обратить внимание на то, что полная мощность трехфазной цепи не является суммой полных мощностей фаз. При симметричной нагрузке мощности всех фаз одинаковы, поэтому полная мощность и ее составляющие для соединения звездой будут равны. При соединении нагрузки треугольником: (3.12) Из выражений (3.11) и (3.12) следует, чтополная мощность трехфазной сети и ее составляющие при симметричной нагрузке могут быть определены по линейным токам и напряжениям независимо от схемы соединения. Несимметричная нагрузка приемника. При симметричной системе напряжений и несимметричной нагрузке, когда Za≠ Zb≠ Zcи φa ≠ φb ≠ φc,токи в фазах потребителя различны и определяются по закону Ома: İa= Úa/Za; İb= Úb/ Zb; İc= Úc/Zc. Ток в нейтральном проводе İN равен геометрической сумме фазных токов: İN = İa+ İb+ İc. Напряжения будут благодаря нейтральному проводу при Следовательно, нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке. Поэтому в четырехпроводную сеть включают однофазные несимметричные нагрузки, например, электрические лампы накаливания. Режим работы каждой фазы нагрузки, находящейся под неизменным фазным напряжением генератора, не будет зависеть от режима работы других фаз. Векторная диаграмма при несимметричной нагрузке приведена на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 – Векторная диаграмма при несимметричной нагрузке Несимметрия трехфазной системы напряжений появляется при наличии в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности. Основной причиной возникновения несимметрии напряжения являются потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам. К ним относятся: однофазные потребители, включаемые на фазное либо междуфазное напряжения; трехфазные потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам (в частности, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки). Причиной несимметрии напряжений может быть также несимметрия сопротивлений сети по фазам. Несимметричная нагрузка приемника. В общем случае при несимметричной нагрузке Zab≠ Zbc≠ Zca. Обычно она возникает при питании от трехфазной сети однофазных приемников. Например, для нагрузки (рисунок 3.6), фазные токи, углы сдвига фаз и фазные мощности будут в общем случае различными. Векторная диаграмма для случая, когда в фазе ab имеется активная нагрузка, в фазе bc – активно-индуктивная, а в фазе ca – активно-емкостная приведена на рисунке 3.7, топографическая диаграмма – на рисунке 3.8.
Построение векторов линейных токов произведено в соответствии с выражениями: İA = İab- İca; İB = İbc- İab; İC= İca- İbc. Рисунок 3.8 – Топографическая диаграмма Таким образом, при несимметричной нагрузке симметрия фазных токов İab, İbс, İcaнарушается, поэтому линейные токи İA, İB, İC можно определить только расчетом по вышеприведенным уравнениям или найти графическим путем из векторных диаграмм (рисунки 3.7, 3.8). Важной особенностью соединения фаз приемника треугольником является то, что при изменении сопротивления одной из фаз режим работы других фаз остается неизменным, так как линейные напряжения генератора являются постоянными. Будет изменяться только ток данной фазы и линейные токи в проводах линии, соединенных с этой фазой. Поэтому схема соединения треугольником широко используется для включения несимметричной нагрузки. При расчете для несимметричной нагрузки сначала определяют значения фазных токов İab, İbc, İcaи соответствующие им сдвиги фаз φab, φbc, φca. Затем определяют линейные токи с помощью уравнений в комплексной форме или с помощью векторных диаграмм (рисунок 3.7, 3.8). При отсутствии нейтрального провода сумма токов в фазах нагрузки равна нулю Ia+Ib+Ic=0. В случае симметричной нагрузки режим работы системы не отличается от режима в системе с нейтральным проводом. При несимметричной нагрузке между нейтральными точками источника и нагрузки возникает падение напряжения. Его можно определить по методу двух узлов, перестроив для наглядности схему (рисунок 3.9, а). В традиционном для теории электрических цепей начертании она будет иметь вид рисунок 3.9, б).
Отсюда:
где Ya=1/Za, Yb=1/Zb, Yc=1/Zc– комплексные проводимости фаз нагрузки. Напряжение UnN представляет собой разность потенциалов между нейтральными точками источника и нагрузки. По схеме рисунок 3.9, б его можно представить также через разности фазных напряжений источника и нагрузки UnN= UA – Ua= UB – Ub= UC – Uc. Отсюда фазные напряжения нагрузки: Ua = UA– UnN; Ub= UB– UnN; Uc = UC– UnN. (3.13) Токи в фазах нагрузки можно определить по закону Ома: Ia= Ua/Za; Ib= Ub/Zb; Ic=Uc/Zc. (3.14) Векторные диаграммы для симметричной и несимметричной нагрузки приведены на рисунке 3.10. Диаграммы симметричного режима (рисунок 3.10, а) ничем не отличаются от диаграмм в системе с нулевым проводом. Рисунок 3.10 – Векторные диаграммы для симметричной и несимметричной нагрузки Диаграммы несимметричного режима (рисунок 3.10, б) иллюстрируют возможность существования множества систем фазных напряжений для любой системы линейных. Здесь системе линейных напряжений UABUBCUCA соответствуют две системы фазных. Фазные напряжения источника UAUBUC и фазные напряжения нагрузки UaUbUc..В трехфазных цепях нагрузка и источник могут быть соединены по-разному. В частности, нагрузка, соединенная треугольником, может быть подключена к сети, в которой источник питания соединен звездой (рисунок 3.11). Рисунок 3.11 – Трехфазная симметричная нагрузка При этом фазы нагрузки оказываются подключенными на линейные напряжения: Uab= UAB; Ubc=UBC; Uca= UCA. Токи в фазах можно найти по закону Ома: а линейные токи из уравнений Кирхгофа для узлов треугольника нагрузки: Векторы фазных токов нагрузки на диаграммах для большей наглядности принято строить относительно соответствующих фазных напряжений. На рисунке 3.12, б векторные диаграммы построены для случая симметричной нагрузки. Как и следовало ожидать, векторы фазных и линейных токов образуют симметричные трехфазные системы. На рисунке 3.12, впостроена векторная диаграмма для случая разных типов нагрузки в фазах. В фазе ab нагрузка чисто резистивная, а в фазах bc и caиндуктивная и емкостная. В соответствии с характером нагрузки, вектор Iab совпадает по направлению с вектором Uab; вектор Ibc отстает, а вектор Ica опережает на 90° соответствующие векторы напряжений. После построения векторов фазных токов можно по выражениям построить векторы линейных токов IA, IB и IC. Рисунок 3.12 (б) и (в) – Векторная диаграмма для случая разных типов нагрузки в фазах Влияние несимметрии напряжения на работу электроприемников. На рисунке 3.13 приведены векторные диаграммы прямой, обратной последовательностей и результирующих напряжений. Как видно из векторной диаграммы результирующего напряжения, при появлении в трехфазной сети напряжения обратной последовательности ухудшается режим напряжений как трехфазных, так и однофазных электроприемников. а - векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б - векторная диаграмма напряжений обратной последовательности; в - векторная диаграмма результирующих напряжений. Рисунок 3.13 – Влияние появления напряжения обратной последовательности на величину результирующих напряжений сети Особенно неблагоприятно влияет напряжение обратной последовательности на работу вращающихся электрических машин. В асинхронных двигателях несимметрия напряжения вызывает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных двигателей в 3...7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляющей обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает перегрев двигателя, в результате чего уменьшается его располагаемая мощность. Быстро стареет изоляция и т.д. Так, срок службы полностью загруженного двигателя, работающего при коэффициенте несимметрии 4%, сокращается в два раза. При появлении в трехфазной сети напряжения нулевой последовательности ухудшаются режимы напряжений для однофазных приемников. Токи нулевой последовательности постоянно протекают через заземлители и значительно высушивают грунт, увеличивая сопротивление заземляющих устройств. Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние несимметрия напряжения может оказывать на систему импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей. Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование установленной мощности. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах (пропорционально квадрату напряжения). Несимметрия напряжения значительно влияет и на однофазные потребители. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением. Несимметрия усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д. жүктеу/скачать 1 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||