Электротехника решение задач трехфазные цепи: Задачи на трехфазные цепи

Задачи на трехфазные цепи

ТОЭ примеры решения

Трехфазные электрические цепи получили широкое распространение в промышленности, благодаря своим немалым преимуществам перед другими системами электрических цепей. К ним относятся – экономичность передачи энергии, относительная простота создания вращающегося магнитного поля, а также возможность получения двух значений напряжения. Основными потребителями трехфазных систем являются асинхронные двигатели, а основными источниками – трехфазные генераторы. 

В разделе электротехники трехфазным цепям переменного тока посвящено немало задач, рассмотрим решение некоторых из них.

Задача 1

Обмотки трехфазного генератора соединены по схеме “звезда”, э.д.с. в них 220 В. Построить векторные диаграммы  и определить линейные напряжения для схемы соединения, в которой в одной точке сходятся: a) X Y Z б) X B Z в) X B C . Начала обмоток – A,B,C, концы обмоток – X,Y,Z. Принять нагрузку на генераторе равной нулю.

а) Для данной схемы соединения векторная диаграмма будет выглядеть следующим образом

 

Линейные напряжения в данном случае будут равны и определяться как 

б) Так как обмотка BY подключена началом в нейтральную точку, то вектор напряжения оказывается повернутым на 180 относительно нормального положения.

 

Линейные напряжения в данном примере будут разными по значению 

в) В данном случае относительно нормального положения повернуты вектора двух обмоток – BY и CZ. 

Как и в предыдущем примере, линейные напряжения не будут равны 

Задача 2

К зажимам приемника подсоединён трехфазный генератор, как показано на схеме. Определить показания амперметров A1,A2 и фазные токи зная, что Uл=380В, R=50 Ом, xL=35 Ом.

 

Определим комплексные значения сопротивления (для удобства вычислений будем переводить в показательную форму)

Напряжения в фазах будет равно

Токи в фазах

Ток в нейтральном проводе равен (для удобства сложения сначала переведем из показательной формы в алгебраическую, а затем наоборот)

Соответственно, показания амперметров будут следующими:

Задача 3

К зажимам приемника, подсоединён трехфазный генератор, обмотки которого соединены по схеме “треугольник”. Определить фазные и линейные токи, показания вольтметра, зная, что линейное напряжение равно 220 В,  R=25 Ом, xL=xC=10 Ом.

 

Как и в предыдущей задаче, в первую очередь определим комплексы сопротивлений 

Фазное напряжение при данном соединении будет равно линейному, следовательно 

Фазные токи при несимметричной нагрузке не равны 

Для определения линейных токов представим фазные токи в алгебраической форме комплексного числа

Сумма линейных токов 

Равенство нулю суммы линейных токов является свойством любой трёхфазной системы.

Чтобы определить показания вольтметра, найдём сумму падений напряжения на xL и R в соответствующих обмотках. 

Так решаются задачи на трехфазные цепи. Спасибо за внимание! Читайте также – задачи на цепи переменный ток

  • Просмотров: 49603
  • 1.

    3.2 Решение типовых задач
        1. Примеры решения типовых задач

    Задача 1.3.1 Трехфазный асинхронный двигатель включен в сеть 380 В по схеме «звезда». Параметры обмоток следующие: Rф = 2 Ом, Хф = 8 Ом.

    Требуется: изобразить схему включения двигателя в сеть; определить фазные и линейные токи; определить потребляемую активную мощность; построить векторную диаграмму токов и напряжений; рассмотреть два аварийных режима – обрыв и короткое замыкание фазы А.

    Решение:

    Трехфазный асинхронный двигатель является симметричной активно-индуктивной нагрузкой, поэтому включается в сеть по схеме «звезда» без нейтрального провода. Его схема замещения представлена на рис. 1.3.8

    Номинальное напряжение сети является линейным напряжением, т. е. , тогда фазное напряжение

    Поскольку нагрузка симметричная, то расчет можно проводить для одной фазы.

    Полное сопротивление фазы

    Ф

    А(а)

    азный ток

    .

    Для схемы «звезда» линейный ток . Потребляемая активная мощность

    где  – фазовый угол,

    .

    Векторная диаграмма токов и напряжений показана на рис. 1.3.9. Для построения векторной диаграммы необходимо выбрать масштабы напряжений и токов .

    Рассмотрим аварийный режим работы– обрыв фазы А (рис.1.3.10).

    В этом случае трехфазная цепь превращается в однофазную , причем фазы b и с оказываются включенными последовательно на линейное напряжение , т. е. на каждую из этих фаз падает напряжение

    Фазные и линейные токи

    .

    Потребляемая мощность

    Рис. 1.3.11

    Как видно из расчета, потребляемая мощность снизилась почти в два раза.

    Если обрыв фазы произошел внутри самого двигателя (обрыв обмотки), то эта обмотка оказывается под повышенным напряжением , что видно из векторной диаграммы (рис.1.3.11). Неповрежденные обмотки находятся под пониженным напряжением, что не опасно для них.

    Рассмотрим аварийный режим работы – короткое замыкание фазы «а»

    (рис. 1.3.12, а, б).

    При коротком замыкании фазы нейтральная точка оказывается связана с питающей точкой А, значит, неповрежденные фазы b и с окажутся включенными на линейное напряжение , что видно из векторной диаграммы.

    Токи в неповрежденных фазах

    .

    а

    б

    Рис.

    1.3.12

    Ток в фазе а равен геометрической сумме токов и ( по векторной диаграмме составляет примерно 69 А).

    Задача 1.3.2. Три однофазных приемника включены в трехфазную сеть с напряжением 380 В по схеме “звезда с нейтральным проводом”. Сопротивления приемников: Ом; Ом; Ом.

    Требуется изобразить схему включения приемников; определить токи в проводах сети; построить векторную диаграмму токов и напряжений; вычислить активную, реактивную и полную (кажущуюся) мощности.

    Решение:

    Схема включения приемников принципиальная и расчетная представлены на рис. 1.3.13, а,б.

    а

    б

    Рис. 1.3.13

    Наличие нейтрального провода обеспечивает симметричную систему фазных напряжений на приемниках. Напряжение сети – линейное напряжение

    В.

    Система фазных напряжений в комплексной форме

    Сопротивления фаз

    Для схемы “звезда“ фазные и линейные токи равны между собой и составляют

    Ток в нейтральном проводе

    При построении векторных диаграмм фазные и линейные напряжения и токи строятся относительно комплексных осей откладываются с учетом начальных фаз. Ток в нейтральном проводе – это результат геометрического сложения векторов фазных токов, и его расположение и длина должны соответствовать расчетному значению (рис.

    1.3.13).

    Рис. 1.3.13

    Задача 1.3.3. К трехфазной системе напряжением 380 В подключены три одинаковых приемника (RФ = 3 Ом, X= 4 Ом), соединенные по схеме “треугольник“ (рис.1.3.14). Определить токи в фазных и линейных проводах и потребляемую мощность (активную, реактивную, полную). Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

    Рассмотреть аварийные режимы – обрывы фазного и линейных проводов.

    Решение:

    Нагрузка фаз одинакова, поэтому расчет проводится для одной фазы.

    Напряжение сети – это линейное напряжение, в схеме “треугольник “ Uф = Uл = 380 В.

    Комплексное сопротивление фазы:

    где

    Рис. 1.3.14

    Фазные токи:

    линейные токи (только для симметричной нагрузки):

    Активная мощность, потребляемая нагрузкой:

    реактивная мощность:

    полная мощность:

    Векторная диаграмма может быть построена в двух вариантах в зависимости от изображения системы напряжений (рис.1.3.15 ). Предварительно выбирают масштабы тока и напряжения.

    Рис. 1.3.15

    Фазные токи отстают от соответствующих напряжений на угол Ф = 53. Линейные токи находятся из соотношений:

    Рассмотрим обрыв фазыаb” (рис. 1.3.16,а). Определим токи в неповрежденных фазах и в линии, построим векторную диаграмму токов и напряжений.

    а)

    б)

    Рис. 1.3.16

    Токи в неповрежденных фазах не изменяются, так как не изменяются напряжения:

    Линейные токи по первому закону Кирхгофа (с учетом ):

    .

    Из этих уравнений следует, что действующие значения линейных токов и равны действующим значениям фазных токов, а у линейного тока действующее значение не изменяется

    Векторная диаграмма токов и напряжений строится аналогично симметричному режиму и приведена на рис.1.3.16,б.

    Рассмотрим обрыв линейного провода А (рис. 1.3.17,а). Определим фазные и линейные токи и построим векторную диаграмму токов и напряжений.

    К приемнику подводится только напряжение

    Сопротивление фазы “” включено на полное напряжение , а равные сопротивления фаз “аb” и ”са” включены последовательно друг с другом, причем к каждому из них подведена половина напряжения .

    а) б)

    Рис.1.3.17

    Сеть становится аналогичной однофазной с двумя параллельными ветвями:

    Ток фазы “bс” не изменяется:

    токи других фаз :

    линейные токи ( при ) :

    Векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рис. 1.3.17,б.

    Задача 1.3.4 В трехфазную сеть напряжением 380 В, частотой f = 50 Гц включен трехфазный асинхронный двигатель по схеме “треугольник“. Потребляемая активная мощность P = 1,44 кВт, коэффициент мощности cos = 0,85. Определить потребляемый двигателем ток, токи в обмотках двигателя, активное и индуктивное сопротивления, индуктивность катушек, полную и реактивную потребляемые мощности.

    Решение:

    Двигатель является симметричной нагрузкой, поэтому расчет ведем на фазу.

    Сеть маркируется линейным напряжением, поэтому UЛ = 380 В.

    При соединении по схеме “треугольник“ UЛ = UФ= 380 В.

    Активная мощность, потребляемая нагрузкой,

    отсюда фазный ток, протекающий в обмотках двигателя:

    Потребляемые двигателем токи – линейные токи:

    Полное сопротивление фазы обмотки двигателя:

    Ом,

    активное сопротивление

    Ом,

    индуктивное сопротивление

    Ом.

    Индуктивность обмотки определяется из выражения

    ,

    Гн.

    Полная потребляемая мощность:

    кВА;

    реактивная мощность:

    Задача 7.3 К трехпроводной трехфазной линии с напряжением 380 В подключены три однофазных приемника с параметрами: R1= 5 Ом, R2= 6 Ом, XL2= 8 Ом, R3=4 Ом, XC3= 3 Ом. Определить токи в фазах и линейных проводах, активную, реактивную и полную мощности и построить векторную диаграмму токов и напряжений.

    Решение:

    Однофазные приемники к трехпроводной сети подключаются по схеме “треугольник“ (рис.1.3.18).

    Нагрузка несимметричная, ток каждой фазы нужно считать отдельно. Исходная система напряжений:

    Комплексные сопротивления фаз:

    Ом;

    Ом;

    Ом;

    Фазные токи:

    Линейные токи:

    Сумма линейных токов должна равняться нулю, и действительно,

    Активная мощность:

    Реактивная мощность:

    здесь знак “минус” показывает, что преобладает емкостная нагрузка.

    Полная мощность:

    Векторные диаграммы токов и напряжений в двух вариантах (для разного представления исходной системы напряжений) приведены на рис. 1.3.19.

    Предварительно выбирают масштабы тока и напряжения. Векторы фазных токов откладывают относительно векторов соответствующих напряжений под углами , , или в соответствии с полученными их начальными фазами ; ; . Затем по первому закону Кирхгофа строят векторы линейных токов , длина и направление которых должны соответствовать расчетным данным.

    Рис.1.3.19 Векторные диаграммы токов и напряжений несимметричной нагрузки

    Решенные задачи: анализ трехфазных цепей

    Проблемы

     

    1.     двигатель измеряется как 5кВт. Если напряжение и ток двигателя составляют 400 В и 8,6 А соответственно, определите коэффициент мощности системы?

     

    Мощность       P =5000 Вт,

     

    напряжение сети

    1 В, 2 L = 20002 линейный ток, I L = 8 . 6A and

    power,     =√3  V L I L cos  φ

     

    Hence

    power factor  = cos   φ   =   P √3 V L I L

    = 5000 √3 (400) (8 . 6)

    .0002 =  0,839

     

    2.      Два ваттметра подключены для измерения входной мощности на сбалансированную трехфазную нагрузку методом двух ваттметров. Если показания прибора равны 8 кВт и 4 кВт, определите (а) общую потребляемую мощность и (б) коэффициент мощности нагрузки.

    (A) Общая входная мощность,

    P = P 1 + P 2 = 8 + 4 = 12KW

    P 2 = 8 + 4 = 12KW

    .0002

    (b) TAN φ = √3 ( P 1 – P 2) / ( P 1 + P 2)

    = √3 (8 – 4) / ( 8 + 4)

    = √3 (4/12)

    = √3 (1/3)

    = 1/√3

    Отсюда φ = TAN – 1 10005

    . √3       =30◦

    Коэффициент мощности=      cos φ = cos 30◦ = 0,866

     

    9 0003 3 

    04

    Два ваттметра, подключенных к трехфазному двигателю, показывают, что общая потребляемая мощность составляет 12 кВт. Коэффициент мощности 0,6. Определить показания каждого ваттметра.

     

    If the two wattmeters indicate  P 1 and  P 2 respectively

    Then  P 1 +  P 2 = 12kW

    —(1)

    тангенс φ  =√3( P 1 − P 2)/( P 1 +  P 2)

    И   коэффициент мощности=0 . 6 = cos φ .

     

    Угол φ = cos−10 . 6=53 . 13◦ и

    загар 53 . 13◦ =1 . 3333.

     

    Отсюда

    1 . 3333 =√3( P 1 −  P 2)/12

    Из чего

     

    P 1 −  P 2          = 12(1 . 3333) /√3

    т. е.     P 1 − P 2 =9 . 237кВт         —-(2)

     

    Сложение уравнений (1) и (2) дает:

    2 P 1 = 21 . 237

    т. е.      P 1 = 21 . 237/2

     

    = 10 . 62 кВт Следовательно, ваттметр 1 показывает 10,62 кВт Из уравнения (1) ваттметр 2 показывает

    (12−10,62)=1,38 кВт

     

    4.      Три нагрузки, каждая с сопротивлением 30 Ом, подключены звездой к трехфазной сети 415 В. Определите

    (a) фазное напряжение системы, (b) фазный ток и (c) линейный ток.

     

    A «415 В, 3-фазное питание» означает, что 415 В является линейным напряжением, VL

     

    (a) Следовательно, для фазного напряжения, VL =√3Vp = ВЛ/√3

    = 415/√3

    = 239,6 В или 240 В

    Правильно до 3 значащих рисунков

    (b) Фазовый ток, IP = VP/RP

    = 240/30.

    = 8 A

    (C) для звездного соединения, IP = IL Следовательно, ток линии, IL = 8 A

    5.

    Три одинаковые катушки сопротивлением 10 9 каждая.0021 Ом  и индуктивность 42 мГн подключены (а) по схеме «звезда» и (б) по схеме «треугольник» к 3-фазному источнику питания 415 В, 50 Гц. Определить общую мощность, рассеиваемую в каждом случае.

    (A) Звездное соединение

    Индуктивное реактивное сопротивление,

    x L = 2 πf L = 2 π (50) (42 × 10-3) = 13 . 19

    Полное сопротивление фазы,

    Z p =√( R 2   + X L2)

    =√(102 +13 . 192) =16 . 55

    Line voltage,  V L =415  V

    And phase voltage,

    V P = V L / √3=415 / √3=240  V.

    Фазовый ток,

    I P = V P / Z P = 240 / 16 . 55=14 . 50 А. Линейный ток,

    I L = I p =14 . 50 A.

    Коэффициент мощности = cos φ = R p /Z p =10 1 902 / 90 55 =0,6042 отставание.

     

    Power dissipated,

     

    =√3   V L I L cos   φ   =√3 (415) (14 . 50)(0 . 6042) =   6.3kW   (Alternatively,

     

    =3 I 2 R = 3 (14 . 50) 2 (10) = 6,3 кВт )

    (B) Delta Connection

    V L = V .

    V L = V .

    V L = v .

    V L = V 959

    V L = V

    V L = V

    V L = V

    V L = . = 415 В,

     

    Z p = 16 . 55 _ , cos  φ  = 0 . 6042   отставание (сверху). Ток фазы,

     

    I p = В p /Z p =415 / 16 . 55=25 . 08А . Линейный ток,

    I L =√3 I p =√3(25 . 08)=43 . 44А .

     

    Рассеиваемая мощность,

    P = √3 V L I L COS φ

    = √3 (415) (43 . 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442 442. ) =  18.87kW

    (Alternatively,

    =3 I 2R

    =3(25 . 08)2(10) = 18.87 kW)

     

    6.      A 415 В, 3 фазы переменного тока двигатель имеет выходную мощность 12,75 кВт и работает с коэффициентом мощности 0,77 отставания и с КПД 85 процентов. Если двигатель соединен треугольником, определите (а) потребляемую мощность, (б) линейный ток и (в) фазный ток.

     

     

    (a)  Эффективность = выходная мощность / потребляемая мощность.

    Следовательно,

    (85 / 100) = 12,750 Вход мощности, из которого Вход мощности = 12. 750 × 10085

    = 15 000 Вт или 15KW

    000

    09

    09

    09

    09

    09

    09

    09

    0 9000 9000 9000 9000 Вт 9000 Вт. (b) Мощность, P =√3 В L I L cos φ , следовательно,

     

    (c) Ток линии ,

    I L = P/ √3 (415) (0 . 77)

    = 15 000/ a ) (0 . 77)

    = 27.10A

    (D) для Delta Connection, I L = √3 I P,

    HARE

    59959599599299292929292929929

    29929929929929

    29

    29

    29

    5

    5

    5959929

    29

    29

    29

    29

    29

    29

    29

    29

    29

    29

    29

     

    Фазный ток ,   I p = IL/√3

    = 27 . 10 /√3

    = 15,65A

    7. А. из 30 _  и индуктивное сопротивление 40 _ . Рассчитайте (а) ток, подаваемый генератором переменного тока и (б) выходную мощность и кВА генератора переменного тока, пренебрегая потерями в линии между генератором переменного тока и нагрузкой.

    Диаграмма схемы генератора и нагрузки показана на рис.

    (а) Учитывая нагрузку:

    Фазовый ток, I P = V 299

    , I P = V 229992 p /Z p

    V p = V L для соединения треугольником,

    Отсюда V p = 400 В.

     

    Полное сопротивление фазы,

    Z p =√ ( R 2+ x L2)

    = √ (302 +402) = 50


    Рисунок

    ОСНОВАЯ / 50=8А.

    Для соединения треугольником,

     

    Линейный ток,  I L =√3  I p =√3 (8) =13 . 86  А.

    Следовательно  13,86 А – это ток, подаваемый генератором .

     

    (b) Выходная мощность генератора равна мощности, рассеиваемой нагрузкой

     

    Т.е. P = √3 V L I L COS φ , где COS φ = R P / Z P = 30 / 50 = 0 . 6 .

     

    Отсюда P  =√3 (400) (13 . 86) (0 . 6) = 9,704 кВт

    Alternator output kVA,

     

    =√3  V L I L =√3 (400) (13 . 86)

     

    9.60 кВА .

    Объяснение электрической мощности. Часть 3: Сбалансированная трехфазная сеть переменного тока

    Большие трехфазные двигатели и оборудование, которое они приводят в действие, должны потреблять мощность в равной степени от каждой из трех фаз сети. Однако часто этого не происходит. Дисбаланс и гармоники могут вызвать нестабильность, а вибрация двигателя снижает как эффективность, так и срок службы. Дисбаланс также может вызвать неисправности в однофазных нагрузках. Все это может снизить качество электроэнергии, что приведет к штрафным санкциям со стороны коммунальных служб.

    В этом блоге мы опишем сбалансированные трехфазные системы питания, в которых каждая фаза потребляет одинаковый ток. В следующих статьях блога, опубликованных позже, мы представим несбалансированную мощность.

    В нашем предыдущем блоге было показано, как бесконечно изменяющиеся мгновенные формы тока и мощности могут быть просто представлены одним числом: параметрами. Возможно, наиболее полезными являются активная, реактивная и полная мощности.

    Активная мощность совершает полезную работу, протекая через резистивную часть сети и имея то же среднее значение, что и мгновенная мощность. Реактивная мощность протекает по индуктивной части цепи 9на 0° позже и имеет среднее значение, равное нулю. Кажущаяся мощность – это общая мощность, видимая коммунальным предприятием. Коэффициент мощности представляет собой активную над полной мощностью.

    Сбалансированные индуктивные/резистивные нагрузки

    Трехфазные резистивные нагрузки просты, поэтому мы сразу перейдем к индуктивным нагрузкам (которые также включают резистивную составляющую).

    В сбалансированной системе полная активная/реактивная/полная мощность представляет собой просто сумму их соответствующих фазных мощностей.

    Базовая трехфазная система питания с тремя индуктивными нагрузками по 600 ВА. (Красный, зеленый и синий цвета фазы приведены только для демонстрации и не соответствуют никакому стандарту)

    Сумма всех напряжений (и токов) в точке звезды всегда равна нулю. В сбалансированной системе ток нейтрали и мощность нейтрали равны нулю. Вы можете думать о сбалансированной трехфазной системе как о трех однофазных системах, подключенных к нейтральной линии.

    Кривые напряжения и тока в сбалансированной системе

    Трехфазные кривые напряжения и тока

    Каждое напряжение отстает от предыдущего на 120° (посмотрите на пересечение нуля). Двигатель также снова вводит свой собственный 30-градусный фазовый сдвиг между напряжением и током.

    Векторная (фазорная) диаграмма показывает ту же информацию, что и кривые

    Эта векторная диаграмма показывает только основные значения. Длины линий представляют среднеквадратичные значения, а их высота над началом координат показывает мгновенные значения. Все это вращается со скоростью 60 раз в секунду против часовой стрелки. Опять же, напряжения фаз B и C отстают на 120° и 240°, а токи фаз A, B и C отстают на 30°, 150° и 270°.

    Вы также можете нарисовать векторную диаграмму для каждой гармонической составляющей (но только основная составляющая обычно переносит полезную энергию).

    Оставить комментарий