Mạch điện ba pha — Lịch sử, Thiết bị, Đặc điểm của Tính toán Điện áp, Dòng điện và Công suất

Một câu chuyện lịch sử ngắn gọn

Trong lịch sử, người đầu tiên mô tả hiện tượng từ trường quay Nikola Tesla, và ngày khám phá này được coi là ngày 12 tháng 10 năm 1887, thời điểm các nhà khoa học nộp đơn xin cấp bằng sáng chế liên quan đến động cơ cảm ứng và công nghệ truyền tải điện. Vào ngày 1 tháng 5 năm 1888, tại Hoa Kỳ, Tesla sẽ nhận được bằng sáng chế chính của mình - cho việc phát minh ra máy điện nhiều pha (bao gồm cả động cơ điện không đồng bộ) và cho các hệ thống truyền năng lượng điện bằng dòng điện xoay chiều nhiều pha.

Bản chất của cách tiếp cận sáng tạo của Tesla đối với vấn đề này là đề xuất của ông về việc xây dựng toàn bộ chuỗi sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện dưới dạng một hệ thống dòng điện xoay chiều nhiều pha, bao gồm máy phát điện, đường dây truyền tải và động cơ dòng điện xoay chiều, mà Tesla sau đó gọi là " hướng dẫn"...

Trên lục địa châu Âu, song song với hoạt động sáng tạo của Tesla, một vấn đề tương tự đã được giải quyết bởi Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky, người có công việc nhằm tối ưu hóa phương pháp sử dụng điện quy mô lớn.

Dựa trên công nghệ dòng điện hai pha của Nikola Tesla, Mikhail Osipovich đã phát triển độc lập hệ thống điện ba pha (như một trường hợp đặc biệt của hệ thống nhiều pha) và một động cơ điện không đồng bộ có thiết kế hoàn hảo - với rôto «lồng sóc». Mikhail Osipovich sẽ nhận được bằng sáng chế cho động cơ vào ngày 8 tháng 3 năm 1889 tại Đức.

Mạng ba pha thông qua Dolivo-Dobrovolski được chế tạo theo nguyên tắc giống như của Tesla: máy phát điện ba pha chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng, EMF đối xứng được cung cấp cho người tiêu dùng thông qua đường dây điện, trong khi người tiêu dùng là động cơ ba pha hoặc tải một pha (chẳng hạn như đèn sợi đốt) .

Các mạch điện xoay chiều ba pha vẫn được sử dụng để tạo ra, truyền tải và phân phối điện năng. Các mạch này, như tên gọi của chúng, được tạo thành từ ba mạch con điện, trong mỗi mạch đó có một EMF hình sin hoạt động. Các EMF này được tạo ra từ một nguồn chung, có biên độ bằng nhau, tần số bằng nhau nhưng lệch pha nhau 120 độ hay 2/3 pi (1/3 chu kỳ).

Mỗi trong số ba mạch của hệ thống ba pha được gọi là một pha: pha thứ nhất - pha "A", pha thứ hai - pha "B", pha thứ ba - pha "C".

Sự khởi đầu của các giai đoạn này được biểu thị bằng các chữ cái A, B và C tương ứng và các phần cuối của các giai đoạn bằng X, Y và Z.Các hệ thống này tiết kiệm so với một pha; khả năng đơn giản là có được từ trường quay của stato cho động cơ, sự hiện diện của hai điện áp để lựa chọn - tuyến tính và pha.

Máy phát điện ba pha và động cơ không đồng bộ

Vì thế, máy phát điện ba pha là một máy điện đồng bộ được thiết kế để tạo ra ba emf sóng hài lệch pha 120 độ (thực tế là theo thời gian) đối với nhau.

Với mục đích này, một cuộn dây ba pha được gắn trên stato của máy phát điện, trong đó mỗi pha bao gồm một số cuộn dây và trục từ của mỗi «pha» của cuộn dây stato được quay vật lý trong không gian một phần ba vòng quay. khoanh tròn so với hai «giai đoạn» còn lại .

Sự sắp xếp các cuộn dây này cho phép nó có được hệ thống EMF ba pha trong quá trình quay của rôto. Rôto ở đây là một nam châm điện vĩnh cửu được kích thích bởi dòng điện của cuộn dây kích từ đặt trên nó.

Tua bin trong nhà máy điện quay rôto với tốc độ không đổi, từ trường của rôto quay cùng với nó, các đường sức từ chạy qua dây dẫn của cuộn dây stato, kết quả là một hệ thống EMF hình sin cảm ứng có cùng tần số ( 50 Hz) thu được, dịch chuyển cái này sang cái khác theo thời gian bằng một phần ba chu kỳ.

Biên độ của EMF được xác định bởi cảm ứng từ trường của rôto và số vòng quay trong cuộn dây stato và tần số được xác định bởi tốc độ góc quay của rôto. Nếu chúng ta lấy pha ban đầu của cuộn dây A bằng 0, thì đối với EMF ba pha đối xứng, bạn có thể viết dưới dạng các hàm lượng giác (pha tính bằng radian và độ):

Ngoài ra, có thể ghi lại các giá trị hiệu quả của EMF ở dạng phức tạp, cũng như hiển thị một tập hợp các giá trị tức thời ở dạng đồ họa (xem Hình 2):

Biểu đồ vectơ phản ánh sự dịch chuyển lẫn nhau của các pha trong ba EMF của hệ thống và tùy thuộc vào hướng quay của rôto máy phát, hướng quay của pha sẽ khác nhau (tiến hoặc lùi). Theo đó, hướng quay của rôto của động cơ không đồng bộ được kết nối với mạng sẽ khác:

Nếu không có dự trữ bổ sung, thì sự luân phiên trực tiếp của EMF trong các pha của mạch ba pha được ngụ ý. Việc chỉ định điểm đầu và điểm cuối của cuộn dây máy phát - các pha tương ứng, cũng như hướng của EMF hoạt động trong chúng, được thể hiện trong hình (sơ đồ tương đương bên phải):

Sơ đồ kết nối tải ba pha - "sao" và "đồng bằng"

Để cung cấp cho tải thông qua ba dây của mạng ba pha, mỗi trong ba pha được kết nối theo bất kỳ cách nào theo người tiêu dùng hoặc theo pha của người tiêu dùng ba pha (cái gọi là Bộ thu điện).

Nguồn ba pha có thể được biểu diễn bằng một mạch tương đương gồm ba nguồn EMF hài đối xứng lý tưởng. Máy thu lý tưởng được biểu diễn ở đây với ba trở kháng phức hợp Z, mỗi trở kháng được cung cấp bởi một pha tương ứng của nguồn:

Để rõ ràng, hình vẽ cho thấy ba mạch không được kết nối điện với nhau, nhưng trong thực tế, kết nối như vậy không được sử dụng. Trong thực tế, ba pha có kết nối điện giữa chúng.

Các pha của nguồn ba pha và người tiêu dùng ba pha được kết nối với nhau theo những cách khác nhau và một trong hai sơ đồ - "đồng bằng" hoặc "sao" - thường được tìm thấy nhất.

Các pha nguồn và pha người tiêu dùng có thể được kết nối với nhau theo nhiều cách kết hợp khác nhau: nguồn được kết nối theo hình sao và bộ thu được kết nối theo hình sao hoặc nguồn được kết nối theo hình sao và bộ thu được kết nối theo hình tam giác.

Đó là sự kết hợp của các hợp chất thường được sử dụng trong thực tế. Sơ đồ «ngôi sao» ngụ ý sự hiện diện của một điểm chung trong ba «pha» của máy phát hoặc máy biến áp, điểm chung như vậy được gọi là trung tính của nguồn (hoặc trung tính của máy thu, nếu chúng ta nói về «ngôi sao» «của người tiêu dùng).

Các dây nối giữa nguồn và máy thu được gọi là dây dẫn, chúng kết nối các đầu cuối của cuộn dây của các pha máy phát và máy thu. Dây nối giữa trung tính của nguồn và trung tính của máy thu được gọi là dây trung tính... Mỗi pha tạo thành một loại mạch điện riêng, trong đó mỗi máy thu được kết nối với nguồn của nó bằng một cặp dây - một dòng và một trung tính.

Khi kết thúc một pha của nguồn được kết nối với đầu pha thứ hai, kết thúc pha thứ hai với đầu pha thứ ba và kết thúc pha thứ ba với đầu pha thứ nhất, kết nối này của các pha đầu ra được gọi là "tam giác". Ba dây nhận được kết nối theo cách tương tự với nhau cũng tạo thành một mạch «tam giác» và các đỉnh của các tam giác này được kết nối với nhau.

Mỗi pha nguồn trong mạch này tạo thành mạch điện riêng của nó với máy thu, nơi kết nối được hình thành bởi hai dây. Đối với kết nối như vậy, tên của các pha của máy thu được viết bằng hai chữ cái phù hợp với dây: ab, ac, ca. Các chỉ số cho các tham số pha được biểu thị bằng các chữ cái giống nhau: điện trở phức hợp Zab, Zac, Zca .

Điện áp pha và đường dây

Nguồn, cuộn dây được kết nối theo sơ đồ "sao", có hai hệ thống điện áp ba pha: pha và dây.

Điện áp pha — giữa dây dẫn pha và số không (giữa điểm cuối và điểm đầu của một trong các pha).

Điện áp đường dây — giữa điểm bắt đầu của các pha hoặc giữa các dây dẫn đường dây. Ở đây, hướng từ điểm mạch có điện thế cao hơn đến điểm có điện thế thấp hơn được coi là chiều dương của điện áp.

Do điện trở trong của cuộn dây máy phát cực kỳ nhỏ nên chúng thường bị bỏ qua và điện áp pha được coi là bằng với pha của EMF, do đó, trên sơ đồ vectơ, điện áp và EMF được ký hiệu bằng các vectơ giống nhau :

Lấy điện thế điểm trung tính bằng 0, chúng ta thấy rằng điện thế pha sẽ giống với điện áp pha nguồn và điện áp đường dây giống với hiệu điện thế pha. Sơ đồ vector sẽ trông giống như hình trên.

Mỗi điểm trên sơ đồ như vậy tương ứng với một điểm cụ thể trên mạch ba pha và do đó, vectơ được vẽ giữa hai điểm trên sơ đồ sẽ biểu thị điện áp (độ lớn và pha của nó) giữa hai điểm tương ứng trên mạch mà sơ đồ được xây dựng.

Do tính đối xứng của điện áp pha nên điện áp đường dây cũng đối xứng. Điều này có thể được nhìn thấy trong sơ đồ vector. Các vectơ ứng suất đường chỉ thay đổi giữa 120 độ. Và mối quan hệ giữa điện áp pha và đường dây có thể dễ dàng tìm thấy từ tam giác của sơ đồ: tuyến tính với gốc của ba lần pha.

Nhân tiện, đối với mạch ba pha, điện áp đường dây luôn được chuẩn hóa, bởi vì chỉ khi đưa trung tính vào, người ta mới có thể nói về điện áp pha.

Tính toán cho "ngôi sao"

Hình bên dưới mô tả mạch tương đương của máy thu, các pha được nối với nhau bằng một «ngôi sao», được nối qua các dây dẫn của đường dây điện với nguồn đối xứng, các đầu ra được biểu thị bằng các chữ cái tương ứng. Khi tính toán mạch ba pha, nhiệm vụ tìm dòng điện pha và dòng điện pha được giải quyết khi biết điện trở của các pha máy thu và điện áp nguồn.

Dòng điện trong dây dẫn tuyến tính được gọi là dòng điện tuyến tính, hướng dương của chúng - từ nguồn đến máy thu. Dòng điện trong các pha của máy thu là dòng điện pha, hướng dương của chúng — từ đầu pha — đến cuối, giống như hướng của pha EMF.

Khi máy thu được lắp ráp theo sơ đồ "sao", có một dòng điện trong dây trung tính, hướng dương của nó được lấy - từ máy thu - đến nguồn, như trong hình bên dưới.

Ví dụ, nếu chúng ta xem xét một mạch tải bốn dây không đối xứng, thì điện áp pha của phần chìm, khi có dây trung tính, sẽ bằng với điện áp pha của nguồn. Dòng điện trong từng pha tuân theo định luật Ôm... Và định luật đầu tiên của Kirchhoff sẽ cho phép bạn tìm giá trị của dòng điện ở điểm trung hòa (tại điểm trung hòa n trong hình trên):

Tiếp theo, hãy xem xét sơ đồ vectơ của mạch này. Nó phản ánh điện áp dây và pha, dòng điện pha không đối xứng cũng được vẽ, thể hiện bằng màu sắc và dòng điện trong dây trung tính. Dòng điện của dây trung tính được vẽ dưới dạng tổng của các vectơ dòng điện pha.

Bây giờ hãy để tải pha có tính chất đối xứng và hoạt động cảm ứng. Hãy xây dựng một sơ đồ vectơ của dòng điện và điện áp, có tính đến thực tế là dòng điện trễ điện áp một góc phi:

Dòng điện trong dây trung tính sẽ bằng không. Điều này có nghĩa là khi một máy thu cân bằng được kết nối sao, dây trung tính không có tác dụng và thường có thể được gỡ bỏ. Không cần bốn dây, ba là đủ.

Dây trung tính trong mạch điện ba pha

Khi dây trung tính đủ dài, nó sẽ tạo ra lực cản đáng kể đối với dòng điện. Chúng tôi sẽ phản ánh điều này trong sơ đồ bằng cách thêm một điện trở Zn.

Dòng điện trong dây trung tính tạo ra điện áp rơi trên điện trở, dẫn đến biến dạng điện áp trong điện trở pha của máy thu. Định luật thứ hai của Kirchhoff cho mạch pha A dẫn chúng ta đến phương trình sau, và sau đó chúng ta tìm thấy bằng cách tương tự các điện áp của các pha B và C:

Mặc dù các pha nguồn đối xứng nhưng điện áp pha máy thu không cân bằng. Và theo phương pháp điện thế nút thì điện áp giữa các điểm trung tính của nguồn và máy thu sẽ bằng nhau (EMF của các pha bằng điện áp các pha):

Đôi khi, khi điện trở của dây trung tính rất nhỏ, độ dẫn của nó có thể được coi là vô hạn, nghĩa là điện áp giữa các điểm trung tính của mạch ba pha được coi là bằng không.

Bằng cách này, điện áp pha đối xứng của máy thu không bị biến dạng. Dòng điện trong mỗi pha và dòng điện trong dây trung tính là định luật Ohm hoặc theo định luật Kirchhoff đầu tiên:

Một máy thu cân bằng có cùng điện trở trong mỗi pha của nó.Điện áp giữa các điểm trung tính bằng không, tổng các điện áp pha bằng không và dòng điện trong dây trung tính bằng không.

Do đó, đối với máy thu cân bằng được kết nối sao, sự hiện diện của trung tính không ảnh hưởng đến hoạt động của nó. Nhưng mối quan hệ giữa điện áp dây và pha vẫn có giá trị:

Một máy thu kết nối hình sao không cân bằng, trong trường hợp không có dây trung tính, sẽ có điện áp phân cực trung tính tối đa (độ dẫn trung tính bằng 0, điện trở là vô cùng):

Trong trường hợp này, độ méo của điện áp pha máy thu cũng là tối đa. Biểu đồ vectơ của điện áp pha của nguồn với cấu trúc của điện áp trung tính phản ánh thực tế này:

Rõ ràng, với sự thay đổi về độ lớn hoặc tính chất của điện trở của máy thu, giá trị của điện áp phân cực trung tính thay đổi trong phạm vi rộng nhất và điểm trung tính của máy thu trên sơ đồ vectơ có thể được đặt ở nhiều nơi khác nhau. Trong trường hợp này, điện áp pha của máy thu sẽ khác nhau đáng kể.

Đầu ra: tải đối xứng cho phép loại bỏ dây trung tính mà không ảnh hưởng đến điện áp pha của máy thu; Tải không đối xứng bằng cách loại bỏ dây trung tính ngay lập tức dẫn đến việc loại bỏ khớp nối cứng giữa điện áp máy thu và điện áp pha máy phát — giờ đây chỉ điện áp đường dây máy phát ảnh hưởng đến điện áp tải.

Tải không cân bằng dẫn đến mất cân bằng điện áp pha trên nó và dẫn đến sự dịch chuyển của điểm trung tính ra xa tâm tam giác của sơ đồ vectơ.

Do đó, dây trung tính là cần thiết để cân bằng điện áp pha của máy thu trong điều kiện không đối xứng của nó hoặc khi nó được kết nối với từng pha của máy thu một pha được thiết kế cho pha chứ không phải điện áp đường dây.

Vì lý do tương tự, không thể lắp đặt cầu chì trong mạch của dây trung tính, vì trong trường hợp dây trung tính bị đứt ở tải pha, sẽ có xu hướng quá điện áp nguy hiểm.

Các phép tính cho «tam giác»

Bây giờ hãy xem xét việc kết nối các pha của máy thu theo sơ đồ "delta". Hình này cho thấy các cực nguồn và không có dây trung tính và không có nơi nào để kết nối nó. Nhiệm vụ với sơ đồ kết nối như vậy thường là tính toán dòng pha và dòng với nguồn điện áp đã biết và điện trở pha tải.

Điện áp giữa các dây dẫn là điện áp pha khi tải được nối tam giác. Ngoại trừ điện trở của dây dẫn pha, điện áp giữa các nguồn và đường dây được cân bằng với điện áp giữa các dây của các pha của người tiêu dùng. Các dòng pha được đóng bởi các điện trở tải phức hợp và bởi các dây dẫn.

Đối với chiều dương của dòng pha, hướng tương ứng với điện áp pha được lấy từ đầu - đến cuối pha và đối với dòng điện tuyến tính - từ nguồn đến điểm thu. Dòng điện trong các pha tải được tìm thấy theo định luật Ohm:

Điểm đặc biệt của "tam giác", không giống như ngôi sao, là dòng pha ở đây không bằng dòng tuyến tính. Dòng điện pha có thể được sử dụng để tính toán dòng điện đường dây bằng cách sử dụng định luật Kirchhoff thứ nhất cho các nút (đối với các đỉnh của một tam giác).Và thêm các phương trình, chúng ta nhận được rằng tổng các phức của dòng điện bằng 0 trong tam giác, bất kể tính đối xứng hay không đối xứng của tải:

Trong một tải đối xứng, điện áp đường dây (trong trường hợp này bằng các pha) tạo ra một hệ thống các dòng điện đối xứng trong các pha của tải. Các dòng điện pha có độ lớn bằng nhau, nhưng chỉ khác nhau về pha bằng một phần ba chu kỳ, nghĩa là bằng 120 độ. Dòng điện cũng có độ lớn bằng nhau, sự khác biệt chỉ ở các pha, được phản ánh trong sơ đồ vectơ:

Giả sử rằng sơ đồ được xây dựng cho tải đối xứng có tính chất cảm ứng, khi đó dòng điện pha trễ so với điện áp pha một góc phi nhất định. Dòng điện được hình thành bởi sự khác biệt của hai dòng điện pha (vì kết nối tải là «delta») và đồng thời đối xứng.

Sau khi nhìn vào các tam giác trong sơ đồ, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy mối quan hệ giữa dòng điện pha và dòng điện là:

Nghĩa là, với tải đối xứng được kết nối theo sơ đồ "delta", giá trị hiệu dụng của dòng pha nhỏ hơn ba lần so với giá trị hiệu dụng của dòng điện. Trong các điều kiện đối xứng của "tam giác", việc tính toán cho ba pha giảm xuống tính toán cho một pha. Điện áp dây và pha bằng nhau, dòng điện pha tuân theo định luật Ôm, dòng điện trên dây gấp 3 lần dòng điện pha.

Tải không cân bằng có nghĩa là có sự khác biệt về điện trở phức, điển hình cho việc cấp nguồn cho các máy thu một pha khác nhau từ cùng một mạng ba pha. Ở đây dòng pha, góc pha, công suất trong các pha — sẽ khác nhau.

Giả sử có tải thuần hoạt động (ab) trong một pha, tải cảm ứng hoạt động (bc) trong pha kia và tải điện dung hoạt động (ca) trong pha thứ ba. Sau đó, sơ đồ vectơ sẽ trông giống như sơ đồ trong hình:

Các dòng pha không đối xứng và để tìm các dòng điện pha, bạn sẽ phải dùng đến các cấu trúc đồ thị hoặc các phương trình cực đại định luật đầu tiên của Kirchhoff.

Một đặc điểm khác biệt của mạch thu «delta» là khi điện trở thay đổi ở một trong ba pha, các điều kiện cho hai pha còn lại sẽ không thay đổi, vì điện áp đường dây sẽ không thay đổi theo bất kỳ cách nào. Chỉ dòng điện trong một pha cụ thể và dòng điện trong dây truyền dẫn mà tải đó được kết nối sẽ thay đổi.

Liên quan đến đặc điểm này, sơ đồ kết nối tải ba pha theo sơ đồ «delta» thường được tìm kiếm để cung cấp tải không cân bằng.

Trong quá trình tính toán tải không đối xứng trong sơ đồ "delta", điều đầu tiên cần làm là tính toán dòng pha, sau đó là dịch pha và chỉ sau đó tìm dòng điện phù hợp với các phương trình theo định luật đầu tiên của Kirchhoff hoặc chúng tôi sử dụng sơ đồ véc tơ.

Nguồn điện ba pha

Mạch điện ba pha, giống như bất kỳ mạch điện xoay chiều nào, được đặc trưng bởi tổng công suất tác dụng và phản kháng. Vì vậy, công suất hoạt động cho tải không cân bằng bằng tổng của ba thành phần hoạt động:

Công suất phản kháng là tổng công suất phản kháng trong mỗi pha:

Đối với "tam giác", các giá trị pha được thay thế, chẳng hạn như:

Công suất biểu kiến ​​của từng pha trong ba pha được tính như sau:

Công suất biểu kiến ​​của mỗi máy thu ba pha:

Đối với máy thu ba pha cân bằng:

Đối với máy thu sao cân bằng:

Đối với một "tam giác" đối xứng:

Điều này có nghĩa là cho cả "ngôi sao" và "tam giác":

Công suất hoạt động, phản kháng, biểu kiến ​​— Đối với mỗi mạch máy thu cân bằng: