Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Несимметрия токов и напряжений

Симметричное соединение (Balanced)

Что же делать, если посторонние сигналы возникают в кабелях и проводах? Существует два выхода – либо убрать все источники электромагнитных возмущений от нашей схемы (задача практически невыполнимая), либо использовать для соединения симметричный кабель. Отличие симметричного кабеля – в наличии дополнительного провода (жилы). Т.е. в кабеле имеются положительный, или «горячий» провод (по нему сигнал передается без изменений) и отрицательный, или «холодный» провод (по нему идет тот же сигнал, но в противофазе). Вместе они называются сигнальный провод. При этом становится возможным сравнивать напряжение между положительным и отрицательным проводами. Как только рядом появляется мобильный телефон или силовой кабель (внешние источники помех), они начинают влиять на сигнал в двух проводах симметричного кабеля совершенно одинаково. На входе на принимающее устройство из положительного сигнала вычитается отрицательный, при этом помехи вычитаются сами из себя (компенсируются) и не оказывают влияния на исходный сигнал. Таким образом, сигнал передается без искажений. Стандартным соединением симметричных кабелей является трехконтактный XLR – разъем (положительный, отрицательный и заземляющий провода).

Следует помнить, что симметричный кабель не устраняет исходный уровень шума, он только позволяет избавиться от дополнительных шумов, которые возникают при передаче сигнала. Симметричные кабели стоят значительно дороже и используются главным образом для профессиональной звуковой техники в случае необходимости передачи слабых сигналов и передачи сигнала на большие расстояния.

Cообщение об ошибке

Несимметрия — трехфазная система — напряжение

Несимметрия трехфазной системы напряжений может возникать не только в аварийных ситуациях — при обрыве или отключении одной фазы, но и в нормальных режимах — при наличии мощных единичных однофазных нагрузок ( печи, электрический транспорт), при неравномерном распределении по фазам массовых однофазных электроприемников, при несимметрии параметров элементов сети. Чаще всего несимметричная система напряжений на выводах электроприемников возникает за счет того, что несимметричные токи нагрузки вызывают несимметричные падения напряжения в сети.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности. Указанное наложение приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений.

Следствием несимметрии трехфазной системы напряжения питания является снижение КПД и увеличение нагрева двигателя.

Трехфазные АД подвержены заметному влиянию несимметрии трехфазной системы напряжения питания. Эта несимметрия порождает несимметрию магнитного поля, что приводит к появлению тормозных моментов и увеличению потерь. Кроме того, магнитная несимметрия увеличивает собственные вибрации и акустический шум.

При автоматической диагностике измерительных органов проверяется наличие напряжений, чередование их фаз, несимметрия трехфазной системы напряжений.

Неравномерное по фазам включение осветительных приемников и применение однофазных индукционных электропечей без необходимых симметрирующих устройств приводит к несимметрии трехфазной системы напряжения, к смещению нейтрали с появлением напряжения нулевой последовательности. Эта несимметрия приводит к снижению пропускной способности сети по условиям нагрева, росту потерь, дополнительному нагреву электродвигателей и снижению срока их службы.

Для потребителей электроэнергии важное значение имеют показатели качества электроэнергии, характеризующие степень нестабильности амплитуды напряжения, форму его кривой и степень несимметрии трехфазной системы напряжений, характеризуемой составляющими обратной и нулевой последовательностей.

Искажающий электроприемвик — приемник электрической энергии с нелинейной электрической характеристикой или с несимметричным или колебательным режимом работы, подключение которого к сети приводит или может привести к несинусоидальности напряжения, колебаниям напряжения или несимметрии трехфазной системы напряжений в этой сети.

Нормальная работа любого потребителя электроэнергии требует не только бесперебойного электроснабжения, но и обеспечения определенного качества электрической энергии, к показателям которого относят: отклонения напряжения и частоты от заданных номинальных значений, колебания напряжения и частоты, несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрия трехфазной системы напряжения.

Так как срок службы изоляционной системы с увеличением температуры уменьшается быстро ( приблизительно экспоненциально), стандарты обращают внимание потребителей на правильную эксплуатацию двигателей, допуская тепловую перегрузку изоляционной системы только в необходимых случаях. В частности, стандарты ограничивают время перегрузки по току, время пуска, отклонение напряжения и частоты от номинальных значений, а также величину несинусоидальности напряжения и несимметрию трехфазной системы напряжений

Все эти ненормальные условия работы вредно влияют на срок службы двигателей.

Трехфазные и однофазные электрические сети

Как известно, по проводам, передающим энергию на расстояние, течет трехфазный ток — так выгоднее. В квартиру он заходит однофазным. Расщепление трехфазной цепи на 3 однофазных происходит во ВРУ. Туда входит пятижильный кабель, а выходит трехжильный (рис, 11.2).

Рис. 11.2. Схема расщепления трехфазной сети на однофазные потребители

На вопрос, куда деваются еще 2, ответ простой: питают другие квартиры. Это не значит, что квартир только 3, их может быть сколько угодно, лишь бы кабель выдержал. Просто внутри щита выполняется схема разъединения трехфазной цепи на однофазные (рис, 11.3). К каждой фазе, отходящей в квартиру, добавляются ноль и заземление, так и получается трехжильный кабель.

Рис. 11.3. Однофазная электрическая цепь

В идеале в трехфазной сети только один ноль. Больше и не надо, поскольку ток сдвинут по фазе относительно друг друга на одну треть. Ноль — это нейтральный проводник, в котором напряжения нет. Относительно земли у него нет потенциала в отличие от фазового, в котором напряжение равно 220 В. В паре «фаза — фаза» напряжение 380 В. В трехфазной сети, к которой ничего не подключено, в нейтральном проводнике нет напряжения. Самое интересное начинает происходить, когда сеть подключается к однофазной цепи. Одна фаза входит в квартиру, где стоят 2 лампочки и холодильник, а вторая — где 5 кондиционеров, 2 компьютера, душевая кабина, индукционная плита и т. д. (рис, 11.4).

Рис. 11.4. Трехфазная электрическая цепь

Понятно, что нагрузка на 2 эти фазы неодинакова и ни о каком нейтральном проводнике речи уже не идет. На нем тоже появляется напряжение, и чем неравномернее нагрузка, тем оно больше.

Фазы уже не компенсируют друг друга, чтобы в сумме получился ноль.

В последнее время ситуация с некомпенсацией токов в такой сети усугубилась тем, что появились новые электроприборы, которые называются импульсными. В момент включения они потребляют намного больше энергии, чем при нормальной работе. Эти импульсные приборы вкупе с разной нагрузкой на фазы создают такие условия, что в нейтральном проводнике (ноле) возникает напряжение, которое может быть раза в 2 больше, чем на любой фазе. Однако нейтраль такого же сечения, что и фазовый провод, а нагрузка больше.

Вот почему в последнее время все чаще возникает явление, называемое отгоранием ноля — нейтральный проводник просто не справляется с нагрузкой и перегорает. Бороться с таким явлением непросто: надо либо увеличивать сечение нейтрального провода (а это дорого), либо распределять нагрузку между 3 фазами равномерно (что в условиях многоквартирного дома невозможно). На худой конец можно купить понижающий разделительный трансформатор, он же стабилизатор напряжения.

В частном доме ситуация получше, поскольку хозяин один и распределить электроэнергию по фазам намного проще. Это даже увлекательное занятие — считать мощность электроприборов и распределять их по фазам, чтобы нагрузка была одинаковой. Все расчеты делаются примерно, и вовсе не значит, что надо включать свет и 2 телевизора, а если заработал столярный станок на улице — это перебор. Все зависит от желания хозяина дома: провести трехфазную сеть или однофазную. Здесь есть свои плюсы и минусы.

Минусов трехфазной сети 2.

1. Напряжение на отдельном участке сильно зависит от работы других. Если перегружена одна из фаз, остальные могут работать некорректно. Проявиться это может как угодно. Чтобы такого не происходило, нужен стабилизатор — вещь недешевая.

ной. Кроме того, нужно знать правила эксплуатации трехфазных сетей.

Плюсов трехфазной сети тоже 2.

1. Трехфазная сеть позволяет получить больше мощности. Если однофазная сеть при суммарной мощности приборов в 10 кВт уже испытывает перегрузки, то трехфазная прекрасно справляется и с 30 кВт. Пример очень простой. Если с линии ЛЭП в дом заходит всего 1 фаза, то при сечении входящего проводника 16 мм1 максимальная мощность составит всего 14 кВт, а если все 3 фазы — то уже 42 кВт. Разница весьма ощутимая.

Расчёт несимметрии

Подробнее по этой теме см. Метод симметричных составляющих.

Обычно целью расчёта несимметрии (перекоса фаз) является разложение несимметричного трёхфазного напряжения на 3 симметричные составляющие: нулевой, прямой и обратной последовательности фаз. Расчёт удобно выполнять на векторной плоскости, изображая напряжение каждой фазы в виде вектора с модулем (величиной) и аргументом (фазой).

Расчёт можно выполнить по результатам измерения фазных и линейных напряжений сети, построив предварительно векторную диаграмму. Определить каждую из симметричных составляющих можно посредством такого сложения векторов напряжённости, при котором сумма векторов двух оставшихся составляющих равна нулю.

Сумма мгновенных значений симметричного трёхфазного напряжения равна нулю. Поэтому сумма 3-х векторов несимметричного фазного напряжения равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности фаз.

При повороте вектора напряжения фазы В против часовой стрелки на 120 градусов, а фазы С — по часовой стрелке на такой же угол, сумма этих векторов и вектора фазы А равна утроенному значению вектора напряжения фазы А прямой последовательности фаз.

Если вектор фазы В повернуть по часовой стрелке, а фазы С — против, то сумма трёх векторов равна утроенному вектору фазы А напряжения обратной последовательности фаз.

ГОСТ 32144-2013 определяет два показателя качества электрической энергии для расчёта несимметрии напряжений трёхфазной сети:

  • K2U — коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (%);
  • K0U — коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (%).

Литература

Электротехнический справочник / под ред. А. Т. Голована, и др. — 3-е изд. — М—Л. : Госэнергоиздат, 1962. — Т. 1. — С. 140. — 736 с.

Расчёт несимметрии[ | код]

Подробнее по этой теме см. Метод симметричных составляющих.

Обычно целью расчёта несимметрии (перекоса фаз) является разложение несимметричного трёхфазного напряжения на 3 симметричные составляющие: нулевой, прямой и обратной последовательности фаз. Расчёт удобно выполнять на векторной плоскости, изображая напряжение каждой фазы в виде вектора с модулем (величиной) и аргументом (фазой).

Расчёт можно выполнить по результатам измерения фазных и линейных напряжений сети, построив предварительно векторную диаграмму. Определить каждую из симметричных составляющих можно посредством такого сложения векторов напряжённости, при котором сумма векторов двух оставшихся составляющих равна нулю.

Сумма мгновенных значений симметричного трёхфазного напряжения равна нулю. Поэтому сумма 3-х векторов несимметричного фазного напряжения равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности фаз.

При повороте вектора напряжения фазы В против часовой стрелки на 120 градусов, а фазы С — по часовой стрелке на такой же угол, сумма этих векторов и вектора фазы А равна утроенному значению вектора напряжения фазы А прямой последовательности фаз.

Если вектор фазы В повернуть по часовой стрелке, а фазы С — против, то сумма трёх векторов равна утроенному вектору фазы А напряжения обратной последовательности фаз.

ГОСТ 32144-2013 определяет два показателя качества электрической энергии для расчёта несимметрии напряжений трёхфазной сети:

  • K2U — коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (%);
  • K0U — коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (%).

Литература | код

Электротехнический справочник / под ред. А. Т. Голована, и др. — 3-е изд. — М—Л. : Госэнергоиздат, 1962. — Т. 1. — С. 140. — 736 с.

Расчёт несимметрии[править | править код]

Подробнее по этой теме см. Метод симметричных составляющих.

Обычно целью расчёта несимметрии (перекоса фаз) является разложение несимметричного трёхфазного напряжения на 3 симметричные составляющие: нулевой, прямой и обратной последовательности фаз. Расчёт удобно выполнять на векторной плоскости, изображая напряжение каждой фазы в виде вектора с модулем (величиной) и аргументом (фазой).

Расчёт можно выполнить по результатам измерения фазных и линейных напряжений сети, построив предварительно векторную диаграмму. Определить каждую из симметричных составляющих можно посредством такого сложения векторов напряжённости, при котором сумма векторов двух оставшихся составляющих равна нулю.

Сумма мгновенных значений симметричного трёхфазного напряжения равна нулю. Поэтому сумма 3-х векторов несимметричного фазного напряжения равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности фаз.

При повороте вектора напряжения фазы В против часовой стрелки на 120 градусов, а фазы С — по часовой стрелке на такой же угол, сумма этих векторов и вектора фазы А равна утроенному значению вектора напряжения фазы А прямой последовательности фаз.

Если вектор фазы В повернуть по часовой стрелке, а фазы С — против, то сумма трёх векторов равна утроенному вектору фазы А напряжения обратной последовательности фаз.

ГОСТ 32144-2013 определяет два показателя качества электрической энергии для расчёта несимметрии напряжений трёхфазной сети:

  • K2U — коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (%);
  • K0U — коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (%).

Литератураправить | править код

Электротехнический справочник / под ред. А. Т. Голована, и др. — 3-е изд. — М—Л. : Госэнергоиздат, 1962. — Т. 1. — С. 140. — 736 с.

Расчет несимметричных режимов работы трехфазных систем

Если
хотя бы одно из условий симметрии не
выполняется, в трехфазной цепи имеет
место несимметричный режим работы.
Такие режимы при наличии в цепи только
статической нагрузки и пренебрежении
падением напряжения в генераторе
рассчитываются для всей цепи в целом
любым из рассмотренных ранее методов
расчета. При этом фазные напряжения
генератора заменяются соответствующими
источниками ЭДС. Можно отметить, что,
поскольку в многофазных цепях, помимо
токов, обычно представляют интерес
также потенциалы узлов, чаще других для
расчета сложных схем применяется метод
узловых потенциалов. Для анализа
несимметричных режимов работы трехфазных
цепей с электрическими машинами в
основном применяется метод симметричных
составляющих, который будет рассмотрен
далее.

При
заданных линейных напряжениях наиболее
просто рассчитываются трехфазные цепи
при соединении в треугольник. Пусть в
схеме на рис. 2,а
.
Тогда при известных комплексах линейных
напряжений в соответствии с законом
Ома

;;.

По
найденным фазным токам приемника на
основании первого закона Кирхгофа
определяются линейные токи:

.

Обычно
на практике известны не комплексы
линейных напряжений, а их модули. В этом
случае необходимо предварительное
определение начальных фаз этих напряжений,
что можно осуществить, например,
графически. Для этого, приняв
,
по заданным модулям напряжений, строим
треугольник (см. рис.5), из которого (путем
замера) определяем значения углов a и
b.

Тогда

Искомые
углы a и b могут быть также найдены
аналитически на основании теоремы
косинусов:

При
соединении фаз генератора и нагрузки
в звезду и наличии нейтрального провода
с нулевым сопротивлением фазные
напряжения нагрузки равны соответствующим
напряжениям на фазах источника. В этом
случае фазные токи легко определяются
по закону Ома, т.е. путем деления известных
напряжений на фазах потребителя на
соответствующие сопротивления. Однако,
если сопротивление нейтрального провода
велико или он отсутствует, требуется
более сложный расчет.

Рассмотрим
трехфазную цепь на рис. 6,а. При симметричном
питании и несимметричной нагрузке
ей
в общем случае будет соответствовать
векторная диаграмма напряжений (см.
рис. 6,б), на которой нейтральные точки
источника и приемника занимают разные
положения, т.е..

Разность
потенциалов нейтральных точек генератора
и нагрузки называется напряжением
смещения нейтральной точки
(обычно
принимается, что)
или простонапряжением смещения
нейтрали.
Чем оно больше, тем сильнее
несимметрия фазных напряжений на
нагрузке, что наглядно иллюстрирует
векторная диаграмма на рис. 6,б.

Для
расчета токов в цепи на рис. 6,а необходимо
знать напряжение смещения нейтрали.
Если оно известно, то напряжения на
фазах нагрузки равны:

.

Тогда
для искомых токов можно записать:

.

Соотношение
для напряжения смещения нейтрали,
записанное на основании метода узловых
потенциалов, имеет вид

.

(1)

При
наличии нейтрального провода с нулевым
сопротивлением
,
и из (1).
В случае отсутствия нейтрального провода.
При симметричной нагрузкес
учетом того, что,
из (1) вытекает.

Вкачестве примера анализа несимметричного
режима работы цепи с использованием
соотношения (1) определим, какая из ламп
в схеме на рис. 7 с прямым чередованием
фаз источника будет гореть ярче, если.

Запишем
выражения комплексных сопротивлений
фаз нагрузки:

Тогда
для напряжения смещения нейтрали будем
иметь

Напряжения
на фазах нагрузки (здесь и далее индекс
N у фазных напряжений источника опускается)

Таким
образом, наиболее ярко будет гореть
лампочка в фазе С.

В
заключение отметим, что если при
соединении в звезду задаются линейные
напряжения (что обычно имеет место на
практике), то с учетом того, что сумма
последних равна нулю, их можно однозначно
задать с помощью двух источников ЭДС,
например,
и.
Тогда, поскольку при этом,
соотношение (1) трансформируется в
формулу

.

(2)

Петельные самоподсекающие оснастки

Кормушка в асимметричной или симметричной петле свободно двигается внутри, ограниченная двумя узлами. Это позволяет рыбе в первые секунды удаления от кормушки с наживкой в пасти не ощущать сопротивление оснастки и беспрепятственно заглатывать приманку. После того, как весь свободный запас вытягивается и плечо протягивается рыбой до верхнего узла, часто происходит самоподсечка об вес кормушки. Несимметричную петлю на фидере впервые стали применять голландские рыболовы спортсмены на соревнованиях по ловле леща и усача. Затем асимметричная петля разлетелось по фидерным кругам и с тех пор активно используется. Несимметричная петля ловит любую рыбу – плотву, карася, сазана, линя. Она работает как в стоячей воде, так и на течении, на чистом дне и в захламленных местах.


Симметричная петля

1.5 Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность
напряжения — искажение синусоидальной
формы кривой напряжения. Электроприёмники
с нелинейной вольт-амперной
характеристикой потребляют ток, форма
кривой которого отличается от
синусоидальной. А протекание такого
тока по элементам электрической сети
создаёт на них падение напряжения,
отличное от синусоидального, это и
является причиной искажения синусоидальной
формы кривой напряжения. Например,
полупроводниковые преобразователи
потребляют ток трапециевидной формы,
образно говоря — выхватывают из
синусоиды кусочки прямоугольной
формы. 35% электроэнергии преобразуется
и потребляется на постоянном напряжении.

Источниками несинусоидальности
напряжения являются: статические
преобразователи, дуговые сталеплавильные
и индукционные печи, трансформаторы,
синхронные двигатели, сварочные
установки, газоразрядные осветительные
и бытовые приборы и так далее. Строго
говоря, все потребители, кроме ламп
накаливания имеют нелинейную вольтамперную
характеристику.

Влияние несинусоидальности напряжения
на работу электрооборудования:

  • Фронты несинусоидального напряжения
    воздействуют на изоляцию кабельных
    линий электропередач, — учащаются
    однофазные короткие замыкания на землю.
    Аналогично кабелю, пробиваются
    конденсаторы.

  • В электрических машинах, включая
    трансформаторы, возрастают суммарные
    потери. Так, при коэффициенте искажения
    синусоидальной формы кривой напряжения
    K U = 10 % суммарные потери в сетях
    предприятий, крупных промышленных
    центров, сетях электрифицированного
    железнодорожного транспорта могут
    достигать 10…15 %.

  • Возрастает недоучёт электроэнергии,
    вследствие тормозящего воздействия
    на индукционные счётчики гармоник
    обратной последовательности.

  • Неправильно срабатывают устройства
    управления и защиты.

  • Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную
кривую напряжения, можно разложить в
ряд Фурье синусоидальных (гармонических)
составляющих, с частотой в n-раз превышающих
частоту сети электроснабжения — частоту
первой гармоники(fn=1=50 Гц, fn=2=100
Гц, fn=3=150 Гц …). В связи с различными
особенностями генерации, распространения
по сетям и влияния на работу оборудования,
различают чётные и нечётные гармонические
составляющие, а также составляющие
прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.),
обратной последовательности (2, 5, 8 и
т.д.) и нулевой последовательности
(гармоники кратные трём). С повышением
частоты (номера гармонической составляющей)
амплитуда гармоники снижается. ГОСТ
13109-97 требует оценивать весь ряд
гармонических составляющих от 2-й до
40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности
напряжения:

  • Аналогично мероприятиям по снижению
    колебаний напряжения.

  • Применение оборудования с улучшенными
    характеристиками:

-«ненасыщающиеся» трансформаторы;

— преобразователи с высокой
пульсностью и т.д.

  • Подключение к мощной системе
    электроснабжения.

  • Питание нелинейной нагрузки от отдельных
    трансформаторов или секций шин.

  • Снижение сопротивления питающего
    участка сети.

Применение фильтрокомпенсирующих
устройств.

L-С
цепочка, включенная в сеть, образует
колебательный контур, реактивное
сопротивление которого для токов
определённой частоты равно нулю.
Подбором величин L и С фильтр
настраивается на частоту гармоники
тока и замыкает её не пропуская в
сеть. Набор таких контуров, специально
настроенных на генери- руемые данной
нелинейной нагрузкой высшие гармоники
тока, и образует фильтрокомпенсирующее
устройство, которое не пропускает в
сеть гармоники тока и компенсирует
протекание реактивной мощности по сети.

Расчёт несимметрии

Обычно целью расчёта несимметрии (перекоса фаз) является разложение несимметричного трёхфазного напряжения на 3 симметричные составляющие: нулевой, прямой и обратной последовательности фаз. Расчёт удобно выполнять на векторной плоскости, изображая напряжение каждой фазы в виде вектора с модулем (величиной) и аргументом (фазой).

Расчёт можно выполнить по результатам измерения фазных и линейных напряжений сети, построив предварительно векторную диаграмму. Определить каждую из симметричных составляющих можно посредством такого сложения векторов напряжённости, при котором сумма векторов двух оставшихся составляющих равна нулю.

Сумма мгновенных значений симметричного трёхфазного напряжения равна нулю. Поэтому сумма 3-х векторов несимметричного фазного напряжения равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности фаз.

При повороте вектора напряжения фазы В против часовой стрелки на 120 градусов, а фазы С — по часовой стрелке на такой же угол, сумма этих векторов и вектора фазы А равна утроенному значению вектора напряжения фазы А прямой последовательности фаз.

Если вектор фазы В повернуть по часовой стрелке, а фазы С — против, то сумма трёх векторов равна утроенному вектору фазы А напряжения обратной последовательности фаз.

ГОСТ 32144-2013 определяет два показателя качества электрической энергии для расчёта несимметрии напряжений трёхфазной сети:

  • K2U — коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (%);
  • K0U — коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности (%).

Литература

Электротехнический справочник / под ред. А. Т. Голована, и др. — 3-е изд. — М—Л. : Госэнергоиздат, 1962. — Т. 1. — С. 140. — 736 с.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации