Когда возникает напряжение смещения нейтрали

Как уже писалось (например, здесь) нейтралью называют общую точку обмоток электрических машин при соединении в схему звезда, при соединении в схему треугольник для получения нейтральной точки можно использовать схему “скользящий треугольник”.

Синонимом понятия “смещение нейтрали” является выражение “перекос фаз”. Оба эти словосочетания используются в лексиконе и профессиональной среде электриков.

В данной статье будем рассматривать смещение нейтрали у нагрузки. Для начала выведем формулу для расчета напряжения смещения нейтрали, для этого нарисуем схему замещения трехфазной сети, где в обычном режиме напряжения фаз представляют собой синусоиды, которые при равномерной нагрузке фаз сдвинуты на 1200 и в любой момент времени их сумма равна 0. В нашем же случае, нагрузка будет неравномерная, что приведет к смещению нейтрали, что можно увидеть по рисунку с векторными диаграммами.

Напряжение смещения нейтрали определяется по следующей формуле:

  • Еа, Ев, Ес — ЭДС источника питания
  • Уа, Ув, Ус — проводимости фаз потребителя, напомним, что проводимость — величина обратная полному сопротивлению, то есть У=1/Z
  • 00’ — эти точки соответствуют нулю нагрузки и нулю генератора (трансформатора), питающего данную нагрузку

Под смещением нейтрали понимают, что между нулевым проводом источника и нагрузки возникает напряжение, а по нулевому проводу течет ток. Но, это в случае, если нулевые провода соединены. Если же нулевой провод источника и нагрузки не соединен, то смещение нейтрали может вызвать нарушение магнитного равновесия в трансформаторе.

Случай 1 — нагрузка однородная равномерная по трем фазам

Идеальный случай (симметричная нагрузка), при котором смещения нейтрали не происходит, сумма напряжений в любой момент времени равна нулю, линейные трех фаз составляют

220В. Под однородностью нагрузки понимается, что она носит либо активный, либо индуктивный, либо емкостной характер по всем трем фазам, как сказали бы электроники — элемент “или”. В нашем примере верным будет утверждение, что Xa=Xb=Xc.

Случай 2 — нагрузка однородная и неравномерная по трем фазам

При данном стечении обстоятельств, происходит смещение нейтрали, которому соответствует отрезок 00’ на рисунке сверху слева, который и создает ток в нулевом проводе. Смещения в ту или иную сторону точки 0’ от точки 0 будет зависеть от характера нагрузки. В данном примере нагрузка однородная, но неравномерная, различающаяся по величине, но не по типу.

Случай 3 — нагрузка по трем фазам разнородная

В случае с разнородной неравномерной нагрузкой нейтральная точка нагрузки (0’) вышла за пределы треугольника. Значения же фазных напряжений на нагрузке превышают это значение на источнике питания в несколько раз. Однако, не следует забывать, что это смещение происходит только на нагрузке, а не на источнике питания.

Неоднородность нагрузки будет влиять на источник питания (трансформатор или генератор), только, если относительно источника эта нагрузка будет велика. В этом случае может произойти нарушение магнитной устойчивости трансформатора.

Следует помнить, чем выше нагрузка, тем большее влияние на систему она может оказывать, аналогично, как большие двигатели серьезнее просаживают напряжение на шинах при перерывах питания на электростанциях.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

1) активная нагрузка — это резисторы. Примером могут служить утюги, лампы накаливания, электрочайники;
2)индуктивная нагрузка — содержащая катушки. Это, например, электродвигатели;
3)реактивная нагрузка — включающая конденсаторы;
4) комплексная нагрузка — включающая в себя содержание всех выше рассмотренных в любых сочетаниях. Это телевизоры, компьютеры, сберегающие лампы. Все, что угодно.
Рассмотрим простейший случай, например, утюг.

Любое активное сопротивление не вносит изменений в форму тока, а значит, изменяется он в такт, если можно так сказать, напряжению. Единственно что надо учесть — это тот факт, что величина тока будет меньше величины напряжения в R раз согласно закона Ома,где R — сопротивление утюга. Примем его сопротивление, к примеру 50Ом. Изменение тока будет выглядеть согласно рис.2а. Несложно зрительно заметить, что ток и напряжение будут иметь нулевые, максимальные, средние значения в одно и тоже время (для этого увеличьте нажатием рис.1 и рис.2а и сравните красные графики для напряжения на рис.1 и для тока на рис.2а), т.е. все меняется синхронно.
А теперь рассмотрим вопрос о смещении нейтрали . Возьмем любую многоэтажку и ее лестничную клетку, содержащую три квартиры. Вполне логично предположить, что каждую квартиру запитают от отдельной фазы. Обозначив нагрузку каждой из квартир как R1, R2, R3 представим упрощенную монтажную и электрическую схемы питания. Это показано в верхней части рис.3.
ВАЖНО! В нейтральном проводе 4-х проводной осветительной магистрали запрещена установка предохранителей или выключателей, т.к. при отключении нейтрального провода фазные напряжения могут стать неровными. В результате в одних фазах(или одной фазе)может наблюдаться недокал, а в других фазах(или одной фазе) — перекал и быстрое перегорание ламп(или бытовой техники) . Это и будет явлением смещения нейтрали . Рассмотрим это явление. Посмотрим на верхнюю часть рис.3. При нормальной работе каждая квартира получает питание от фазы и нуля, а токи со всех трех фаз складываются (по правилу сложения векторов) в общей точке и текут далее по нулевому проводнику. Если мысленно порвать нулевой провод (отсоединить провод N в верхней части рис.3), то квартиры не обесточатся — схема окажется включенной звездой, как двигатель. Однако, у двигателя все три обмотки имеют равные параметры, поэтому в общей точке — нулевой потенциал, как мы рассматривали на рис.1. Но с квартирами такой номер не пройдет. В одной горят лампы и включен холодильник, в другой — домашний кинотеатр и пылесос с заряжающимся телефоном, в третьей, к примеру, — фен и СВЧ-печь. То есть нагрузки-то везде разные. И в общей точке возникнет некоторый потенциал. Его величина определяется специальной формулой, приведенной ниже, где U с индексами — фазные напряжения источника питания(генератора), а Y с индексами — проводимости нагрузок фаз(понятие проводимости в разделе "Про сопротивление". Пример такого рассчета можно найти в разделе . Правда, для этого необходимо быть знакомым с комплексными числами. А здесь мы "на пальцах", т.е. графически, покажем, что произойдет. Посмотрим на рис.4. Для удобства обозначим фазы как А, В и С — по старинке.

Читайте также:  Карта тектоника и полезные ископаемые россии

Линейные напряжения (т.е. напряжения между каждыми из двух фаз попарно) АВ, ВС и АС образуют равносторонний треугольник, где каждая сторона равна 380В. Фазные напряжения (т.е. напряжения между нулем N и любой из трех фаз А,В и С) равны по 220В. При смещении нейтрали точка N может переместиться в любое место треугольника (это как если зацепиться за нее и переместить в произвольное место). Фактически это место зависит, как мы оговаривали, от того, какие потребители, где и в каком количестве включены. Может возникнуть такая ситуация, когда при смещении нейтрали одно из фазных напряжений будет сильно завышено — тогда могут сгореть некоторые включеные приборы. Соответственно, общая нагрузка изменится и это приведет к смещению нейтрали в другую точку и возрастания фазного напряжения в другой квартире. При выходе из строя некоторых потребителей там — снова произойдет ее перерасчет и перемещение. И так до тех пор, пока вся оставшаяся нагрузка не сможет держать то напряжение, которое в итоге всего этого на нее будет подано.

в схеме треугольник:
1)линейные токи генератора I A , I B , I C не равны фазным токам нагрузки I AB , I BC , I AC . А вот линейные напряжения генератора будут равны фазным напряжениям нагрузки. И для генератора и для нагрузки это будут напряжения U AB , U BC , U AC .

Построение векторной диаграммы

Этот пункт данной главы предназначен тем, кто уже ознакомился с разделом "Решение задач", а точнее с задачей №8. Здесь для особо любопытных покажем, как по графику складывать токи(действительные значения)в фазах и считать суммарный ток в нейтральном проводе(его действительную величину). А также расскажем о построении векторной диаграммы токов и напряжений, как это было обещано в задаче №8.
Глядя на рис.6, можно ток в нейтрали и сразу найти, так так он показан коричневой линией. Например, для t = 0,01с он равен 1,47А, а при t = 0,016с составит 5,2А. Однако, надо уметь проверять и вручную.
Поэтому возьмем для примера два разных промежутка времени t = 0,01с и t = 0,016с и найдем для каждого из них значение тока в нейтральном проводе. Имеем при t = 0,01с следующие токи в фазах(см. на график): I A = 1.96A; I B = 0.49A; I C = -0.98A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: I N = 1.96+0.48-0.98=1.47A.
Для t = 0,016с имеем: I A = -2,45A; I B = 5,2A; I C = 2,45A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: I N = -2,45+5,2+2,45=5,2A.
Теперь о векторной диаграмме. Берем произвольную точку N. Рисуем вертикальную ось действительных значений и горизонтальную ось мнимых значений, обозначенную как j. Откладываем по вертикальной оси в выбранном масштабе значение фазного напряжения фазы А. Если масштаб 1Вольт/мм, значит длиною 127мм. Далее с разносом в 120градусов в обе стороны откладываем два других фазных напряжения той же длины. Соединяем все вершины и получаем треугольник, идентичный на рис.4. Его стороны будут являться междуфазными, т.е. линейными напряжениями. Токи в каждой из фаз также строятся с учетом масштаба. Угол между напряжением и током откладывается согласно полученного значения. Например, мы получили

Читайте также:  Как сделать гриву лошадке из ниток

Откладываем по транспортиру угол величиною в -53градуса вправо от отрезка U фА . А величина I фА при масштабе 1А/см будет 2,5см. Для фазы В мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение U фВ уже имеет угол -120градусов. Поэтому откладываем от отрезка U фВ недостающие 53градуса(173-120)вправо и обозначаем на диаграмме как угол фВ. Для фазы С мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение U фС уже имеет угол 120градусов. Поэтому откладываем от отрезка U фС недостающие 36градусов(156-120)влево и обозначаем на диаграмме как угол фС. В заключение необходимо правильно построить ток нейтрали. Для этого необходимо сложить все токи по правилу сложения векторов. Для этого переносим параллельно вправо длину отрезка, изображающего ток I фВ (он красный) и "присоединяем" его к концу отрезка, изображающего ток I фА . Затем также переносим вниз отрезок тока I фС (тоже сделаем его красным)и "присоединяем" его к концу красного отрезка, изображающего ток I фВ . Соединяем точку N и конец последнего отрезка. Полученный синий отрезок будет током нейтрали, а его длина будет равна действительному значению тока нейтрали с учетом выбранного масштаба. Все, как говорится, просто и элементарно.

Узловое напряжение между нулевыми точками п и N в трехфазной цепи называется смещением нейтрали UnN. Согласно этому определению смещение нейтрали имеет смысл лишь при соединении источника и приемника в звезду. Пользуясь рис. 5.4, а, мы можем записать двояко:

1) по второму закону Кирхгофа

откуда

2) по методу двух узлов (см. п. 2.3.4):

Исходя из (5-8), в схеме по рис. 5.4, a U_nN =0 в двух случаях:

  • а) когда ключ К замкнут (четырехпроводная цепь, в которой все провода, в том числе нулевой провод, обладают нулевым сопротивлением, т.е. Znp = 0), поскольку при этом независимо от характера и симметрии нагрузки и А = ua, UB = Ub, ис = ис ввиду того, что ZnN = 0 YnN = 1 / ZnN =1/0 = °°;
  • б) когда ключ К разомкнут (YmV= 0), но нагрузка симметрична (Yn =Yb = = Yc = У), поскольку при этом, согласно (5-3), U_A +ILB+U_c = 0-
Читайте также:  Как создать обложку для альбома

При несимметричной нагрузке трехфазной цепи с соединением нагрузки в звезду с недоступной нулевой точкой U_nN ф 0.

1. Напомнив, что в трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду Y линейные токи равны фазным (формула (5-4)), обратим внимание на то, что для источника питания по рис. 5.4, 6 очевидны следующие соотношения:

Решив совместно эти равенства, будем иметь где, согласно (5-3),

2. Рассуждая аналогично относительно приемника, соединенного в Y, получим

где

Для симметричной трехфазной цепи с нагрузкой индуктивного характера, соединенной в звезду с нулевым проводом (см. рис. 5.4, а, ключ К замкнут), полярная и топографическая диаграммы первого рода, построенные в комплексной плоскости, выглядят, как показано на рис. 5.5, а и б соответственно.

При построении полярной векторной диаграммы сначала отложили векторы фазных напряжений источника питания U_A>U_B>U_c> согласно (5-3), относительно которых под углами ср отложили векторы фазных (в данном случае и линейных) токов /я,/^,/с. Затем, руководствуясь (5-9), построили векторы линейных напряжений U_AB,U_BC,U_CA. Поскольку фазные и линейные напряжения и токи источника равны соответствующим напряжениям и токам приемника (см. рис. 5.4), то полярная векторная диаграмма приемника совпадает с полярной векторной диаграммой источника, что показано на рис. 5.5, а.

На рис. 5.5, б изображена та же векторная диаграмма, но топографическаякоторая строилась в той же последовательности, что и полярная. Совпадения векторных диаграмм напряжений источника и приемника здесь показано совмещением обозначений выводов первого со вторыми (А(а), В(Ь), С (с)), а токов — нулевых точек (я, N).

Полярная и топографическая векторные диаграммы для симметричной трехфазной цепи с нагрузкой индуктивного характера, соединенной в звезду без нулевого провода (см. рис. 5.4, а, ключ К разомкнут), на комплексной плоскости будут в точности повторять рис. 5.5, а и б, поскольку в этом случае смещение нейтрали UnN = 0.

Топографическая векторная диаграмма для несимметричной трехфазной цепи с нагрузкой индуктивного характера, соединенной в звезду без нулевого провода (см. рис. 5.4, а, ключ К разомкнут), на комплексной плоскости представлена на рис. 5.5, в. Здесь векторы линейных напряжений источника и приемника совпадают и образуют два совмещенных равносторонних треугольника, поскольку потенциалы фл = , фя = фЛ, фс = фс.

Нейтральная точка источника питания N, как и прежде, будет находиться в центре тяжести этих треугольников. Для построения же векторов фазных напряжений нагрузки следует сначала определить смещение нейтрали UnN по формуле (5-8), в которой YnN = 0, поскольку нулевой провод оборван (ZnN = оо), и по нему найти «местоположение» нулевой точки п, после чего из этой точки провести векторы в точки а(А), Ь(В) и с(С). В результате получим векторы фазных напряжений приемника, поскольку U_a =U_na, U_b = Цпь> Нс =Н-пс- После этого изображают векторы фазных токов приемника la,lb’L относительно векторов фазных напряжений На’Нв’Нс- О ни > как показано на рис. 5.5, в, разные но величинам и отстают от соответствующих фазных напряжений на различные углы (во избежание затемнения на рис. 5.5, в углы не обозначены).

Из векторных диаграмм по рис. 5.5, а и 6 нетрудно вывести соотношение между линейными и фазными напряжениями симметричного приемника, соединенного в звезду. Так, из треугольника пОЬ (см. рис. 5.5, а), очевидно, что cos пЬО = ОЬ / пЬ = cos 30° = Ubc / 2 Ub, откуда Ubc = 2 Ub cos 30° = = 2Ub-j3 / 2 = l3Ub. Учитывая, что Ubc = илу, a Ub = ифГ, получим

т.е. линейное напряжение симметричной трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду больше фазного в V3 раз (или фазное напряжение меньше линейного в л/3 раз). То же самое можно установить из треугольника anb (см. рис. 5.5, б).

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector