الدوائر الكهربائية ثلاثية الطور - التاريخ والجهاز وخصائص حسابات الجهد والتيار والطاقة

قصة تاريخية موجزة

تاريخيا ، أول من وصف ظاهرة المجال المغناطيسي الدوار نيكولا تيسلا، ويعتبر تاريخ هذا الاكتشاف هو 12 أكتوبر 1887 ، وهو الوقت الذي قدم فيه العلماء طلبات براءات الاختراع المتعلقة بالمحرك التعريفي وتكنولوجيا نقل الطاقة. في 1 مايو 1888 ، في الولايات المتحدة ، حصل تسلا على براءات اختراعه الرئيسية - لاختراع الآلات الكهربائية متعددة الأطوار (بما في ذلك المحرك الكهربائي غير المتزامن) وأنظمة نقل الطاقة الكهربائية عن طريق التيار المتردد متعدد الأطوار.

كان جوهر نهج Tesla المبتكر لهذه المسألة هو اقتراحه لبناء سلسلة كاملة من توليد الكهرباء ونقلها وتوزيعها واستخدامها كنظام تيار متناوب أحادي متعدد المراحل ، بما في ذلك المولد وخط النقل ومحرك التيار المتردد ، والذي أطلق عليه تسلا بعد ذلك " تعريفي"...

في القارة الأوروبية ، بالتوازي مع النشاط الابتكاري لشركة Tesla ، تم حل مشكلة مماثلة بواسطة Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky ، الذي كان عمله يهدف إلى تحسين طريقة استخدام الكهرباء على نطاق واسع.

استنادًا إلى تقنية التيار ثنائي الطور لنيكولا تيسلا ، طور ميخائيل أوسيبوفيتش بشكل مستقل نظامًا كهربائيًا ثلاثي الطور (كحالة خاصة لنظام متعدد الأطوار) ومحرك كهربائي غير متزامن بتصميم مثالي - مع دوار "قفص السنجاب". سيحصل ميخائيل أوسيبوفيتش على براءة اختراع للمحرك في 8 مارس 1889 في ألمانيا.

شبكة ثلاثية الطور من خلال Dolivo-Dobrovolski مبني على نفس مبدأ Tesla: مولد ثلاثي الطور يحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء ، يتم تغذية EMF المتماثل للمستهلكين من خلال خط الطاقة ، في حين أن المستهلكين هم محركات ثلاثية الطور أو أحمال أحادية الطور (مثل المصابيح المتوهجة) .

لا تزال دوائر التيار المتردد ثلاثية الطور تستخدم لتوليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية. تتكون هذه الدوائر ، كما يوحي اسمها ، من كل دائرة من ثلاث دوائر كهربائية فرعية ، تعمل كل منها EMF جيبية. يتم إنشاء هذه المجالات الكهرومغناطيسية من مصدر مشترك ، ولها سعة متساوية ، وترددات متساوية ، ولكنها خارجة عن الطور مع بعضها البعض بمقدار 120 درجة أو 2/3 بي (ثلث الفترة).

تسمى كل دائرة من الدوائر الثلاث لنظام ثلاثي الطور بالمرحلة: المرحلة الأولى - المرحلة "أ" ، المرحلة الثانية - المرحلة "ب" ، المرحلة الثالثة - المرحلة "ج".

تتم الإشارة إلى بداية هذه المراحل بالحروف A و B و C على التوالي ، ونهايات المراحل بواسطة X و Y و Z.هذه الأنظمة اقتصادية مقارنة بمرحلة واحدة ؛ إمكانية الحصول ببساطة على مجال مغناطيسي دوار للجزء الثابت للمحرك ، ووجود جهدين للاختيار من بينها - الخطي والمرحلة.

مولد ثلاثي الطور ومحركات غير متزامنة

لذا، مولد ثلاثي الطور هي آلة كهربائية متزامنة مصممة لإنشاء ثلاث وحدات emfs متناسقة 120 درجة خارج الطور (في الواقع ، في الوقت المناسب) فيما يتعلق ببعضها البعض.

لهذا الغرض ، يتم تثبيت لف من ثلاث مراحل على الجزء الثابت للمولد ، حيث تتكون كل مرحلة من عدة لفات ، ويتم تدوير المحور المغناطيسي لكل «طور» من لف الجزء الثابت فعليًا في الفضاء بمقدار ثلث أ دائرة بالنسبة إلى المرحلتين الأخريين.

يسمح هذا الترتيب للملفات بالحصول على نظام EMF ثلاثي الطور أثناء دوران الدوار. الدوار هنا عبارة عن مغناطيس كهربائي دائم متحمس بتيار ملف المجال الموجود عليه.

يقوم التوربين الموجود في محطة توليد الطاقة بتدوير الجزء المتحرك بسرعة ثابتة ، ويدور معه المجال المغناطيسي للعضو الدوار ، وتعبر خطوط المجال المغناطيسي أسلاك لفات الجزء الثابت ، ونتيجة لذلك ، نظام من EMF الجيبية المستحثة بنفس التردد يتم الحصول على (50 هرتز) ، وتحويل أحد الأقارب إلى الآخر بمرور الوقت بمقدار ثلث الفترة.

يتم تحديد سعة المجال الكهرومغناطيسي عن طريق تحريض المجال المغناطيسي للدوار وعدد الدورات في لف الجزء الثابت ، ويتم تحديد التردد بالسرعة الزاوية لدوران الدوار. إذا أخذنا المرحلة الأولية من الملف A تساوي الصفر ، فعندئذٍ بالنسبة إلى EMF المتماثل ثلاثي الطور ، يمكنك الكتابة في شكل وظائف مثلثية (المرحلة بالراديان والدرجات):

بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن تسجيل القيم الفعالة لـ EMF في شكل معقد ، وكذلك عرض مجموعة من القيم اللحظية في شكل رسومي (انظر الشكل 2):

تعكس المخططات المتجهة الإزاحة المتبادلة لمراحل المجالات الكهرومغناطيسية الثلاثة للنظام ، واعتمادًا على اتجاه دوران دوار المولد ، سيختلف اتجاه دوران الطور (للأمام أو للخلف). وفقًا لذلك ، سيكون اتجاه دوران الدوار للمحرك غير المتزامن المتصل بالشبكة مختلفًا:

إذا لم تكن هناك احتياطيات إضافية ، فإن التناوب المباشر لـ EMF في مراحل الدائرة ثلاثية الطور يعني ضمنيًا. يظهر في الشكل تحديد بدايات ونهايات لفائف المولد - المراحل المقابلة ، وكذلك اتجاه EMF الذي يعمل فيها ، (الرسم التخطيطي المكافئ على اليمين):

مخططات توصيل حمولة ثلاثية الطور - "نجمة" و "دلتا"

لتزويد الحمل من خلال ثلاثة أسلاك لشبكة ثلاثية الطور ، يتم توصيل كل مرحلة من المراحل الثلاث على أي حال وفقًا للمستهلك أو وفقًا لمرحلة المستهلك ثلاثي الطور (ما يسمى بمستقبل الكهرباء).

يمكن تمثيل مصدر ثلاثي الطور بدائرة مكافئة من ثلاثة مصادر مثالية لـ EMF التوافقي المتماثل. يتم تمثيل المستقبلات المثالية هنا بثلاث ممانعات معقدة Z ، يتم تغذية كل منها بمرحلة مقابلة من المصدر:

من أجل الوضوح ، يوضح الشكل ثلاث دوائر غير متصلة كهربائيًا ببعضها البعض ، ولكن من الناحية العملية لا يتم استخدام مثل هذا الاتصال. في الواقع ، تحتوي المراحل الثلاث على توصيلات كهربائية بينها.

ترتبط مراحل المصادر ثلاثية الطور والمستهلكين من ثلاث مراحل ببعضها البعض بطرق مختلفة ، وغالبًا ما يتم العثور على أحد المخططين - "دلتا" أو "نجمة".

يمكن ربط مراحل المصدر ومراحل المستهلك ببعضها البعض في مجموعات مختلفة: المصدر متصل بالنجوم والمستقبل متصل بنجمة ، أو المصدر متصل بالنجوم والمستقبل متصل دلتا.

غالبًا ما تستخدم هذه المجموعات من المركبات في الممارسة العملية. يشير مخطط «النجم» إلى وجود نقطة مشتركة واحدة في «الأطوار» الثلاث للمولد أو المحول ، وتسمى هذه النقطة المشتركة محايد المصدر (أو محايد المستقبل ، إذا تحدثنا عن «النجمة»). «من المستهلك).

تسمى الأسلاك التي تربط المصدر والمستقبل بأسلاك الخط ، فهي تربط أطراف لفات المولد ومراحل الاستقبال. يُطلق على السلك الذي يربط بين المصدر المحايد والمستقبل المحايد سلكًا محايدًا ... تشكل كل مرحلة نوعًا من الدائرة الكهربائية الفردية ، حيث يتم توصيل كل من المستقبلات بمصدرها بواسطة زوج من الأسلاك - خط واحد وواحد محايد.

عندما يتم توصيل نهاية إحدى مراحل المصدر ببداية مرحلته الثانية ، ونهاية المرحلة الثانية ببداية المرحلة الثالثة ، ونهاية المرحلة الثالثة ببداية المرحلة الأولى ، فإن هذا الاتصال لمراحل الإخراج يسمى "المثلث". ثلاثة أسلاك استقبال متصلة بطريقة متشابهة مع بعضها البعض تشكل أيضًا دائرة «مثلث» ، وتتصل رؤوس هذه المثلثات ببعضها البعض.

تشكل كل مرحلة مصدر في هذه الدائرة دائرتها الكهربائية الخاصة مع المستقبل ، حيث يتم تشكيل الاتصال بواسطة سلكين. لمثل هذا الاتصال ، تتم كتابة أسماء مراحل المستقبل بحرفين وفقًا للأسلاك: ab ، ac ، ca. يشار إلى مؤشرات معلمات الطور بنفس الأحرف: المقاومات المعقدة Zab ، Zac ، Zca .

جهد الطور والخط

يحتوي المصدر ، الذي يتم توصيل لفه وفقًا لمخطط "النجم" ، على نظامين من الفولتية ثلاثية الطور: الطور والخط.

جهد الطور - بين موصل الخط والصفر (بين نهاية وبداية إحدى المراحل).

جهد الخط - بين بداية المراحل أو بين موصلات الخط. هنا ، يُفترض أن يكون الاتجاه من نقطة الدائرة ذات الجهد العالي إلى نقطة الجهد المنخفض هو الاتجاه الإيجابي للجهد.

نظرًا لأن المقاومة الداخلية لملفات المولد صغيرة جدًا ، يتم إهمالها عادةً ، وتعتبر جهود الطور مساوية لمرحلة EMF ، لذلك ، في المخططات المتجهة ، يُشار إلى الجهد و EMF بنفس المتجهات :

بأخذ إمكانات النقطة المحايدة على أنها صفر ، نجد أن إمكانات الطور ستكون متطابقة مع جهد طور المصدر وخط الفولتية لاختلافات جهد الطور. سيبدو مخطط المتجه بالصورة أعلاه.

تتوافق كل نقطة في مثل هذا الرسم البياني مع نقطة معينة على دائرة ثلاثية الطور ، وبالتالي فإن المتجه المرسوم بين نقطتين على الرسم التخطيطي سيشير إلى الجهد (حجمه وطوره) بين النقطتين المتناظرتين على الدائرة التي من أجلها تم إنشاء الرسم التخطيطي.

نظرًا لتماثل جهد الطور ، فإن جهد الخط متماثل أيضًا. يمكن ملاحظة ذلك في الرسم البياني المتجه. تتحرك نواقل إجهاد الخط فقط بين 120 درجة. ويمكن إيجاد العلاقة بين الطور والجهد الخطي بسهولة من مثلث الرسم البياني: خطي إلى جذر ثلاثة أضعاف الطور.

بالمناسبة ، بالنسبة للدوائر ثلاثية الطور ، يتم دائمًا ضبط الفولتية الخطية ، لأنه فقط مع إدخال المحايد سيكون من الممكن التحدث عن جهد الطور أيضًا.

حسابات "النجمة"

يوضح الشكل أدناه الدائرة المكافئة للمستقبل ، والتي يتم توصيل أطوارها بواسطة «نجمة» ، متصلة من خلال موصلات خط الطاقة بمصدر متماثل ، تتم الإشارة إلى مخرجاته بالحروف المقابلة. عند حساب الدوائر ثلاثية الطور ، يتم حل مهام إيجاد التيارات الخطية والمرحلة عندما تكون مقاومة أطوار المستقبل وجهد المصدر معروفة.

تسمى التيارات في الموصلات الخطية التيارات الخطية ، واتجاهها الإيجابي - من المصدر إلى المستقبل. التيارات في مراحل المستقبل هي تيارات طور ، اتجاهها الإيجابي - من بداية المرحلة - حتى نهايتها ، مثل اتجاه طور EMF.

عندما يتم تجميع جهاز الاستقبال في مخطط "النجمة" ، يوجد تيار في السلك المحايد ، يتم أخذ اتجاهه الإيجابي - من المستقبل - إلى المصدر ، كما في الشكل أدناه.

إذا أخذنا في الاعتبار ، على سبيل المثال ، دائرة تحميل غير متناظرة من أربعة أسلاك ، فإن الفولتية الطورية للحوض ، في وجود سلك محايد ، ستكون مساوية لجهود المرحلة للمصدر. التيارات في كل مرحلة وفقًا لقانون أوم... وسيسمح لك قانون Kirchhoff الأول بإيجاد قيمة التيار في المحايد (عند النقطة المحايدة n في الشكل أعلاه):

بعد ذلك ، ضع في اعتبارك الرسم البياني المتجه لهذه الدائرة. إنه يعكس الفولتية الخطية والمرحلة ، كما يتم رسم تيارات الطور غير المتماثل ، كما هو موضح باللون والتيار في السلك المحايد. يتم رسم تيار الموصل المحايد كمجموع لمتجهات الطور الحالية.

الآن دع حمل الطور يكون متماثلًا ونشطًا حثيًا بطبيعته. لننشئ مخططًا متجهًا للتيارات والجهد ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن التيار يتخلف عن الجهد بزاوية فاي:

سيكون التيار في السلك المحايد صفرًا. هذا يعني أنه عند توصيل جهاز استقبال متوازن بنجمة ، لا يكون للسلك المحايد أي تأثير ويمكن إزالته بشكل عام. لا حاجة لأربعة أسلاك ، يكفي ثلاثة.

موصل محايد في دائرة تيار ثلاثية الطور

عندما يكون السلك المحايد طويلًا بدرجة كافية ، فإنه يوفر مقاومة ملحوظة لتدفق التيار. سنعكس هذا في الرسم البياني بإضافة المقاوم Zn.

يخلق التيار في السلك المحايد انخفاضًا في الجهد عبر المقاومة ، مما يؤدي إلى تشويه الجهد في مقاومات الطور للمستقبل. يقودنا قانون كيرشوف الثاني لدائرة الطور A إلى المعادلة التالية ، ثم نجد بالقياس الفولتية للمرحلتين B و C:

على الرغم من أن مراحل المصدر متناظرة ، إلا أن الفولتية طور المستقبِل غير متوازنة. ووفقًا لطريقة الإمكانات العقدية ، فإن الجهد بين النقاط المحايدة للمصدر والمستقبل سيكون متساويًا (EMF للمراحل تساوي جهد الطور):

في بعض الأحيان ، عندما تكون مقاومة الموصل المحايد صغيرة جدًا ، يمكن افتراض أن موصليةها غير محدودة ، مما يعني أن الجهد بين النقاط المحايدة لدائرة ثلاثية الطور يعتبر صفرًا.

بهذه الطريقة ، لا يتم تشويه الفولتية الطور المتماثل للمستقبل. التيار في كل مرحلة والتيار في الموصل المحايد هما قانون أوم أو وفقًا لقانون كيرشوف الأول:

يمتلك جهاز الاستقبال المتوازن نفس المقاومة في كل مرحلة من مراحلها.الجهد بين النقاط المحايدة هو صفر ، ومجموع جهد الطور هو صفر والتيار في الموصل المحايد صفر.

وبالتالي ، بالنسبة لجهاز الاستقبال المتوازن المتصل بالنجوم ، فإن وجود المحايد لا يؤثر على تشغيله. لكن العلاقة بين جهد الخط والطور تظل صالحة:

سيكون للمستقبل غير المتوازن المتصل بالنجوم ، في حالة عدم وجود سلك محايد ، أقصى جهد تحيز محايد (التوصيل المحايد هو صفر ، والمقاومة لا نهائية):

في هذه الحالة ، يكون تشويه الفولتية في طور المستقبِل أيضًا بحد أقصى. يعكس الرسم البياني المتجه لجهود المرحلة للمصدر مع بناء الجهد المحايد هذه الحقيقة:

من الواضح ، مع حدوث تغيير في حجم أو طبيعة مقاومات المستقبل ، فإن قيمة جهد التحيز المحايد تختلف في أوسع نطاق ، ويمكن أن توجد النقطة المحايدة للمستقبل على الرسم البياني المتجه في العديد من الأماكن المختلفة. في هذه الحالة ، ستختلف جهود طور جهاز الاستقبال بشكل كبير.

الإخراج: يسمح الحمل المتماثل بإزالة السلك المحايد دون التأثير على جهد الطور لجهاز الاستقبال ؛ يؤدي التحميل غير المتماثل عن طريق إزالة السلك المحايد على الفور إلى القضاء على الاقتران الصلب بين جهد المستقبِل وجهود طور المولد - الآن فقط جهد خط المولد يؤثر على جهد الحمل.

يؤدي الحمل غير المتوازن إلى عدم توازن جهود الطور عليه وإلى إزاحة النقطة المحايدة بعيدًا عن مركز مثلث الرسم البياني المتجه.

لذلك ، فإن الموصل المحايد ضروري لموازنة الفولتية الطورية للمستقبل في ظروف عدم تناسقه أو عندما يكون متصلاً بكل مرحلة من مراحل المستقبلات أحادية الطور المصممة للطور بدلاً من جهد الخط.

للسبب نفسه ، من المستحيل تثبيت فتيل في دائرة السلك المحايد ، لأنه في حالة حدوث كسر في السلك المحايد عند أحمال الطور ، سيكون هناك ميل إلى الجهد الزائد الخطير.

حسابات «المثلث»

الآن دعنا نفكر في توصيل مراحل جهاز الاستقبال وفقًا لمخطط "دلتا". يوضح الشكل أطراف المصدر ولا يوجد سلك محايد ولا يوجد مكان لتوصيله. عادةً ما تكون المهمة مع مخطط التوصيل هذا هي حساب تيارات الطور والخط بمصدر جهد معروف ومقاومات طور الحمل.

الفولتية بين موصلات الخط هي جهود المرحلة عندما يكون الحمل متصلاً بالدلتا. باستثناء مقاومة موصلات الخط ، فإن الفولتية بين المصادر والخط تعادل الفولتية من الخط إلى الخط لمراحل المستهلك. يتم إغلاق تيارات المرحلة بواسطة مقاومات الحمل المعقدة والأسلاك.

بالنسبة للاتجاه الإيجابي لتيار الطور ، يتم أخذ الاتجاه المقابل لجهود الطور ، من البداية - إلى نهاية المرحلة ، وللتيارات الخطية - من المصدر إلى الحوض. تم العثور على التيارات في مراحل التحميل وفقًا لقانون أوم:

تكمن خصوصية "المثلث" ، على عكس النجم ، في أن تيارات الطور هنا لا تساوي التيارات الخطية. يمكن استخدام تيارات الطور لحساب التيارات الخطية باستخدام قانون كيرشوف الأول للعقد (لرؤوس المثلث).وبجمع المعادلات ، نحصل على أن مجموع معقدات التيارات الخطية يساوي صفرًا في المثلث ، بغض النظر عن تماثل الحمل أو عدم تماثله:

في الحمل المتماثل ، يُنشئ الخط (في هذه الحالة مساويًا للمراحل) نظامًا من التيارات المتماثلة في مراحل الحمل. تتساوى تيارات الطور في الحجم ، ولكنها تختلف فقط في الطور بمقدار ثلث الفترة ، أي بمقدار 120 درجة. تتساوى التيارات الخطية أيضًا في الحجم ، وتكون الاختلافات في المراحل فقط ، وهو ما ينعكس في الرسم البياني المتجه:

لنفترض أن الرسم البياني مبني لحمل متماثل من الطبيعة الاستقرائية ، فإن تيارات الطور تتأخر بالنسبة لجهود الطور بزاوية معينة فاي. تتشكل التيارات الخطية باختلاف التيارات ثنائية الطور (لأن اتصال الحمل هو «دلتا») وتكون متناظرة في نفس الوقت.

بعد النظر إلى المثلثات في الرسم التخطيطي ، يمكننا أن نرى بسهولة أن العلاقة بين تيار الطور والخط هي:

أي ، مع الحمل المتماثل المتصل وفقًا لمخطط "دلتا" ، تكون القيمة الفعالة لتيار الطور أصغر بثلاث مرات من القيمة الفعالة لتيار الخط. في ظل ظروف تناظر "المثلث" ، يتم تقليل حساب المراحل الثلاث إلى حساب مرحلة واحدة. إن الفولتية الخطية والمرحلة متساوية مع بعضها البعض ، تم العثور على تيار الطور وفقًا لقانون أوم ، تيار الخط أعلى بثلاث مرات من تيار الطور.

يشير الحمل غير المتوازن إلى اختلاف في المقاومة المعقدة ، وهو أمر نموذجي لتغذية مستقبلات أحادية الطور مختلفة من نفس الشبكة ثلاثية الطور. هنا ستختلف تيارات الطور وزوايا الطور والقوة على مراحل.

يجب أن يكون هناك حمل نشط بحت (ab) في إحدى الطور ، وحمل استقرائي نشط (bc) في المرحلة الأخرى ، وحمل نشط بالسعة (ca) في المرحلة الثالثة. ثم سيبدو مخطط المتجه مشابهًا للرسم الموضح في الشكل:

تيارات المرحلة ليست متناظرة ولإيجاد التيارات الخطية ، سيتعين عليك اللجوء إلى الإنشاءات الرسومية أو معادلات ذروة القانون الأولى لكيرشوف.

من السمات المميزة لدائرة مستقبل «دلتا» أنه عندما تتغير المقاومة في إحدى المراحل الثلاث ، فإن شروط المرحلتين الأخريين لن تتغير ، لأن الفولتية الخطية لن تتغير بأي شكل من الأشكال. فقط التيار في مرحلة واحدة محددة والتيارات في أسلاك النقل التي يتصل بها هذا الحمل سوف تتغير.

فيما يتعلق بهذه الخاصية ، عادة ما يتم البحث عن مخطط توصيل الحمل ثلاثي الطور وفقًا لمخطط «دلتا» لتوفير حمولة غير متوازنة.

في سياق حساب الحمل غير المتماثل في مخطط "دلتا" ، فإن أول شيء يجب فعله هو حساب تيارات الطور ، ثم تحولات الطور ، وبعد ذلك فقط إيجاد تيارات الخط وفقًا للمعادلات وفقًا لقانون كيرشوف الأول أو نلجأ إلى الرسم البياني المتجه.

ثلاث مراحل امدادات الطاقة

تتميز الدائرة ثلاثية الطور ، مثل أي دائرة تيار متردد ، بالقوة الكلية والنشطة والمتفاعلة. لذا ، فإن القوة النشطة للحمل غير المتوازن تساوي مجموع ثلاثة مكونات نشطة:

القوة التفاعلية هي مجموع القوى التفاعلية في كل مرحلة:

بالنسبة إلى "المثلث" ، يتم استبدال قيم المرحلة ، مثل:

يتم حساب القوة الظاهرة لكل مرحلة من المراحل الثلاث على النحو التالي:

القوة الظاهرة لكل جهاز استقبال ثلاثي الطور:

للحصول على مستقبل متوازن ثلاثي الطور:

بالنسبة لجهاز استقبال النجوم المتوازن:

بالنسبة إلى "المثلث" المتماثل:

هذا يعني لكل من "النجمة" و "المثلث":

قوى نشطة ، تفاعلية ، ظاهرة - لكل دائرة استقبال متوازنة: