Обратите внимание

Вопрос 21

/ Теория / ТОЭ / Лекция №15. Электрические фильтры

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропусканияили полосой прозрачности;диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затуханияили полосой задерживания.Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений ( ), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ( ).

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация фильтров

Название фильтра	Диапазон пропускаемых частот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)	и , где

В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением

. .

(1)

В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности) , т.е. в соответствии с (1) , и . Следовательно, справедливо и равенство , которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре, а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае , т.е. и .

Вопрос 22-23

Обратите внимание

Для начала следует выяснить, в чем разница звезды и треугольника. Если подойти к подобному вопросу с точки зрения электротехники, то первый вариант дает возможность двигателю работать более плавно и мягко. Но есть один момент: двигатель не сможет выйти на полную мощность, которая представлена в характеристиках технического плана.

Подключение звездой

Соединение звездой заключается в том, что концы всех 3 обмоток воссоединяются в общую точку под названием нейтраль. Если в наличии имеется нейтральный провод, то такая схема считается четырехпроводной, при его отсутствии — она трехпроводная. При соединении приемников энергии звездой трехфазная система может быть четырехпроводной (осветительная нагрузка) или трехпроводной (силовая нагрузка).

Начало у выводов закрепляется к определенным фазам сети питания. Напряжение, которое приложено к этим фазам, равняется 380 вольтам или 660 вольтам. К основным плюсам такой схемы следует отнести:

Безостановочная работа двигателя на протяжении длительного времени и с устойчивостью.
Благодаря понижению мощности оборудования повышаются надежность и время эксплуатации для схемы звезда.
Пуск привода электрического типа благодаря такому соединению обладает повышенной плавностью.
Есть возможность для влияния на параметры кратковременной перегрузкой.
При работе корпус у оборудования не станет доступен для перегрева.

Схема треугольником

Вместо схемы звезда можно использовать соединение треугольником, суть которого в соединении концов и начал обмоток последовательным образом. Конец у обмотки фазы С замыкает цепь и создает целый контур. За счет такой формы получающаяся схема будет более эргономичной.

На каждой из обмоток имеется линейное напряжение 220 или 380 вольт. Из основных достоинств схемы имеются:

Мощность электрических двигателей достигает наивысшего значения.
Применение соответствующего реостата для более плавного пуска.
Значительно увеличенный момент вращения.
Высокие показатели тяговых усилий.

Подключение звезда и треугольник — в чем разница

Для работы электрического прибора, двигателя, трансформатора в трехфазной сети необходимо соединить обмотки по определенной схеме. Наиболее распространенными схемами соединения являются треугольник и звезда, хотя могут применяться и другие способы соединения.

Рассмотрим схему соединения треугольником.

При соединении приемников энергии треугольником каждая фаза приемника присоединяется к линейным проводам, т. е. включается на линейное напряжение, которое одновременно будет и фазным напряжением приемника: U_ab = U_a, U_bc = U_b, Uc_a = U_c. Таким образом, изменение сопротивления фаз не влияет на фазные напряжения.

СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА ЗВЕЗДОЙ

При соединении звездой к началам обмоток генератора А , В, С присоединяются линейные провода. Концы обмоток X, У, Z соединяются в узел, называемый нейтралью генератора, или нулевой точкой. К этой точке присоединяется нейтральный провод.

Рассмотрим схему соединения звездой

- фазные напряжения (напряжения между началом и концом соответствующей фазы);

- фазные токи - токи в фазах приемника;

- линейные напряжения (напряжения между началами двух соседних фаз);

- линейные токи - токи в линиях.

Вопрос 24

Трехфазная цепь с нейтральным проводом будет четырехпроводной, без нейтрального провода – трехпроводной.

Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380 В — для питания электродвигателей и 220 В — для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) применяют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи I_A, I_B, I_C и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах потребителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток I₀, называемый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трехфазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой».

Нулевой (нейтральный) провод необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки, когда сопротивления этих фаз различны. Благодаря нейтральному проводу, каждая фаза нагрузки оказывается включенной на фазное напряжение генератора, которое практически не зависит от величины тока нагрузки, так как внутреннее падение напряжения в фазе генератора незначительно. Поэтому напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически неизменным при изменениях нагрузки.

Если в линии электропередачи действуют одновременно три переменных э. д. с, колебания которых сдвинуты друг по отношению к другу по фазе на угол 120°, то такую линию электропередачи называют трехфазной, а электрический ток - трехфазным.

Для получения трехфазного тока в синхронном генераторе размещают три обмотки 1, 2 и 3, плоскости которых повернуты друг по отношению к другу на угол 120°. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в обмотках при вращении ротора индуцируются переменные э. д. с. с одинаковыми частотами, но с фазами, сдвинутыми друг по отношению к другу на угол 120°.

В электротехнике термин фаза имеет два значения: понятие, характеризующее стадию периодического процесса, и наименование однофазных цепей, образующих многофазную систему.

В трехфазных системах токи (напряжения) фаз сдвинуты на одну треть периода, т.е. на 120°.

При вращении магнита в обмотках индуктируются ЭДС, сдвинутые во времени на 120°.

Ниже приведены выражения для ЭДС фаз А, В, С и их векторная диаграмма:

Вопрос25

Измерение электрической мощности и энергии

Мощность в электрических цепях измеряют ваттметром. Обычно для этого применяют электродинамический ваттметр. Ваттметр содержит две обмотки: токовую и напряжения, начала которых обозначаются точкой или звездочкой (рис. 11.25). Токовая обмотка 1 изготовляется из толстого провода и обладает малым внутренним сопротивлением (как амперметр), обмотка напряжения 2, напротив, содержит большое количество витков из тонкого провода и имеет большое внутреннее сопротивление (как у вольтметра).

В цепи переменного тока для измерения активной мощности ваттметр включают по схеме, изображенной на рис. 11.25. Ваттметр будет показывать активную мощность Р = UI cos ср, где (р — разность фаз между фазами напряжения и тока.

Рис. 11.25. Схема включения ваттметра:

1 — токовая обмотка; 2 — обмотка напряжения

В трехфазных цепях активную мощность измеряют по методам трех и двух ваттметров. Активная мощность Р трехфазной цепи с нулевым проводом определяется суммой показаний всех трех ваттметров (рис. 11.26): Р = P_wl + P_t2 + P_w3. При использовании метода двух ваттметров (рис. 11.27) активная мощность находится как алгебраическая сумма показаний ваттметров: Р = Р_ы + Р_г1. При измерении двумя ваттметрами некоторые показания могут быть отрицательными.

Рис. 11.26. Схема измерения активной мощности по методу трех ваттметров

Оба метода измерения активной мощности применимы в симметричных и несимметричных трехфазных цепях.

Реактивная мощность при симметричной нагрузке может быть измерена двумя ваттметрами, также включенными по схеме, показанной на рис. 11.27. При этой схеме реактивная мощность Q = л/3( Я , , - Я , ₂). При несимметричной нагрузке реактивную мощность измеряют с помощью двух или трех ваттметров, включенных по специальным схемам.

Рис. 11.27. Схема измерения активной мощности по методу двух ваттметров

Полную мощность s измеряют с помощью вольтметра и амперметра. В однофазной цепи переменного тока S = UI, в трехфазной цепи S = -yJlUI. где U и I — линейные напряжение и ток.

В цепях постоянного тока для измерения мощности обычно пользуются методом амперметра — вольтметра. Потребляемая цепью мощность Р = Ш

Электрическую энергию измеряют с помощью индукционных счетчиков. Обычно счетчики включают по таким же схемам, что и ваттметры. В однофазных цепях ведется учет только активной энергии, поэтому реактивную энергию в этих цепях не измеряют.

В трехфазных цепях измеряют активную и реактивную энергии. Для этого применяют трехфазные электрические счетчики. Принцип действия этих счетчиков такой же, как и однофазных, но в одном корпусе объединены три счетчика.

Для контроля потребляемой энергии выпускают электронные многофункциональные счетчики, позволяющие измерять одновременно основные электрические величины: активную и реактивную энергии; активную, реактивную и полную мощности; коэффициент мощности; частоту; ток; напряжение и т.д. Эти приборы содержат микропроцессор, память и позволяют автоматизировать контроль и учет электрической энергии в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии