Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Искусственная нулевая точка , создаваемая дросселем, соединяется с нейтралью генератора. Измерительный орган реагирует на ток, определяемый разностью потенциалов в указанных точках ( рис. 12.7, а), или соответствующий ему ток во вторичной обмотке дросселя ( рис. 12.7 6); для отстройки от гармоник нулевой последовательности, кратных трем, он включается через соответствующий фильтр. При нормальной работе напряжения на нейтрали генератора и искусственно созданной нулевой точке равны между собой и потенциалу земли и защита не может срабатывать. В сл чае / С 1 равновесие нарушается и защита срабатывает. [1]
Искусственная нулевая точка представляет собой три сопротивления, соединенных в звезду. [3]
Искусственная нулевая точка , создаваемая дросселем, соединяется с нейтралью генератора. Измерительный орган реагирует на ток, определяемый разностью потенциалов в указанных точках ( рис. 12.7, а), или соответствующий ему ток во вторичной обмотке дросселя ( рис. 12.7 6); для отстройки от гармоник нулевой последовательности, кратных трем, он включается через соответствующий фильтр. При нормальной работе напряжения на нейтрали генератора и искусственно созданной нулевой точке равны между собой и потенциалу земли и защита не может срабатывать. В случае / С 1 равновесие нарушается и защита срабатывает. [5]
Искусственная нулевая точка обычно создается с помощью двух резисторов ( сопротивление каждого резистора равно сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра) и сопротивления цепи обмотки напряжения. Сопротивление цепи обмотки напряжения — любого ваттметра либо приведено на циферблате прибора, либо указывается в техническом паспорте на данный прибор. [7]
Искусственная нулевая точка обычно создается с помощью двух резисторов ( сопротивление каждого резистора равно сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра) и сопротивления цепи обмотки напряжения. Сопротивление цепи обмотки напряжения любого ваттметра либо приведено на циферблате прибора, либо указывается в техническом паспорте на данный прибор. [9]
Искусственная нулевая точка представляет собой три резистора, соединенных в звезду. [11]
Применение искусственной нулевой точки практически возможно лишь при использовании электродинамических ваттметров, параллельные цепи которых обладают малым реактивным сопротивлением. [12]
Образование искусственной нулевой точки при помощи трех равных включенных звездой сопротивлений, к одному из которых присоединяется катушка напряжении ваттметра ( фиг. [13]
Зачастую применение искусственной нулевой точки в че-тырехпроводных цепях дает большую точность, чем подсоединение к нагруженному нулевому проводу. [15]
Смещение ОУ с однополярным питанием
На Рис. 1.57 представлены три основные схемы подключения источника смещения при однополярном питании ОУ. Схема на Рис. 1.57а представляет собой инвертирующий сумматор, на Рис. 1.576 — дифференциальный усилитель, и на Рис. 1.57в — неинвертирующий сумматор.
В общем случае связь между входными и выходными напряжениями в этих схемах можно представить уравнением
Рис. 1.57. Схемы подключения источника смещения к ОУ
Рис. 1.58. График статической переходной характеристики схемы с ОУ
Уравнению (1.36) соответствует график статической переходной характеристики схемы с ОУ в виде прямой линии (Рис. 1.58).
В Табл. 1.3 приведены значения постоянных к и b для уравнения (1.36), соответствующих разным схемам на Рис. 1.57. Если в схеме на Рис. 1.570 поменять местами источники Vm и Iqffi т0 такому включению соответствует нижняя строка в графе «Рис. 1.570» Табл. 1.3.
Таблица 1.3. Расчет коэффициентов для определения Роит (1-36)
Рис. 1.57й
Рис. 1.57в
Схемы и значения постоянных к и b выбираются так, чтобы при любых возможных значениях входного напряжения выполнялось условие 
Рис. 1.59. Схема включения ОУ для усиления сигналов переменного тока
Обычно к определяется необходимым усилением схемы, поэтому разработчик может выбрать только конфигурацию схемы и постоянную Ь.
Типовая схема включения ОУ для усиления сигналов переменного тока с питанием от однополярного источника приведена на Рис. 1.59. Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. Резисторы делителя цепи смещения могут быть выбраны достаточно высокоомными, чтобы не нагружать источники питания и входного сигнала.
Введение искусственной нулевой точки
Рис. 1.60. Схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием и искусственной нулевой точкой
От использования цепей смещения можно отказаться, если ввести искусственную нулевую (среднюю) точку, т.е. точку схемы, потенциал которой располагается приблизительно посередине между потенциалами положительного и отрицательного полюсов однополярного источника питания. Для того, чтобы схема могла усиливать биполярные сигналы, источник входного сигнала включается между входом инвертирующего усилителя и искусственной нулевой точкой (Рис. 1.60). При этом, чтобы избежать смещения выходного напряжения, нагрузку RL включают между выходом усилителя и искусственной нулевой точкой. Это усложняет построение цепей, формирующих нулевую точку.
Рис. 1.61. Схемы формирования потенциала искусственной нулевой точки
На Рис. 1.61 представлены примеры схем формирования потенциала нулевой точки. Наиболее простым является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с искусственной нулевой точкой 0 (Рис. 1.61а). Однако, при наличии нагрузки Rl ток нагрузки IL протекает через один из резисторов этого делителя, создавая несим- метрию напряжений между полюсами источника питания и точкой 0, причем степень этой несимметрии зависит от силы тока нагрузки. Уменьшение сопротивлений делителя снижает несимметрию этих напряжений, но увеличивает потери энергии в делителе.
Схема со стабилитроном (Рис. 1.61 б) обеспечивает хорошую стабилизацию потенциала искусственной нулевой точки относительно отрицательного полюса источника питания. В качестве стабилитрона в этой схеме целесообразно применение двухвыводного источника опорного напряжения (или регулируемого трехвыводного, такого как, например, TL431). Эта схема хорошо работает при вытекающем выходном токе ОУ, но для сохранения стабильности потенциала точки 0 при значительном втекающем выходном токе требуется резистор R с низким сопротивлением, что опять-таки обуславливает повышенные потери. Аналогичные проблемы возникают при использовании для формирования искусственной нулевой точки стабилизатора напряжения с последовательным регулирующим элементом.
Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме неинвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (Рис. 1.61е). В данной схеме делитель может быть высокоомным, т.к. он нагружен только входным током покоя операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (менее I мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление не более I Ом.
Еще эффективнее применение специальных микросхем для формирования искусственной нулевой точки (Рис. 1.61г). Фирма Texas Instruments (США) выпускает ИМС типа TLE2425. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трехвыводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0.25 мА и динамическом выходном сопротивлении не более 0.22 Ом.
В том случае, если нагрузка может быть не связана с общей точкой схемы, или с какой-либо из шин питания, можно использовать простейший вариант формирования искусственной нулевой точки на резистивном делителе (Рис. 1.61а), но с мостовой усилительной схемой (Рис. 1.61д). В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса. Здесь в искусственную нулевую точку втекает ток, равный F[n/^i, поэтому сопротивление резистора /?, следует взять по возможности большим, иначе возможна несимметрия нулевой точки. Дополнительные достоинства этой схемы: увеличение максимальной амплитуды напряжения на нагрузке в два раза при том же напряжении питания и заметное повышение КПД при полном размахе выходного напряжения.
Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях — Организация искусственного нулевого провода
Организация искусственного нулевого провода при подключении системы электропитания к трехфазной трехпроводной сети
При рассмотрении вопросов построения универсальных систем электропитания РЭК следует учитывать возможность их подключения как к трех-, так и четырехпроводным сетям переменного тока, а также к автономным источникам электроэнергии. Применительно к судовым и корабельным СВЭП, питание которых осуществляется от трехпроводных сетей напряжением соответственно 220 и 380 В, возможны различные варианты построения СВЭП в зависимости от схемной реализации входных и выходных звеньев. Так, для рассмотренных в предыдущем параграфе судовых СВЭП с учетом уровня напряжения промежуточной сети постоянного тока (400 В) (см. рис. 6.2) и существующей элементной базы, возможно применение трехфазных преобразователей сетевого напряжения, которые не требуют создания искусственной нулевой точки. Для корабельных СВЭП, у которых уровень указанного постоянного напряжения составляет 700 В, требуется создание искусственной нулевой точки и применение других схем сетевых преобразователей, которые могут быть практически реализованы на существующей элементной базе.
В случае четырехпроводной сети в качестве входного звена СВЭП используется набор идентичных однофазных модулей на основе преобразователей переменного напряжения в постоянное с принудительным формированием кривой потребляемого тока (рис. 6.1). Очевидно, что данная СВЭП рассчитана на работу от трехфазных сетей переменного тока с нулевым проводом, а в корабельной (судовой) СЭС нулевой провод отсутствует. Поэтому для питания указанной СВЭП от трехфазной трехпроводной электрической сети необходимо предусмотреть возможность организации искусственного нулевого провода. Данная задача может быть решена с использованием фильтров токов нулевой последовательности (ФТНП).
Для исследования вопроса о возможности использования ФТНП в качестве средства для создания искусственной нулевой точки напомним его некоторые конструктивные особенности. Устройство представляет собой трехстержневой электромагнитный аппарат, на стержнях которого расположены магнитосвязанные полуобмотки, включенные по схеме встречный зигзаг.
Рис. 6.3. Схема подключения ФТНП к трехпроводной сети для организации искусственного нулевого провода
Поскольку начала первых полуобмоток включаются непосредственно на фазные напряжения, устройство должно иметь достаточно высокое сопротивление прямой последовательности, чтобы свести до минимума потери холостого хода при его включении параллельно нагрузке. Начала вторых полуобмоток соединяются между собой и подключаются к общей точке трехфазной нагрузки (нулю СВЭП), что фактически означает создание искусственного нулевого провода.
Конструктивно (соотношение размеров магнитопровода, схема соединения и исполнение обмоток) ФТНП выполнен таким образом, чтобы снизить до минимума сопротивление нулевой последовательности при максимально возможном сопротивлении прямой последовательности. В этом случае обеспечивается эффективная стабилизация нулевой точки даже при существенной несимметрии фазных нагрузок. Очевидно, что наряду с выполнением указанной функции — формированием стабильной искусственной нулевой точки, данное устройство остается эффективным фильтром токов нулевой последовательности (гармоник токов, кратных трем) и способно демпфировать несимметричные по фазам колебания напряжения и симметрировать фазные напряжения при неравномерной загрузке фаз.
Рассмотрим схему подключения ФТНП к трехпроводной сети для организации с его помощью искусственной нулевой точки. На рис. 6.3 представлен фрагмент трехфазной трехпроводной СЭС, питающей однофазные нагрузки Za, Zb, Zc..
Сопротивления линии Z„, и Ζ„2 в данном случае существенного влияния на работу ФТНП не оказывают. Ток нулевой последовательности I° составляет одну треть тока небаланса в точке 0 рассматриваемой системы, т. е. 1/3 суммы фазных нагрузочных токов Ia + Ib + 1c. Результирующий ток на участке нулевого провода 00′ равен утроенному току нулевой последовательности. Каждая из полуобмоток ФТНП имеет сопротивление г +jXL. Вследствие симметричной структуры устройства эти сопротивления равны. Кроме того, конструктивные особенности обеспечивают минимальное сопротивление рассеяния обмоток, поэтому, пренебрегая последним, можно считать, что представляет собой полное реактивное сопротивление полуобмотки.
Таким образом, составляющие нулевой последовательности тока и напряжения связаны между собой в соответствии с законом Ома, т. е. напряжение U0 в нашем случае зависит от тока I° и активного сопротивления R.
Создание абсолютно стабильной нулевой точки предполагает выполнение условия U0 = 0. Реально нам необходимо определить допустимое смещение данной точки или допустимое значение напряжения нулевой последовательности U0, при котором возможна нормальная работа СВЭП. Токи холостого хода ФТНП практически равны по значению, поэтому они не оказывают существенного влияния на смещение нулевой точки.
Нормальная эксплуатация однофазных потребителей с точки зрения допустимой несимметрии напряжений возможна в том случае, если U0 < 4 %. Поскольку несимметрия линейных напряжений судовой (корабельной) трехпроводной сети допустима в пределах ±2 %, выберем в качестве исходного для разработки устройства более жесткое условие U0 < 3 % или U° 7В при фазном напряжении сети 220 В. Для расчета допустимого активного сопротивления устройства рассмотрим параметры аварийного режима, когда в нулевом проводе протекает ток, равный фазному току Iф (это возможно при выходе из строя одного или двух входных однофазных модулей). В результате анализа указанного режима можно определить соотношение между мощностью СВЭП и установленной мощностью устройства для организации искусственного нулевого провода.
Рассмотрим конкретный пример выбора установленной мощности ФТНП при мощности нагрузки 4 кВт. Тогда в учитываемом аварийном режиме при фазном токе нагрузки Iф = 6А ток нулевой последовательности 1° = 2А. Отсюда допустимое сопротивление обмотки, при котором не превышается регламентируемое значение U°= 7В, R = U°/f° = 3,5 Ом. Более жестким критерием для выбора установленной мощности устройства является допустимая нагрузка по току. При этом с учетом условий нормальной теплоотдачи электромагнитного устройства сухого типа допускается для медных обмоток максимальная плотность тока 2 А/мм2.
ТАБЛИЦА 6.4
Конструктивные параметры устройств для организации искусственного нулевого провода
Таким образом, в рассматриваемом случае намотку можно производить медным проводом сечением 1 мм2. Результаты расчета конструктивных и электрических параметров трех типоразмеров устройств для организации искусственного нулевого провода при мощности нагрузки 4, 8 и 12 кВт соответственно представлены в табл. 6.4 и 6.5.
Установленная мощность ФТНП, как устройства с электромагнитными связями, определяется по формуле [109] 
где — полная мощность полуобмотки; — фазное напряжение на полуобмотке (при фазном напряжении сети 220 В -127 В). Например, в случае, когда мощность СВЭП равна 4 кВт, установленная мощность устройства Sуст = 0,762 кВт. В результате проведенных расчетов получаем, что максимальное относительное смещение нулевой точки во всех трех случаях не превышает 3%.
Таким образом, разработанные устройства, параметры которых приведены в табл. 6.4 и 6.5, можно использовать для организации искусственного нулевого провода в СВЭП с улучшенной ЭМС.
Электрические параметры устройств для организации искусственного нулевого провода
Искусственная нулевая точка
В трехпроводных сетях трехфазного тока нейтрального провода нет. Однако в ряде случаев приходится создавать искусственную нулевую точку. Она может получиться при соединении в звезду трех одинаковых сопротивлений. Ими могут быть: три активных сопротивления r, например три одинаковые лампы накаливания, либо три одинаковых конденсатора C, либо три одинаковых индуктивных сопротивления L, либо три ветви, каждая из которых содержит сопротивление r1 и индуктивность L1 (рисунок 1, а), и так далее. Рассмотрим несколько типичных случаев.
Рисунок 1. Искусственная нулевая точка в цепях измерения и защиты.
На рисунке 1, б обмотки электродвигателя Д имеют шесть выводов, поэтому при соединении в звезду легко получить нулевую точку N. Между нею и землей включено реле Р. Пока все фазы получают питание, на обмотке реле напряжение близко к нулю, так как потенциалы земли и точки N практически одинаковы. Если же нарушится цепь одной или двух фаз, то реле Р сработает и отключит контактор К.
Рассмотренная на рисунке 1, б схема непригодна для электродвигателей высокого напряжения. В таких случаях пользуются искусственной нулевой точкой, образованной во вторичных цепях измерительных трансформаторов. Так, например, на рисунке 1, в реле Р1 включено в нейтраль трех трансформаторов тока ТТ. При нарушении в цепи одной или двух фаз электродвигателя Д1 реле Р1 срабатывает и отключает выключатель В.
На рисунке 1, г изображено измерение мощности трехфазного электродвигателя Д3, соединенного в треугольник. Токовая обмотка 1 однофазного ваттметра W (показания которого надо умножить на три, так как он измеряет мощность в одной фазе) включена в фазу c. Начало обмотки напряжения 2 присоединено к той же фазе, а конец – к искусственной нулевой точке N1; она образована обмоткой 2 и двумя равными ей по величине активными сопротивлениями r.
На каком основании применены в данном случае активные сопротивления? На том основании, что обмотка измерительного механизма ваттметра (не счетчика!) имеет ничтожное индуктивное сопротивление, а последовательно с ней включено весьма значительное активное сопротивление. У счетчика же добавочного сопротивления нет. Обмотка счетчика, имеющая большую индуктивность, включается на полное напряжение сети. Значит, нельзя при включении счетчика пользоваться активными сопротивлениями для образования нулевой точки по причинам, которые рассмотрены в статье «Схема соединения «Звезда» при объяснении рисунков 12 и 13.
До сих пор рассматривались искусственные нулевые точки для включения реле и ваттметров, то есть нагрузок порядка нескольких вольт-ампер. Следующий пример относится к искусственной нулевой точке для сетей, потребители которых имеют суммарную мощность, исчисляемую десятками киловатт. Речь идет о повышении пропускной способности сетей, питающих жилые дома. Дело сводится к следующему. В некоторых старых городах потребители питались от сетевых трансформаторов со вторичными обмотками, соединенными в треугольник при напряжении 125 В (рисунок 2, а). В связи с возросшими нагрузками потребовалось, не меняя кабельной сети, не меняя номинального напряжения электроприемников и счетчиков, перейти на четырехпроводную систему (рисунок 2, б) примерно 220 / 127 В. При этом ток в линейных проводах уменьшается в √3 раз, а пропускная способность кабеля от сетевого трансформатора до ввода в дом возрастает в 3 раза.
Рисунок 2. Искусственная нулевая точка в сетях освещения. Нейтрайлер.
Вторичную обмотку сетевого трансформатора 1 (рис. 2, в) пересоединяют с треугольника в звезду или заменяют трансформатор. Нейтраль трансформатора глухо заземляют. На каждом вводе в дом вблизи вводного ящика устанавливают нейтрайлер 4. Вдоль существующей трехпроводной магистрали 3 прокладывают четвертый нейтральный провод 5 и присоединяют его к нейтральной точке N нейтрайлера. Последняя заземляется путем присоединения к оболочке и броне кабеля 2 * . Однофазных потребителей 6 переключают так, чтобы один вывод был присоединен к фазному проводу 3, а другой – к нейтральному проводу 5. Нагрузка между фазами распределяется равномерно.
Нейтрайлер
Нейтрайлер (рисунок 2, в) представляет собой аппарат сравнительно небольших размеров (примерно 700 × 400 × 200 мм), в котором на трехстержневом магнитопроводе расположена обмотка, соединенная в зигзаг (смотрите статью «Схема соединения «Зигзаг»). Через нейтрайлер проходит ток небаланса, вызванный неравномерностью нагрузки фаз. Этот ток в обмотках нейтрайлера делится на три равные части и противоположно направлен в секциях каждого стержня. Поэтому для тока небаланса нейтрайлер представляет ничтожное сопротивление.
Кроме того, благодаря соединению обмоток в зигзаг ток небаланса распределяется между всеми фазами. Иными словами, на участке от сетевого трансформатора 1 до места присоединения нейтрайлера 4 нагрузка между фазами выравнивается: ток в наиболее нагруженной фазе уменьшается, а в менее нагруженных – возрастает.
* Заземлять нейтральную точку нейтрайлера нужно для предотвращения опасного для ламп повышения напряжения в магистрали, питающей дом, при перегорании предохранителя (на рис. 2, в предохранители не показаны) или обрыве в цепи нейтрайлера.
Источник: Каминский Е. А., «Звезда, треугольник, зигзаг» – 4-е издание, переработанное – Москва: Энергия, 1977 – 104с.