Цепи трехфазного тока
1. Трехфазные электрические цепи
Рис. 1. Несвязанная трехфазная цепь.
Трехфазная электрическая цепь может быть представлена как совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют э. д. с. одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга на одну треть периода, или, что то же, на угол 2/3. Эти три составные части трехфазной цепи называются фазами1 и им ниже будут приписываться буквенные обозначения А, В и С.
На рис. 1 схематично показана трехфазная цепь, фазы которой электрически не связаны друг с другом. Такая трехфазная цепь называется не связанной (в настоящее время не применяется).
На рис. 1 для простоты обмотки трехфазного генератора не показаны. Сопротивлениями обмоток и шести соединительных проводов ввиду их малости по сравнению с сопротивлениями нагрузки можно для начала пренебречь.
Фазы А, В и С изображены на рис. 1 под углом 120°, для того чтобы подчеркнуть, что э. д. с. ЕА, ЕВ и ЕС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода. При равенстве амплитуд э. д. с. и одинаковых сопротивлениях в фазах токи IА, IВ и IС также равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, образуя так называемый трехфазный ток.
Сумма этих токов в любой момент времени равна нулю; поэтому если три провода, по которым токи возвращаются к источникам, объединить в один провод, то ток в этом проводе будет равен нулю. При отсутствии в проводе тока излишним в данном случае является и сам провод; от него можно отказаться, перейдя, таким образом, к схеме рис. 2. В результате этого достигается экономия материала проводов; кроме того, по сравнению с не связанной трехфазной цепью исключаются потери мощности от токов IА, IВ и IС в обратных проводах.
Трехфазная цепь на рис. 2, фазы которой соединены электрически, представляет собой одну из разновидностей связанных трехфазных цепей.
Благодаря технико-экономическим преимуществам связанных трехфазных цепей они получили широкое распространение.
Для получения связанной трехфазной цепи не требуются отдельные однофазные генераторы, а используется трехфазный генератор, схематически показанный на рис. 3. Обмотки, в которых наводятся э. д. с., помещаются в пазах статора2.
|
Рис. 2. Связанная трехфазная цепь |
Рис. 3. Принцип выполнения трехфазного синхронного генератора |
Обмотки фаз сдвинуты друг относительно друга на угол 120°/р, где р — число пар полюсов. В случае двухполюсного генератора (рис. 3) р = 1 и угол равен 120°.
При вращении ротора в силу идентичности трех обмоток генератора в них наводятся э. д. с., имеющие одинаковые амплитуду и частоту, причем эти э. д. с. сдвинуты по фазе друг по отношению к другу на одну треть периода. Векторы, изображающие эти э. д. с., равны по величине и расположены под углом 120° (рис. 4, б).
Мгновенные значения э. д. с. трехфазного генератора, показанные на рис. 4, а, выражаются аналитически следующим образом:
;
;
Рис. 4. Мгновенные значения (а) и векторная диаграмма э. д. с. (б) трехфазного генератора
Мгновенные значения э. д. с. равны соответствующим проекциям трех векторов: ЕmA, ЕmВ и ЕmС (рис. 4, б), образующих симметричную звезду и вращающихся в положительном направлении с угловой скоростью (на рис. 3 положение ротора соответствует моменту t = 0).
Положительные направления э. д. с. в обмотках указаны на рис. 3 точками и крестиками; точка означает острие, а крестик - конец стрелки, совпадающей с положительным направлением э. д. с. (положительное направление э. д. с. не следует смешивать с действительным направлением э. д. с. в произвольный момент времени).
Создание в 1889 г. связанной трехфазной цепи переменного тока явилось важным событием в истории электротехники.
Впервые такую цепь осуществил выдающийся русский инженер и ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.). Им были разработаны основные звенья генерирования, передачи, распределения и преобразования электроэнергии трехфазного тока, именно: трехфазные генератор, трансформатор и асинхронный двигатель. Изобретение М. О. Доливо-Добровольским асинхронного двигателя, являющегося простейшим и самым дешевым двигателем переменного тока, существенно способствовало широкому промышленному внедрению трехфазного тока.
Технические и экономические преимущества трехфазного тока обеспечили ему ведущую роль в современной электротехнике.
Неуклонно возрастает также роль трехфазного переменного тока в авиации.