IV. Трёхфазные цепи

Понятие о многофазных источниках энергии и многофазных системах. Преимущества трёхфазных систем (задача 4.8 /5/)

Многофазные системы представляют собой совокупность нескольких однофазных цепей, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, но сдвинутые между собой по фазе. Отдельные цепи, входящие в их состав, называются фазами.

Впервые многофазная система цепей была применена П.И.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей. В его установке обмотки генератора подключались к электрически не соединенным друг с другом линиям, питающим отдельные группы свечей. Такие многофазные системы называются несвязанными. В настоящее время вследствие существенных преимуществ применяются многофазные системы цепей, в которых отдельные фазы соединены друг с другом. Такие системы называются связанными. Они образуют одну сложную разветвленную цепь, которую называют многофазной цепью. В электроэнергетике вследствие наибольшей экономичности и технического совершенства практически исключительное применение получили трёхфазные цепи. Все звенья трехфазной цепи (от генератора до двигателя) разработаны М.О.Доливо-Добровольским. В установках, преобразующих переменный ток в постоянный, встречаются 6-ти и 12-фазные цепи. В автоматике и телемеханике применяются двухфазные цепи.

Р ассмотрим элементарный 3-фазный 2-полюсный генератор (рис. 4.1). На якоре (статоре) расположены три якорные (статорные) обмотки AX, BY, CZ, называемые фазами, оси которых смещены в пространстве на 120° друг по отношению к другу. Якорная конструкция называется статором. Вращающаяся конструкция называется ротором. На роторе располагается обмотка, создающая магнитное поле. Обмотка питается постоянным током через контактные кольца. Когда возбуждённое поле вращается с постоянной угловой скоростью , в соответствии с законом Фарадея (законом электромагнитной индукции) в трёх фазах генерируются эдс е_А, е_В, е_С. Ротор спроектирован таким образом, что магнитный поток в полюсах оказывается синусоидальным, соответственно, в трех фазах индуцируются синусоидальные напряжения. Эти три волны напряжения смещены во времени на треть периода ввиду того, что катушки сдвинуты в пространстве на 120°.

Такой источник энергии и будет многофазным или, в частности, при трёх катушках – трёхфазным. Временная и векторная диаграммы изображены на рис. 4.2 и 4.3. Мгновенные значения и комплексы действующих значений наводимых ЭДС:

е_А = E_m·sin(t), е_B = E_m·sin(t – 120), е_C = E_m·sin(t +120),

E _A = E_ф·e^j0, E_B = E_ф·e^-j120 = E_ф·e^j240 = a²·E_ф, E_C = E_ф·e^j120 = a·E_ф,

где a = 1·e^j120.

Симметричная система векторов обладает свойствами:

1. Векторы одинаковы по длине.

2. Углы между ними 120.

3. В сумме они дают 0.

Достаточно любых двух признаков, из которых вытекает третий.

Все свои мгновенные значения ЭДС проходят в следующем порядке: сначала в катушке А, потом в В, потом в С и вновь в А. Такой порядок чередования фаз называется прямым. Существуют же ещё обратный и нулевой порядки чередования фаз.

Главные преимущества трёхфазных систем:

1. Трёхфазные линии экономичнее по затратам меди: 0,75 от однофазных двухпроводных линий той же мощности (пример см. /4, задача 4.8/). Преимуществом трехфазных машин над однофазными является более эффективное использование пространства для обмоток. По этой причине трехфазные машины имеют меньшие размеры по сравнению с однофазными той же мощности.

2. Если нагрузка во всех фазах одинакова, то трёхфазная система обеспечивает неизменность мгновенной мощности и, следовательно, постоянство вращающего момента машины на всём периоде синусоидально изменяющегося тока.

3. Все элементы трёхфазной системы (генератор, трансформатор, ЛЭП, электродвигатели) получаются наиболее простыми в производстве, надёжными и экономичными в эксплуатации.