3.5 Трехфазные электрические цепи

Многофазной системой называют совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, отличающиеся одна от другой по фазе и индуктируемые в одном источнике питания. Частным случаем многофазных систем является трехфазная цепь, получившая наибольшее распространение. Трехфазная электрическая цепь может быть представлена как совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга на одну треть периода, или, что то же, на угол 2π/3. Эти три составные части трехфазной цепи называются фазами.

Трехфазные цепи позволили комплексно решить проблему создания электропривода и сетей электроснабжения. Основные достоинства трехфазных цепей: наличие вращающегося магнитного поля, на основе которого построен простой и дешевый трехфазный асинхронный двигатель; при передаче энергии на расстояние в трехфазных цепях по сравнению с однофазными достигается существенная экономия материала проводов; возможность иметь два эксплуатационных напряжения.

Трехфазная цепь переменного тока, состоящая из генератора, трансформатора, электрического двигателя и линии передачи, была создана и впервые демонстрировалась на Всемирной электротехнической выставке в 1891 г. русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским.

Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов: генератора, линии передачи и приемника. Для получения трехфазной цепи необходимо определенным образом соединить фазы генератора и приемника с помощью линий передачи. Возможны два основных способа соединения в трехфазной цепи – соединение фаз генератора и приемника звездой или треугольником.

Условились в индексах буквенных обозначений напряжений и токов источника питания применять прописные буквы (A, B, C), а в параметрах, присущих нагрузке, – строчные (a, b, c).

Д

Рисунок 3.20

ля получения ЭДС трехфазной цепи чаще всего используется трехфазный синхронный генератор, схематически показанный на рисунке 3.20. Обмотки, в которых наводятся ЭДС, помещаются в пазах статора. Обмотки фаз сдвинуты друг относительно друга на угол 120º. При вращении ротора в силу идентичности трех обмоток генератора в них наводятся ЭДС, имеющие одинаковые амплитуду и частоту. Однако линии магнитного поля вращающегося ротора пересекают провода фазных обмоток не одновременно, поэтому синусоидальные ЭДС обмоток сдвинуты по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода. Векторы, изображающие эти ЭДС, равны по модулю и расположены под углом 120º, такую систему называют симметричной.

М

Рисунок 3.21

гновенные ЭДС трехфазного генератора, показанные на рисунке 3.21 выражаются аналитически как синусоидальные функции времени следующим образом:

е _A = E_m ;

е_B = E_m ; (3.21)

е_C = E_m .

Алгебраическая сумма мгновенных значений фазных ЭДС генератора равна нулю: е_A + е_B + е_C = 0.

Фазы обмоток генератора могут соединяться звездой или треугольником. Соединение звездой находит большее распространение. При этом соединении условные начала фаз используют для подключения трех линейных проводников A, B, C, а концы фаз объединяют в одну точку, называемую нейтральной точкой источника питания (трехфазного генератора или трансформатора). В зависимости от требований нейтральная точка может быть выведена к отдельному выводу, обозначенному буквой N, к этой точке может подключаться нейтральный провод. Схема соединения фаз источника питания звездой приведена на рисунке 3.22, а.

При включении фаз треугольником фазные источники питания соединяют последовательно в замкнутый контур (рисунок 3.22, б). Начало одной фазной обмотки соединяется с концом следующей по порядку фазной обмотки так, что все три обмотки образуют замкнутый треугольник, причем направления ЭДС в контуре треугольника совпадают и сумма ЭДС равна нулю. При отсутствии нагрузки, т. е. при режиме холостого хода в обмотках генератора, соединенных треугольником, ток не циркулирует, так как сумма трех фазных ЭДС равна нулю.

Из точек объединения источников между собой выводятся три линейных провода A, B, C, идущие к нагрузке. Из рисунка 3.22 видно, что выводы фазных источников подключены к линейным проводникам, а следовательно, при соединении фаз источника треугольником фазные напряжения равны линейным. Нейтральный провод в этом случае отсутствует.

а) б)

Рисунок 3.22 – Схемы соединения фаз источника питания:

а – звездой; б – треугольником

Напряжение между линейным и нейтральным проводами называется фазным, а между линейными проводами – линейным.