27.2. Источники переменного трехфазного тока

Для выработки электрической энергии на электростанциях используют синхронный генератор трехфазного тока, вырабаты­вающий переменный ток частотой 50 Гц

Система трехфазного тока была разработана выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Впер­вые в мире он осуществил передачу электроэнергии при помощи трехфазной системы на расстояние 175 км. При этом были про­демонстрированы сконструированные им трехфазные машины и аппараты — генератор, электродвигатель и трансформатор. Рас­смотрим принцип получения переменного тока с помощью гене­ратора, состоящего из двух основных частей: неподвижной — статора и вращающейся — ротора.

Поместим в постоянное магнитное поле три проводника, со­гнутых в виде рамок (рис. 27.3, а). Начала рамок обозначим а_ъ а₂, а₃, концы — б_ъ б₂, б_ъ. Начало второй рамки а_г сдвинуто на угол 120° относительно начала первой а_х. Аналогично третья рамка сдвинута относительно второй. При вращении блока рамок с по­стоянной скоростью в направлении, указаннбд на рисунке 27.3, а стрелкой, в проводниках рамок вследствие электромагнитной индукции создается электродвижущая сила (ЭДС). В рамке а\ — б\ в начальный момент ЭДС равна нулю, при дальнейшем вра­щении она возрастает и достигает максимального значения при повороте рамки на угол 90° (рис. 27.3, б), так как проводник в этот момент пересекает наибольшее число силовых линий. При дальнейшем вращении рамки ЭДС будет уменьшаться (сокраща­ется число пересекаемых силовых линий) и достигнет нулевого значения при повороте рамки на угол 180° (точка г).

При повороте рамки щ — б\ от 180 до 270° значение ЭДС Е\ в ней будет возрастать, но направлена она в этот период будет в противоположную сторону и достигнет максимального значения в момент прохождения 270°.

Дальнейшее вращение рамки от 270 до 360° приведет к умень­шению значения Е\ до нулевого в момент прохождения 360°. В этот же момент изменяется в проводнике и направление ЭДС. При продолжении вращения рамки в магнитном поле цикл по­вторяется. В такой же последовательности будет возбуждаться ЭДС и в других рамках блока, но так как они сдвинуты одна от­носительно другой на угол 120°, то значения ЭДС, индуцируемые в них, окажутся сдвинутыми на такой же угол. Поэтому синусои­да Е_х начинается в точке 0, синусоида Е₂ — в точке 120°, а сину­соида Е₃ — в точке 240°.

Система трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты, сдвинутых на 120°, называется системой трехфазного тока. Трех­фазный переменный ток вырабатывается специальными маши­нами, называемыми синхронными генераторами. Вместо рамок в них использованы обмотки на роторе. Если к каждой из обмоток присоединить потребитель, образуются три замкнутые цепи, на­зываемые фазами, которые в трехфазной системе обозначаются буквами А, В, С или цифрами 1, 2, 3.

В трехфазной системе сумма ЭДС (или напряжений) в любой момент равна нулю (см. рис. 27.3, б).

Если к обмоткам каждой фазы трехфазного генератора под­ключить потребители с одинаковым сопротивлением, то по фа­зам потекут токи равной силы /_ь /₂, /з, сдвинутые на угол 120°. В этом случае также справедливо утверждение, что сумма трех оди­наковых токов трехфазной системы равна нулю.

Фазные обмотки генератора соединяют по двум основным схемам, названным «звезда» и «треугольник». Если концы всех трех обмоток генератора Г (рис. 27.4) сведены в одну точку 0, а начала обмоток подключены к линейным проводам, питающим электроэнергией нагрузку Н, состоящую из трех одинаковых потребителей, то образуется соединение «звезда» (условное обозначение Y). При этом концы токоотводящих проводников можно соединить (при одинаковых потребителях) в одной точке 0) и подключить трехпроводной линией. По этой схеме подклю­чают потребители, имеющие одинаковое сопротивление фаз, например трехфазные электродвигатели, трансформаторы, на­гревательные элементы печей и т. д. Но есть целый ряд потре­бителей трехфазного тока, которые имеют разную мощность фаз, и тогда добиться равномерной нагрузки по фазам невоз­можно. В этом случае токи, неодинаковые по значению, при сложении в точкене дадут в сумме ноль. Для отвода токов трех фаз из точкизвезд потребителей соединяют точки 0 и 0] спе­циальным дополнительным проводом (рис. 27.5). Такую систему соединения называют трехфазной четырехпроводной. При этом точки соединения 0 и 0! называют нулевыми, провода от начала обмоток генератора до потребителя — линейными, а провод, со­единяющий нулевые точки генератора и потребителя, — нуле­вым.

В линейном проводе протекает линейный ток, а в обмотке (фазе) генератора — фазный. Между линейными проводами дей­ствуют линейные напряжения, обозначаемые 1/_л. Напряжения между линейными провопами и нулевым проводом называют фазными и обозначают Uл. Пренебрегая падением напряжения внутри обмоток трехфазного генератора, можно считать, что фазные напряжения равны фазным ЭДС.

При нормальной работе трехфазной электроустановки Iл=Iф,

а линейные напряжения Uл = Uф*√3

Если конец первой обмотки трехфазного генератора соеди­нить с началом второй, конец второй — с началом третьей и ко­нец третьей — с началом первой (рис. 27.6), то получится соеди­нение треугольником (условное обозначение А). К общим точкам соединения обмоток генератора подключают шнейные провода. При соединении в треугольник нулевой точ­ки не бывает и каждая фаза потребителя подключена к двум ли­нейным проводам, поэтому Uф = Uл, а Iл=Iф*√3