2. Генератор трехфазного тока

Источниками электрической энергии трехфазного тока являются синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами (тепловые и атомные электростанции) или гидравлическими турбинами (гидроэлектростанции).

Процесс преобразования генератором механической энергии в электрическую и двигателем электрической энергии в механическую был подробно рассмотрен нами ранее в [2] на примере простейшей электрической машины постоянного тока. Было показано, что рабочий процесс преобразования энергии в электрических машинах основан на индукционном и силовом действии магнитного поля, а точнее при совместном действии двух основных законов: закона электромагнитной индукции и закона Ампера [2].

Рассмотрим устройство и принцип действия простейшего генератора трехфазного тока, поперечный разрез которого показан на рисунке 3.

Рис. 3

На неподвижном статоре, представляющем собой пустотелый цилиндр, набранный из листовой электротехнической стали, расположены три витка А–Х, B–Y, C–Z, стороны каждого из которых находятся в двух диаметрально противоположных канавках (пазах). Магнитные оси этих витков сдвинуты относительно друг друга на одну треть пространственного периода (в показанном на рисунке 3 двухполюсном генераторе – на 120 геометрических градусов).

Внутри статора вращается (с постоянной угловой скоростью ω) ротор, представляющий собой электромагнит постоянного тока N–S. На роторе показаны в разрезе проводники обмотки ротора, по которым протекает постоянный ток I_B (ток возбуждения магнитного поля ротора). Точками и крестиками в круглых проводниках ротора показано направление тока I_B, позволяющее получить полярность N–S ротора, используя «правило правого буравчика» [2].

В соответствии с законом Ома для магнитной цепи [2] ток I_B в обмотке ротора создает магнитный поток N–S ротора , где w – число витков, R_магн – магнитное сопротивление потоку, который замыкается по статору и ротору, дважды проходя через воздушный зазор между вращающимся ротором и статором.

Процесс индуктирования синусоидальной э.д.с. в однофазном генераторе был подробно нами рассмотрен в [1]. Однофазный генератор [1] отличается от показанного на рисунке 3 трехфазного наличием на статоре только одного витка А–Х.

Три витка A–X, B–Y, C–Z (рис. 3), расположенные на статоре, представляют собой три простейших источника (генератора) однофазного синусоидального тока, каждый из которых в принципе может быть подключен двумя проводами к «своему» однофазному приемнику. В этом случае получается шестипроводная, электрически разобщенная трехфазная цепь.

На практике получили применение электрически связанные трехфазные цепи, соединенные звездой или треугольником. Генератор и приемник могут быть соединены в трехфазной цепи одинаково, или один из них соединен звездой, а другой – треугольником.

При вращении ротора его магнитная ось N–S поочередно набегает на начала витков А, В, С, в результате чего амплитуды э.д.с. E_mA, E_mB, E_mC (рис. 1а, б) будут сдвинуты по фазе на треть временного периода Т.

Три витка A–X, B–Y, C–Z (рис. 3) на статоре простейшего генератора называются фазами генератора. Начала фаз генератора обозначаются большими буквами A, B, C, а концы фаз – большими буквами X, Y, Z латинского алфавита. Соответственно зажимы фаз приемника обозначаются малыми буквами (a–x, b–y, c–z).

На рисунке 3 крестиками и точками [2] показаны направления индуктированных э.д.с. в сторонах витков A–X, B–Y и C–Z (фаз статора) с учетом полярности N–S ротора и направления его вращения. Эти направления определяются по «правилу правой руки» с учетом того, что это правило было сформулировано для ситуации, когда проводник движется в неподвижном магнитном поле (в рассматриваемом случае проводники неподвижны, а магнитное поле движется).

За положительные направления э.д.с., напряжений и токов в фазах генератора принимаются направления от конца фазы к ее началу, а в фазах приемника – от начала к концу фазы.

Как известно [2], электрические машины являются обратимыми электромеханическими преобразователями, то есть могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому кроме рассмотренных здесь синхронных генераторов трехфазного тока промышленность выпускает трехфазные синхронные двигатели, преобразующие энергию трехфазного тока в механическую энергию вращательного движения.

Синхронными машины (генераторы и двигатели) названы в связи с тем, что результирующее магнитное поле, создаваемое статором и ротором, вращается с той же угловой скоростью, что и сам ротор, то есть синхронно (одновременно, в такт) с ротором.

В асинхронных электрических машинах ротор вращается асинхронно (несинхронно) с магнитным полем, то есть с другой по величине угловой скоростью.