Электрические цепи трехфазного синусоидального тока

В мировой практике наибольшее распространение получила трехфазная система электроснабжения ввиду таких ее преимуществ по сравнению с однофазной, как экономия цветных металлов на провода, возможность одновременного питания от нее как трехфазных, так и однофазных потребителей и др. Поэтому рассмотрим общие сведения о трехфазных цепях, заметив следующее.

В создании техники трехфазных систем электропередачи, а также трехфазного трансформатора, трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и др. выдающуюся роль сыграл российский ученый М. О. Доливо-Добровольский (1862—1919), живший в Германии.

Трехфазная электрическая система. Устройство и принцип работы трехфазного синхронного генератора

Трехфазная электрическая система — совокупность трех однофазных систем, в которых действуют три ЭДС (напряжения) одинаковой частоты, сдвинутые, но фазе друг относительно друга на угол 2л / 3 = 120° и создаваемые общим источником питания, которым, как правило, является трехфазный синхронный генератор.

На рис. 5.1, а изображено схематическое устройство явнополюсного (с одной парой полюсов N—S) трехфазного синхронного генератора (СГ).

Он состоит из неподвижного статора, представляющего собой цилиндрическую «трубу» — магнитопровод, на которой размещены три обмотки (на рис. 5.1, а они показаны одновитковыми с началами А, В, С и концами X, Y, Z), сдвинутые друг относительно друга в пространстве па 2л / 3 = 120°. Магнитопровод собран из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, покрытых изоляционным лаком. С его внутренней стороны имеются пазы (каналы), в которых размещены обмотки, представляющие собой катушки, свитые из изолированных многовитковых медных проводов. Статор с обмотками называется якорем генератора. Внутри статора размещается подвижная часть — ротор, сидящий на валу генератора. Он также состоит из сердечника из электротехнической стали толщиной 1 —2 мм и обмотки — катушки, свитой из многовитковых медных проводов. Сердечник ротора может иметь крестообразную форму, на который насаживаются катушки обмотки возбуждения, или форму цилиндрического барабана с пазами на внешней поверхности, в которых размещается обмотка. Первая конструкция ротора называется явнополюсной и используется в гидрогенераторах, вторая — неявнополюсной и применяется в турбогенераторах. Ротор с обмоткой называется индуктором СГ. Между статором и ротором имеется воздушный зазор размером от доли миллиметра до 2—3 мм в зависимости от мощности СГ.

Рис. 5.1.

Синхронный генератор работает следующим образом. На обмотку возбуждения ротора подается постоянный ток от генератора, размещенного на одном валу с ротором. Наконечник сердечника индуктора делается такой формы, чтобы он возбуждал магнитный поток, близкий к косинусоиде (J) = Ф_ш coso)?. Индуктор вращают сторонней машиной, например гидравлической турбиной, с угловой частотой (скоростью) со по ходу часовой стрелки. В результате, согласно закону электромагнитной индукции, на обмотки генератора А—X, В—У, C—Z с числами витков w_a = w_b = w_c = w наводятся ЭДС:

где

Обмотки трехфазного высоковольтного (6—10 кВ) мощного СГ, как правило, соединяют в звезду (концы обмоток X, У, Z объединены вместе) без выведенной нейтральной точки (рис. 5.1, б, ключ К разомкнут), а низковольтного (380 / 220 В) маломощного (например, дизельгенератора) — в звезду с выведенной нулевой или нейтральной точкой N (см. рис. 5.1, б, ключ К замкнут).

Рис. 5.2.

На рис. 5.2 изображены временная (а) и полярная (б) векторные диаграммы напряжений трехфазного симметричного (все ЭДС равны и сдвинуты друг относительно друга на 120°) СГ (или трансформатора). В полярной диаграмме модули векторов мгновенных значений ЭДС вращаются по ходу часовой стрелки. В результате их концы описывают синусоиды, изображенные на рис. 5.2, а.

Из рис. 5.2 нетрудно убедиться, что в любой момент времени откуда Из рис. 5.1, б очевидно, что.

С учетом выражения (5.1) формула (5.3) перепишется так:

На рис. 5.3 приведены различные схемные варианты соединения приемников (нагрузки, потребителей) в трехфазной цепи: в звезду с выведенной (доступной) нулевой точкой п (рис. 5.3, а, ключ К замкнут), в звезду с недоступной нулевой точкой п (см. рис. 5.3, а, ключ К разомкнут) и в треугольник (рис. 5.3, б). При этом нагрузки могут быть симметричными (Z_a=Z_b = Z_c или Z_ab = Z_bc = Z_ca), несимметричными (Z_a*Z_b*Z_c или Z_ab *Z_bc Ф Z_ca), с оборванной фазой, с короткозамкнутой фазой и др.

На рис. 5.1 и 5.3 видно, что начала обмоток источника питания (СГ), нулевой точки и индексы электрических величин обозначены заглавными буквами латинского алфавита, приемника — строчными.

Рис. 53.

При соединении генератора с нагрузкой по его обмоткам протекают токи /_л, /_л, 1_Л, сдвинутые друг относительно друга на 120°. Эти токи возбуждают в обмотках генератора магнитные потоки, результирующее значение которого создает в воздушном зазоре вращающееся магнитное поле (см. п. 14.1 в приложении Б). Частота вращения этого поля w по направлению и величине совпадает со скоростью вращения ротора я_р сторонним двигателем, т. е. я_р = со. Отсюда название генератора — синхронный.