Трехфазные электрические цепи

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Современные электрические системы, состоящие из генераторов электрических станций, трансформаторов, линий передач электрической энергии и распределительных сетей, представляют собой в подавляющем числе случаев трехфазные системы переменного тока.

Трехфазные системы — частный случай многофазных систем. Многофазной системой называется совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, отличающиеся одна от другой по фазе и созданные одним источником энергии электрического тока (генератором). Каждая из цепей многофазной системы называется фазой (не смешивать с начальной или текущей фазой ЭДС, напряжения, тока). В зависимости от числа фаз, входящих в многофазную систему, цепи, бывают двухфазными, трехфазными, шестифазными и т. д. В трехфазной системе три синусоидальные ЭДС отстоят одна от другой по фазе на 2/3 я.

Широкое распространение в современной электротехнике трехфазных цепей объясняется рядом их технико-экономических преимуществ в сравнении с однофазными и другими многофазными цепями. Главными из этих преимуществ являются: 1) экономичность передачи электрической энергии; 2) простота получения кругового вращающего магнитного поля, необходимого для работы трехфазных асинхронных двигателей; 3) возможность получения в одной установке двух различных эксплуатационных напряжений — фазного и линейного.

К основным элементам трехфазной цепи относятся: трехфазный генератор, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую, с трехфазной системой ЭДС; линии передач электрической энергии с трансформаторными подстанциями и другим оборудованием; распределительные сети с потребителями электрической энергии, которые могут быть как однофазными, так и трехфазными.

Рассмотрим устройство и принцип действия трехфазного генератора. Схематическое изображение трехфазного генератора дано на рисунке 5.1 .Г.

Рис. 5.1.1.

Неподвижная часть генератора I называется статором, подвижная часть — ротором. Статор набран из листов электротехнической стали. На внутренней поверхности статора делаются пазы, в которых располагаются обмотки (катушки) фаз генератора. Каждая фаза обмотки генератора на рисунке 5.1.1 условно изображена одним витком. Плоскости витков фаз генератора сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. Начала фаз обмоток генератора обозначаются буквами А, В, С, концы — X, У, Z.

Ротор 2 представляет собой электромагнит. Обмотка ротора присоединена к кольцам, изолированным друг от друга и от вала генератора. На кольца накладывают щетки, соединенные электрическими проводами с источником постоянного тока, вследствие чего создается постоянная полярность полюсов ротора. Специальная форма полюсных наконечников ротора обеспечивает синусоидальное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре,.

* Более подробное описание устройства и принципа дейсствия трехфазного генератора см. в гл. 6.

что, в свою очередь, определяет гармонический закон измерения ЭДС фаз генератора (см. § 6.17). При равномерном вращении ротора силовые линии магнитного поля пересекают неподвижные витки обмоток фаз, и в них в соответствии с законом электромагнитной индукции наводятся периодически изменяющиеся ЭДС одинаковой частоты, но отличающиеся по фазе на угол 120° вследствие их пространственного смещения.

На схемах обмотку статора трехфазного генератора условно изображают так, как показано на рисунке 5.1.2.

Рис. 5.1.2.

Для проведения анализа режима работы и расчета трехфазных электрических цепей необходимо определить положительное направление ЭДС. За положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу фазы. Система, в которой ЭДС фаз генератора имеют одинаковую ам плит>'ду и сдвинуты по фазе относительно друг друга на 2/3 п называется симметричной. В дальнейшем рассматриваются только симметричные системы ЭДС.

Пусть ЭДС каждой фазы меняется по закону синуса. Принимая ЭДС фазы, А за исходную и считая ее начальную фазу равной нулю, можно написать выражения для мгновенных значений ЭДС в следующем виде:

Графики мгновенных значений e_A(t), e_B(t), e_c(t) показаны на рисунке 5.1.3.

Рис. 5.1.3.

Учитывая, что действительные функции e_A(l), e_B(I), e_c(t) можно рассматривать как мнимые части соответствующих комплексных представлений гармонических колебаний [см. формулу (1.3.8)], получим выражения для мгновенных значений’ЭДС в следующем виде:

комплексные амплитуды фазных ЭДС. Разделив в уравнениях (5.1.3) правую и левую части на -^2, получим уравнения комплексных действующих значений фазных ЭДС:

При этом следует иметь в виду:

Векторная диаграмма трехфазной симметричной системы ЭДС показана на рисунке 5.1.4.

Рис. 5.1.4.

Система ЭДС описанная уравнениями (5.1.4), называется системой прямой последовательности. Векторная диаграмма фазных ЭДС прямой последовательности приведена на рисунке 5.1.4,а. При изменении направления вращения ротора последовательность фаз ЭДС изменится и будет обратной. Векторная диаграмма фазных ЭДС обратной последовательности дана на рисунке 5.1.4,б. Еще раз заметим, что, как это следует из уравнения (5.1.5) и рисунков 5.1.3 и 5.1.4, для симметричной трехфазной системы в любой момент времени векторная сумма ЭДС всех фаз равна нулю.

Последовательность фаз, как будет показано далее, определяет направление вращения роторов трехфазных двигателей, ее также надо учитывать при включении трехфазных генераторов на параллельную работу.

Если фазы обмоток статора не соединены между собой, то они образуют несвязанную трехфазную цепь (рис. 5.1.5).

Рис. 5.1.5.

Несвязанные цепи не получили распространения вследствие их неэкономичности (большое число проводов, возможность иметь только одно рабочее напряжение).

Более совершенными являются связанные цепи, в которых фазы обмоток генератора электрически соединены между собой. Фазы обмоток могут быть соединены в звезду (Л) или треугольник (Л). Эти соединения были разработаны и внедрены в практику в 90-х годах прошлого века выдающимся русским электротехником М.О.Доливо-Добровольским. Им же были разработаны конструкции трехфазных двигателей и трехфазных трансформаторов.