Описываются основные физические явления в цепях трехфазного тока.
Определение. Рассмотренный до сих пор ток характеризовался амплитудой и фазой и назывался однофазным. Совокупность трех одинаковых однофазных токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе на одну третью часть периода, называется трехфазным током.
Получение трехфазного тока. Рассмотрим генератор переменного тока с тремя отдельными обмотками, в которых генерируется ток, расположенными под углом $120^{\circ}$ друг относительно друга (рис. 214). Вращающееся магнитное поле, возникшее вследствие вращения постоянного магнита, создает в обмотках генератора одинаковые, но сдвинутые по фазе напряжения:
\[
\begin{array}{ll}
U_{1}=U_{0} \sin \omega t, U_{2}=U_{0} \sin (\omega t+2 \pi / 3), & U_{3}= \\
=U_{0} \sin (\omega t-2 \pi / 3) .
\end{array}
\]
Обмотки генератора удобно изобразить в виде схемы рис. 215.
Соединение обмоток генератора звездой. Если три обмотки генератора использовать без связи друг с другом, то генератор трехфазного тока становится просто совокупностью трех отдельных генераторов однофазного тока и никаких новых элементов не содержит. В частности, для передачи электроэнергии к потребителю требуется три пары проводов.
Если обмотки соединить между собой определенным способом, то у трехфазного тока обнаруживаются специфические свойства, очень полезные для технических применений. Существует два вида соединения обмоток генератора – звездой и треугольником. Схема соединения звездой и векторная диаграмма напряжений на обмотках показаны на рис. $216, a$, б. В этом случае имеется общая точка $O$ одинакового потенциала. Напряжение на каждой из обмоток называется фазным. Проводник, соединенный с точкой общего потенциала, называется нулевым проводом; проводники, соединенные со свободными концами обмоток, называются фазнымн проводами. Таким образом, фазные иапряжения являются напряжениями между нулевым и фазными проводами. Напряжение между фазными проводами называется линейным. Из векторной диаграммы видно, что амплитуды $U_{\text {ол }}$ и $U_{\text {оф }}$ линейных и фазных напряжений находятся в следующем соотношении друг с другом:
$U_{\text {ол }}=2 U_{\text {оф }} \sin 60^{\circ}=U_{\text {оф }} \sqrt{3}$.
В частности, если $U_{\text {оф }}=127 \mathrm{~B}$, то $U_{\text {ол }}=220 \mathrm{~B}$. Ток $I_{\phi}$, текущий через обмотки, называется фазным током, а ток $I_{r .}$ текущий в линии, – током линии. При соединении звездой фазные токи равны токам в линии $\left(I_{\phi}=I_{л}\right)$. Если к каждой из обмоток присоединить одинаковые нагрузки $R$, то суммарная сила тока через нулевой провод равна нулю, поскольку
\[
I_{1}+I_{2}+I_{3}=\frac{1}{R}\left(U_{1}+U_{2}+U_{3}\right)=0,
\]
так как из векторной диаграммы видно, что $\sum_{i} U_{i}=0$.
Соединение обмоток генератора звездой позволяет для передачи электроэнергии вместо шести проводов использовать только четыре, что является немаловажным преимуществом.
Соединение обмоток генератора треугольником. Схема такого соединения и векторная диаграмма изображены на рис. $217, a$, б. В этом случае $U_{\text {оф }}=U_{\text {от }}$ Из векторной диаграммы токов (рис. 218) находим:
\[
\begin{array}{l}
I_{\text {ол }}=2 I_{\text {оф }} \cos 30^{\circ}=I_{\text {оф }} \sqrt{3} . \\
I_{\text {іф }}+I_{2 \phi}+I_{\text {зф }}=I_{\text {л. }}
\end{array}
\]
При соединении обмоток генератора без нагрузки треугольником ток замыкания в обмотках отсутствует. Но это справедливо только для основной гармоники. Токи высших гармоник, всегда возбуждаемые в результате нелинейности колебаний, в обмот-
216
Соединение обмоток трехфазного генератора звездой (a); соответствующая векторная диаграмма напряжений (б)
217
Соединение обмоток трехфазного генератора треугольником (a); соответствующая векторная диаграмма напряжений (б)
Соединение треугольник – звезда
ках присутствуют. Поэтому обмотки мощных генераторов, как правило, не соединяют треугольником.
Соддинение нагрузок. Нагрузки между со-
бой также можно соединить звездой и треугольником и затем подключить к трехфазному генератору, обмотки которого между собой связаны по схеме звезды или треугольника. Таким образом, имеется четыре возможные комбинации соединения генератора и нагрузок (рис. 219-222).
Каждое из таких соединений имеет свои особенности.
При соединении звезда-звезда (рис. 219) на всех нагрузках имеется разное напряжение. При приблизительно равных нагрузках в соответствии с (52.3) сила тока по нулевому проводу очень мала. Тем не менее нулевой провод нельзя убрать, поскольку без него на каждую из пар нагрузок действует линейное напряжение $U_{\text {ол }}=U_{\text {оф }} \sqrt{3}$, которое распределяется между нагрузками в соответствии с их сопротивлениями. Однако такая зависимость напряжений от нагрузок недопустима, поэтому необходимо всегда сохранять нулевой провод и не вводить в него предохранители.
При соединении звезда – треугольник (рис. 220) на каждую нагрузку действует линейное напряжение $U_{\text {ол }}=U_{\text {оф }} \sqrt{3}$ независимо от сопротивления нагрузки.
При соединении треугольник – треугольник (рис. 221) на всех нагрузках действует фазное напряжение независимо от сопротивления нагрузок.
При соединении треугольник – звезда (рис. 222) напряжение на каждой нагрузке равно $U_{\text {оф }} / \sqrt{3}$.
Получение вращающегося магнитного поля. Если к обмоткам генератора (см. рис. 214) подвести трехфазный ток, то в пространстве между ними возникает вращающееся магнитное поле, соответствующее полю вращающегося магнита, который генерировал ток. Если вместо магнита устано-
приведен во вращение, т. е. генератор будет работать как асинхронный двигатель. Таким образом, при использшвании трехфазного тока конструкция эектродвигателей значительно упроџается, что является также большим преимуществом.
Первым получил вращающееся магнитное поле с помощью трехфазного тока Доливо-Добровольский (1862-1919), им же в 1889 г. был построен первый асинхронный двигатель и затем осуществлена передача электрической энергии с помощью трехфазного тока на большое расстояние. Трехфазный ток обеспечил широкое и эффективное применение тока в технике.
