Глава десятая. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

10-1. Понятие о многофазных источниках питания и о многофазных цепях

На рис. 10-1 схематично показано устройство генератора переменного тока с тремя обмотками на статоре Ради упрощения каждая обмотка показана состоящей только из двух проводов, заложенных в диаметрально противоположные пазы статора. Эти провода на заднем торце статора соединены друг с другом (соединения показаны пунктиром). На переднем торце статора они оканчиваются зажимами А, X, В, Y, С, Z, которые служат для подсоединения внешней цепи.

Наводимые в обмотках э. д. с. максимальны, когда ось полюсов ротора пересекает проводники статора. Для разных обмоток это происходит в различные моменты времени. Поэтому наводимые э. д. с. не совпадают по фазе.

Генераторы с несколькими обмотками, в которых наводятся э. д. с. одинаковой частоты, но сдвинутые относительно друг друга по фазе, называются многофазными генераторами. Соответственно любые источники питания, имеющие несколько зажимов (полюсов), между которыми создаются напряжения одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе, называются многофазными источниками питания. Совокупность электрических цепей с многофазными источниками питания называется многофазной системой электрических цепей. Отдельные ее части называются фазами, например, отдельные обмотки генератора называют фазными обмотками или, кратко, фазами генератора. Таким образом, в электротехнике термин «фаза» имеет два различных значения: он является понятием, характеризующим стадию периодического процесса и, с другой стороны, наименованием составной части многофазной системы электрических цепей.

Рис. 10-1.

По числу фаз многофазные источники питания и системы цепей подразделяются на двух-, трех-, четырехфазные и т. д.

В соответствии с этой классификацией генератор с тремя обмотками (рис. 10-1) — трехфазный, а цепи переменного тока, рассмотренные в предыдущих главах, можно назвать однофазными.

Впервые многофазные системы цепей и многофазные генераторы были применены на практике П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей. В его установках обмотки многофазных генераторов присоединялись к электрически не соединенным друг с другом линиям, питавшим отдельные группы свечей. Такого рода многофазные системы цепей получили название несвязанных. В настоящее время вследствие существенных преимуществ применяются многофазные системы цепей, гальванически соединенные друг с другом. Такие многофазные системы цепей называются связанными. Способы соединения или связывания цепей рассматриваются ниже (§ 10-2). Связанная многофазная система цепей по существу образует одну сложную разветвленную цепь, поэтому обычно она называется просто многофазной цепью.

В электроэнергетике вследствие наибольшей экономичности и технического совершенства применяются почти исключительно трехфазные цепи. Все звенья трехфазной цепи, начиная от генератора

и кончая двигателем, были изобретены и разработаны известным русским инженером и ученым М. О. Доливо-Добровольским.

В установках, преобразующих переменный ток в постоянный, встречаются шести- и реже двенадцатифазные цепи. В автоматике и телемеханике применяются двухфазные цепи.

Крайним точкам фазных обмоток генераторов дают наименования «начало» и «конец». В трехфазных генераторах «начала» обозначим первыми буквами латинского алфавита А, В и С, а «концы» — последними буквами X, Y и Z (более сложные обозначения по ГОСТ здесь не рассматриваются.). При разметке руководствуются следующим условием: при одинаковых положительных направлениях э. д. с. во всех обмотках от «концов» к «началам» (или от «начал» к «концам») э. д. с. должны быть сдвинуты по фазе друг относительно друга симметрично. Исключение в этом отношении составляют двухфазные генераторы (см. ниже). Поясним сказанное на примере трехфазного генератора.

Рис. 10-2.

Покажем, что разметка концов фазных обмоток на рис. 10-1 удовлетворяет принятому условию, т. е. что э. д. с. в фазах А, В и С сдвинуты друг относительно друга симметрично на 1/3 периода. Выберем положительные направления э. д. с. во всех обмотках от концов к началам. В момент времени, соответствующий положению ротора, показанному на рис. 10-1, э. д. с. в обмотке Л максимальна и имеет направление, которое принято положительным, т. е. в этот момент э. д. с. в обмотке А достигает положительного максимума. Положительный максимум э. д. с. в обмотке В наступит позже, когда ротор повернется на 1/3 оборота. Так как один оборот ротора двухполюсного генератора соответствует одному периоду изменения э. д. с. в любой обмотке, то поворот ротора на 1/3 оборота соответствует 1/3 периода и, следовательно, э. д. с. в обмотке В отстает по фазе от э. д. с. в обмотке А на 1/3 периода. Рассуждая аналогично, можно убедиться, что э. д. с. в обмотке С отстает по фазе от э. д. с. в обмотке В также на 1/3 периода.

На рис. 10-2 показаны векторная диаграмма и график мгновенных э. д. с. трехфазного генератора.

Порядок, в котором э. д. с. в фазных обмотках генератора проходят через одинаковые значения, например через положительные максимумы, называют последовательностью фаз или порядком чередования фаз. При указанном на рис. 10-1 направлении вращения ротора получаем последовательность фаз ABC и т. д. Если изменить направление вращения ротора на противоположное, то последовательность фаз получится обратной. У генераторов роторы вращаются всегда в одном направлении,

поэтому последовательность фаз никогда не изменяется и может быть раз навсегда установлена и обозначена. Ее обозначение связывают с наименованием фаз. Наименования устанавливаются первыми буквами латинского алфавита, причем таким образом, чтобы нормальный порядок букв (А, В и С) соответствовал последовательности фаз.

Рис. 10-3.

Рассмотренная совокупность э. д. с. в обмотках трехфазного генератора называется трехфазной системой э. д. с. Совокупности э. д. с. (напряжений, токов) в многофазных цепях называют многофазными системами э. д. с. (напряжений, токов). Эти системы называют симметричными, если все э. д. с. (напряжения, токи) равны по величине и если каждая э. д. с. (напряжение, ток) отстает по фазе от предыдущей э. д. с. (напряжения, тока) на один и тот же фазный угол, равный , где — число фаз.

На рис. 10-3, а в качестве примера приведена векторная диаграмма симметричной системы э. д. с. шестифазного генератора.

Двухфазные генераторы изготовляются таким образом, чтобы э. д. с. в одной из обмоюк была сдвинута по фазе относительно э. д. с. другой обмотки на 1/4 периода. Векторная диаграмма системы э. д. с. двухфазного генератора приведена на рис. 10-3, б, эта система э. д. с. несимметрична.