Получение трехфазного тока

В 80-х годах прошлого 19 века талантливый русский инженер М.О. Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока, изобрел трехфазный генератор, трехфазный трансформатор и асинхронный трехфазный двигатель. Он впервые осуществил передачу энергии трехфазным током на значительное для того времени расстояние (мощность 200 л.с. передавалась на 170 км при напряжении 15000 в).

Свои изобретения М.О. Доливо-Добровольский демонстрировал на электротехнической выставке во Франфурте-на-Майне в 1891 г.

С того времени трехфазный ток получил широкое распространение в промышленности.

Трехфазный ток имеет следующие преимущества перед однофазным:

- экономия до 25% цветных металлов на сооружение линий электропередачи (для передачи одной и той же мощности при тех же условиях);

- возможность применения трехфазных асинхронных двигателей, простых по конструкции, удобных и надежных в эксплуатации;

- наличие двух эксплуатационных напряжений при четырехпроводной системе, получаемой в случае соединения звездой.

Систему трехфазного тока можно рассматривать как частный случай системы многофазного тока.

Под многофазной системой, или системой многофазных токов, подразумевается совокупность нескольких цепей, в которых одновременно действуют э.д.с. одинаковой частоты и амплитуды, но сдвинутые между собой по фазе.

В симметричной трехфазной системе э.д.с. сдвинуты между собой по фазе на равные углы (120^о).

Представим себе неподвижный кольцевой цилиндр из стали (статор), в диаметрально противоположных пазах которого размещены три отдельных витка или катушки с одинаковым числом витков из изолированной проволоки (рис. 21).

NS – электромагнит; А, В, С – начала обмоток; Х, У, Z – концы обмоток.

Рисунок 21 – Получение трехфазного тока

Плоскости катушек располагают в пространстве так, чтобы они составили между собой одинаковые углы в 120^о.

Пусть А, В, и С будут начала катушек, а Х, У и Z – их концы.

Под началами будем подразумевать выводы обмоток, идя от которых вдоль пазов, можно обойти все три обмотки в одном и том же направлении (например, по вращению часовой стрелки). Таким образом, начала обмоток (а также концы) при выходе из пазов будут сдвинуты между собой на угол 120^о.

Внутри статора поместим вращающийся электромагнит (ротор), обмотку которого будем питать постоянным током.

При вращении ротора с помощью теплового или гидравлического двигателя его магнитные силовые линии будут пересекать проводники катушек статора, вследствие чего в них появляется э.д.с. Направление э.д.с. во всех проводниках каждой катушки будет согласованным (э.д.с. складываются).

Условимся считать положительным направлением э.д.с. и токов в катушках, если они будут направлены от концов к началам обмоток (на рис. 21 положительные направления указаны стрелками).

Однако нулевые или максимальные значения э.д.с. в разных катушках не будут наступать одновременно.

Пусть ротор вращается в направлении движения стрелки часов. Для положения ротора, указанного на рисунке, э.д.с. в первой катушке (АХ) имеет наибольшее положительное значение. Очевидно, положительный максимум э.д.с. во второй катушке (ВУ) наступит только после того, как ротор повернется на угол 120^о; время, в течение которого он успеет повернуться на 120^о, будет равно периода.

Положительный максимум э.д.с. в третьей катушке (СZ) наступит после того, как ротор повернется на 120^о относительно второй катушки (ВУ), что произойдет также в течение периода.

При синусоидальном изменении магнитной индукции в воздушном зазоре э.д.с. в каждой катушке будет меняться по синусоидальному закону. Поэтому э.д.с. в катушках могут представлены тремя синусоидами, смещенными на угол 120^о ( ) по фазе или на периода во времени (рис. 22).

Рисунок 22 – Кривые э.д.с. трех- Рисунок 23 – Векторная диаграмма

фазной системы э.д.с. симметричной трехфазной

системы

Их можно изобразить также тремя векторами, расположенными симметрично и сдвинутыми между собой на 120^о (рис. 23).

Необходимо помнить, что векторная диаграмма получается симметричной лишь при одинаковых положительных направлениях во всех обмотках. Если, например, изменить положительное направление в первой катушке (АХ) на обратное, то изменится векторная диаграмма э.д.с., которая будет выглядеть в виде веера (рис. 24). Однако все соотношения, вытекающие из этой векторной диаграммы, будут справедливыми.

Рисунок 24 – Векторная диаграмма э.д.с. с несимметричным расположением векторов.

Если в первой катушке будет индуктироваться э.д.с.

, (57)

то, э.д.с. во второй катушке будет отставать 120^о от э.д.с. в первой катушке

, (58)

и, э.д.с. в третьей катушке будет отставать на 240^о от э.д.с. в первой катушке

. (59)

Здесь и – мгновенные значения э.д.с. в отдельных катушках;

Е_м – амплитуда э.д.с.

Поскольку все катушки имеют одинаковую конструкцию, Е_мА = Е_мВ = Е_мС = Е_м.

В каждую из обмоток трехфазного генератора включим свою нагрузку z_A, z_B, z_C (рис. 25).

В результате получим три самостоятельные однофазные цепи, в которых э.д.с. будут сдвинуты по фазе на 120^о или на периода. Такая трехфазная система называется несвязанной (или независимой).

В этой системе для передачи энергии от генератора к потребителям требуется шесть проводов, поэтому никакого преимущества по сравнению с передачей энергии однофазным током она не дает.

Обмотки генератора, питающие провода и приемники электрической энергии, в трехфазных системах обычно называют фазами.

Если активные, индуктивные и емкостные сопротивления потребителей разных фаз будут соответственно равны, то токи в фазах I_A, I_B и I_C , будут также равны и сдвинуты на одинаковые углы относительно своих э.д.с. (рис.26). в этом случае нагрузка называется симметричной, или равномерной (например, трехфазные двигатели).

В принципе генератор может иметь не 3, а т обмоток. В этом случае будет многофазная система с количеством фаз т.

Если все обмотки генератора одинаковы по своей конструкции (что обычно всегда бывает в условиях практики) и сдвинуты между собой на равные углы , то система э.д.с., получаемых от такого генератора, будет симметричной.

Лекция № 9