Статьи

Трехфазный ток

В каждую квартиру подводится однофазный переменный ток. Он течет по двум проводам, как и постоянный ток. Но постоянный ток по одному проводу течет к потребителю энергии, например к лампочке, а по другому — возвращается к источнику тока. Таким образом, в каждом проводе направление тока все время остается постоянным. Переменный ток непрерывно меняется в обоих проводах с частотой 50 пер/сек.

Для питания электродвигателей применяется однофазный ток осветительной сети. Для того чтобы знать, откуда он поступает, надо хотя бы вкратце ознакомиться с трехфазным током.

Все электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток, который имеет ряд преимуществ перед однофазным током. На рисунке схематически изображен принцип действия генератора трехфазного тока, состоящего из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором. В пазы статора вложены три катушки, намотанные из медного провода. Для упрощения объяснений будем считать, что каждая катушка представляет собой один виток, состоящий из двух проводников. Проводники одного витка вложены в пазы, расположенные на диаметрально противоположных точках окружности статора. Таким образом, один виток лежит в пазах A и X, второй — в пазах B и Y, а третий — в пазах C и Z; A, B, C — начала витков, а X, Y, Z-концы. Начала симметрично расположены по окружности и расстояние между ними измеряется дугой 120°. Также симметрично расположены и концы витков. Каждый виток будем называть фазой обмотки статора, обозначая фазы буквами, которыми обозначены их начала. Так, например, виток, лежащий в пазах A и X, будем называть фазой A. На рисунке дугами показаны соединения проводников, образующих один виток. На роторе укреплен двухполюсный магнит, состоящий из двух широких наконечников N и S и узкой перемычки между ними. В генераторах трехфазного тока на этот магнит намотана обмотка, питаемая постоянным током. Для упрощения рисунка обмотка здесь не показана, как будто это постоянный магнит. Магнит ротора вращается при помощи механического двигателя в направлении вращения стрелок часов.

Принцип действия трехфазного генератора

Сравнивая генератор переменного тока с машиной постоянного тока, мы видим, что в генераторе переменного тока отсутствует коллектор, так как не надо выпрямлять ток. Обмотка статора, в которой наводится ЭДС, помещена на неподвижной части для того, чтобы можно было соединить потребителей с обмоткой генератора без контактных колец и без щеток. Это упрощает изготовление генератора и делает его работу более надежной. Контактные кольца нужны только для подвода постоянного тока к обмотке ротора. Ток этот небольшой, и изготовление контактных колец для него не представляет трудностей. В генераторах постоянного тока проводники якоря пробегают в магнитном поле неподвижных полюсов. В генераторе переменного тока проводники неподвижны, а магнит вращается. От такой перестановки принцип электромагнитной индукции не нарушается.

Теперь посмотрим, как получается трехфазный ток. В положении, изображенном на рисунке, полюса магнита находятся против проводников фазы A. По закону правой руки в проводнике A ток будет направлен к нам, а в проводнике X — от нас. В момент, когда под проводником проходит середина полюса, в проводнике наводится наибольшая ЭДС, соответствующая верхней точке синусоиды. В следующие моменты времени полюсные наконечники будут уходить из-под проводников фазы A, и ЭДС в них будут уменьшаться. Когда магнит повернется на 90°, магнитное поле не будет пересекать проводников фазы A, и ЭДС в них будет равна 0.

Когда ротор повернется на 180°, северный полюс магнита будет против проводника X, а южный полюс – напротив проводника A. Нетрудно сообразить, что направления наведенных в проводниках ЭДС изменятся на обратные.

После поворота ротора на 270° полюсные наконечники той же полярности, что и показанные на рисунке, будут снова приближаться к проводникам фазы A и ЭДС в них будут увеличиваться. Когда ротор придет в положение, показанное на рисунке, ЭДС в проводниках достигнут наибольшего значения. На этом заканчивается период изменения ЭДС и токов в фазе A.

Но ведь при вращении ротора наконечники магнита проходили и под проводниками двух других фаз, поэтому и в них происходили такие же изменения ЭДС и токов. Изменения эти совершались в различных фазах не одновременно: если наибольшая ЭДС в фазе A была в положении, указанном на рисунке, то в фазе B она наступит, когда ротор установится в положение B-Y. Сколько же времени пройдет между этими положениями ротора? Это нетрудно определить: для получения тока с частотой 50 пер/сек ротор должен вращаться со скоростью 50 об/сек, расстояние от паза A до паза B составляет 1/3 окружности, следовательно, промежуток времени между максимальными значениями ЭДС одного и того же направления в разных фазах составляет 1/150 сек.

Генераторы переменного тока называются синхронными, потому что ротор вращается с одинаковой скоростью (синхронно) с изменением ЭДС и токов в проводниках.

Мы видели, как образуется трехфазный ток в проводниках обмотки генератора. Теперь осталось рассмотреть, как соединяется трехфазный генератор с потребителями энергии. Обмотка статора состоит из трех фаз. Каждая фаза имеет начало и конец обмотки. Следовательно, трехфазная обмотка имеет всего шесть выводов. Надо ли все шесть выводов обмотки соединять с потребителями?

Для ответа на этот вопрос ознакомимся с одним интересным свойством трехфазного тока. Токи подобно силам в механике можно изображать векторами. Соединим концы всех трех фаз в одну точку, а к началам фаз присоединим потребителей переменного тока. Токи в фазах можно представить тремя векторами, выходящими из одной точки и расположенными друг от друга на 1/3 окружности, т. е. на 120°. Попробуем найти сумму токов во всех трех фазах в положении 1. Если бы они были расположены по одному направлению, то их геометрическая сумма была бы равна алгебраической. Но векторы расположены под углом, и геометрическую сумму их можно получить как сумму проекций всех векторов на неподвижную ось, например, на вертикальную. Возьмем длину каждого вектора равной 1, 7 см. Проекция вектора A будет также равна 1, 7 см. Для нахождения величин проекций векторов B и C проведем из их концов горизонтальные пунктирные линии. Получим два прямоугольных треугольника с углами 30 и 60°. Проекции этих векторов на вертикальную ось будут иметь размеры 0, 85 см, так как синус угла 30° равен 0, 5. В сумме они дадут отрезок длиной 1, 7 см, направленный вниз, т. е. противоположно направлению вектора A. Таким образом, сумма векторов равна нулю.

При вращении ротора токи в фазах будут изменяться. Это равносильно тому, что мы будем поворачивать систему векторов в направлении вращения ротора. В положении 2 звездочка векторов повернута на 90° по часовой стрелке. Теперь проекция тока в фазе A равна 0, а проекции токов в фазах B и C равны и направлены противоположно, т. е. в сумме дадут нуль. Предоставляем читателям проследить, что сумма токов при повороте на 180° и 270° также будет равна нулю. Таким образом, в трехфазной сети сумма токов всех трех фаз в любой момент равна нулю. Следовательно, нет необходимости от каждой фазы вести обратный провод, по которому ток возвращался бы от потребителя обратно в генератор. Трехфазный ток можно передавать по трем проводам. Остальные три провода трехфазной обмотки соединяются внутри генератора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *