СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА

ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ТРЕХФАЗНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Выше были рассмотрены свойства однофазного переменного тока. Однако однофазная система неэкономична вследствие несовершенства однофазных электрических машин. Так, например, при одинаковых габаритах, весах активных материалов (стали и меди)! и потерях энергии мощность однофазной машины в 1,5 раза меньше мощности трехфазной машины. Поэтому для передачи электроэнергии по проводам на большие расстояния с меньшими потерями энергии используют трехфазные системы переменного тока.

Трехфазной системой переменного тока или просто трехфазной системой назы­вается цепь или сеть переменного тока, в которой действуют три э. д. с. одинаковой частоты, но взаимно смещенные по фазе на одну треть периода.

Отдельные цепи, составляющие трехфазную систему, назы­ваются фазами.

Если э. д. с. во всех трех фазах имеют одинаковую амплитуду, то такая трехфазная система называется симметрич­ной.

Впервые в мире передача трехфазного тока была осуществлена русским ученым М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г.

На рис. 63 показана схема простей­шего двухполюсного трехфазного генератора. В пазах статора (неподвижная часть машины) расположены

три катушки А — X, В — Y и С — Z, сдвинутые в пространстве на 1/3 окружности (120°). Внутри статора помещается ротор (вра­щающаяся часть машины), представляющий собою двухполюс­ный электромагнит, питаемый постоянным током, возбуждаю­щим магнитное поле. Ротор приводится во вращение каким-либо двигателем. Магнитные линии, вращаясь вместе с ротором, пересе­кают проводники катушек, заложенных в пазах статора, и индуктируют в этих катушках э. д. с, изменяющиеся синусоидально. Одна­ко синусоиды э.д. с. фаз А, В и С будут сдвинуты одна по отноше­нию к другой на 1/3 периода (рис. 64).

Пусть положительный максимум э.д.с. Е_m в катушке А - X на­ступает в момент, когда сторона А окажется против центра север­ного полюса, а сторона X — против центра южного полюса. Поло­жительный максимум э. д. с. Е_m в катушке В — Y наступит в тот мо­мент, когда центр северного полюса окажется под проводником В,

а центр южного полюса — под проводником Y. Для этого ротор дол­жен повернуться на 1/3 окружности (120°), что соответствует про­межутку времени, равному 1/3 периода. Положительный максимум э. д. с. Е_m в катушке С — Z наступит через 1/3 периода после такого же максимума в катушке В — Y, что соответствует дальнейшему повороту ротора на 1/3 окружности.

При нагрузке генератора на зажимах катушки А—X, В — Y и С — Z устанавливаются напряжения, называемые фазными. При от­сутствии нагрузки (при холостом ходе) фазные напряжения равны э.д. с, индуктируемым в фазах обмотки статора.

СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА

На рис. 65 показана схема генератора, у которого имеются три независимые однофазные цепи. Э.д.с. в этих цепях одинаковы, имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 1/3 периода. К каждой паре зажимов обмотки статора генератора можно под­ключить провода, подводящие ток к нагрузке. Эти три фазы выгод­нее объединить в одну общую трехфазную систему. Для этого об­мотки генератора соединяют между собой звездой или треуголь­ником.

При соединении обмоток генератора звездой (рис. 66) концы всех трех фаз X, Y и Z (или начала A, В и С) соединяются между собой, а от начала (или концов) выводятся провода, отводящие энергию в сеть. Полученные таким образом три провода называются линейными, а напряжение между любыми двумя линейными проводами — линейными напряжениями U _л. От общей точки соединений концов (или начал) трех фаз (от нулевой точки звезды) может

быть отведен четвертый провод, называемый нулевым. Напряжение между любым из трех линейных проводов и нулевым проводом рав­но напряжению между началом и концом одной фазы, т. е. фазному напряжению U_ф.

Обычно все фазы обмотки генератора выполняют одинаковыми так, что действующие значения э. д. с. в фазах равны, т. е. Е_A= Е_B=Е_C. Если в цепь каждой фазы генератора включить нагрузку,

то по этим цепям будут проте­кать токи. В случае одинакового по величине и характеру сопротивления всех трех фаз приемника, т. е. при рав­номерной нагрузке, токи в фазах рав­ны по силе и сдвинуты по фазе относи­тельно своих напряжений на один и тот же угол j. Как максимальные, так и действующие значения фазных напря­жений при равномерной нагрузке рав­ны, т. е. U_A= U_B=U_C. Эти напряжения сдвинуты по фазе на 120°, как показана на векторной диаграмме (рис. 67). Напряжение между любыми точками схемы (см. рис. 66) соответствует век­торам (рис. 67) между теми же точка­ми. Так, например, напряжение между точками A и О схемы (фазное напряжение U_А) соответствует векто­ру A-O диаграммы, а напряжение между линейными проводами А и В схемы — вектору линейного напряжения АВ диаграммы. По векторной диаграмме легко установить соотношение между линей­ным и фазным напряжением. Из треугольника АО а можно запи­сать следующее соотношение:

откуда

т, е. при соединении обмоток генератора звездой линейное напря­жение в = 1,73 раза больше фазного (при равномерной нагрузке).

Из схемы (см. рис. 66) видно, что при соединении обмоток генератора звездой ток в линейном проводе равен току в фа­зах генератора, т. е. Iл=Iф.

На основании первого закона Кирхго­фа можем записать, что ток в нулевом проводе равен геометрической сумме то­ков в фазах генератора, т. е.

При равномерной нагрузке токи в фа­зах генератора равны между собой и сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Геометрическая сумма токов трех фаз в этом случае равна нулю, т. е. в ну­левом проводе тока не будет. Поэтому при симметричной нагрузке нулевой провод может отсутствовать. При несимметричной нагруз­ке ток в нулевом проводе не равен нулю, но обычно нулевой провод имеет меньшее поперечное сечение, чем линейные.

При соединении обмоток генератора треугольником (рис. 68) на­чало (или конец) каждой фазы соединяется с концом (или началом) другой фазы. Таким образом, три фазы генератора образуют за­мкнутый контур, в котором действует э. д. с, равная геометриче­ской сумме э. д. с, индуктированных в фазах генератора, т. е. Еа+Ев +Ес. Так как э. д. с. в фазах генератора равны и сдвинуты

на 1/3 периода по фазе, то геометрическая сумма их равна нулю и, следова­тельно, в замкнутом кон­туре трехфазной системы, соединенной треугольни­ком, никакого тока при отсутствии внешней на­грузки не будет.

Линейные провода при соединении треугольни­ком подключаются к точ­кам соединения начала одной фазы и конца другой. Напряжение между линейными проводами равно напряжению между началом и концом одной фазы Таким образом при соединении обмоток генератора треугольником линейное напряжение равно фазному, т. е.

При равномерной нагрузке в фазах обмоток генератора протекают равные токи, сдвинутые относительно фазных напряжений на одинаковые углы j, т. е. I_AB = I_BC=I_CA

На рис. 69, а изображена векторная диаграмма, на которой показаны векторы фазных напряжений и токов.

Точки соединений фаз и линейных проводов А, В и С являются точками разветвления, и линейные токи не равны фазным. Приняв за положительное направление фазных и линейных токов, указанное на рис. 69, на основании первого закона Кирхгофа для мгновенных значений токов можно написать следующие выражения:

i_A= i_AB- i_CA; i_B= i_BC- i_AB; i_C= i_CA­- i_BC

Так как токи синусоидальны, то заменим алгебраическое вычитание мгновенных значений токов геометрическим вычитанием векторов, изображающих их действующие значения:

Ток линейного провода АI_А определится геометрической разностью: векторов фазных токов I_AB и I_CA.

Для построения вектора линейного тока I_A изобразим вектор фазного тока I_AB (рис. 69,6), из конца которого построим вектор -I_CA, равный и противоположно направленный вектору I_CA. Век­тор, соединяющий начало вектора I_AB с концом вектора -I_CA, является вектором линейного тока I_A Аналогично могут быть построены векторы линейных токов I_B и I_C.

Из векторной диаграммы (рис. 69, б) легко вывести соотношение между линейными и фазными токами при соединении обмоток генератора треугольником. Из треугольника оаб можно записать:

откуда

т. е. присоединении обмоток генератора треугольником линейный ток в раза больше фазного (при равномерной нагрузке).

Пример. Трехфазный генератор переменного тока, обмотка статора которого соединена звездой, при полной нагрузке имеет линейное напряжение 220 в при линейном токе 10 а. Определить линейное напряжение и ток при полной нагрузке генератора, если обмотка статора его будет соединена треугольником.

Решение. Фазное напряжение генератора

в

и фазный ток I_ф =I_л=10 а.

При соединении обмотки генератора треугольником линейное напряжение равно фазному, т. е.

а линейный ток в раз больше фазного, т. е.