5.2. Понятие о трехфазном токе. Вращающееся магнитное поле

До 90-х годов XIX в. на практике использовался однофазный ток, то есть от источника тока к потребителю шла линия из двух проводов. Однако попытки создать мощные электродвигатели однофазного тока оказались неудачными, поэтому долгое время переменный ток применялся в основном для освещения.

Систему трехфазного тока предложил и реализовал на практике выдающийся русский инженер М.О. Доливо-Добровольский (1862-1919). После демонстрации системы на Парижской выставке 1891 г. она завоевала всемирное признание и получила распространение во всех странах. К преимуществам трехфазной системы относятся: а) меньший расход материала проводов при одинаковой с однофазной системой мощности; б) простота, надежность и экономичность генераторов и электродвигателей; в) возможность иметь у потребителя напряжения двух разных значений, например 380 и 220 В.

Трехфазной системой электрической цепи называют систему, состоящую из трех электрических цепей синусоидального тока одной частоты, ЭДС которых сдвинуты по фазе на угол 2/3π(120⁰). Если амплитуды ЭДС равны между собой, то систему называют симметричной. Каждую отдельную цепь трехфазной системы сокращенно называют фазой (обозначают буквами А, В и С).

Три одинаковые по частоте и амплитуде, сдвинутые по фазе на 120⁰, ЭДС получаются в трехфазных синхронных генераторах электрических станций. Простейший синхронный генератор (рис. 5.1) имеет на статоре три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 120⁰ относительно друг друга. При вращении ротора (электромагнита) в обмотках статора индуцируются три синусоидальные ЭДС, мгновенные значения которых можно записать следующим образом (начальная фаза ЭДС ε_A принята равной нулю):

На рис. 5.2 представлено изменение во времени ЭДС в обмотках генератора.

Каждая из обмоток генератора является самостоятельным источником электроэнергии. Таким образом, можно считать, что генератор трехфазного тока представляет собой систему из трех генераторов однофазного переменного тока. Если эту систему рассматривать как несвязанную, то для передачи энергии потребителю потребуется шесть проводов (рис. 5.3). Такая система не представляет практического интереса. Число проводов, соединяющих источник с нагрузкой, можно уменьшить, если обмотки генератора соединить звездой или треугольником.

При соединении звездой концы всех трех обмоток генератора соединяют в одну точку О, которую называют нулевой или нейтральной (рис. 5.4). Провод, присоединенный к нулевой точке, называют нейтральным. Провода, идущие к приемникам электропередачи от начала А, В, С фаз, называют линейными. Очевидно, что ток генератора, обмотки которого соединены звездой, подводится к приемникам четырьмя проводами.

Напряжение между началами и концами фаз или между каждым из линейных проводов и нейтральным проводом называют фазным напряжением. Напряжение между началами двух фаз или между линейными проводами называют линейным напряжением. Если между нейтральным и каждым из линейных проводов включены одинаковые нагрузочные сопротивления (лампы, электродвигатели и т.п.), то ток в нейтральном проводе, равный геометрической сумме фазных токов, равен нулю (по нейтральному проводу будут протекать три тока i_A, i_B, i_C, сдвинутые по фазе на 2/ 3π и поэтому суммарная сила тока i=0). Следовательно, при симметричной нагрузке нейтральный провод не нужен и четырехпроводная линия может быть заменена трехпроводной.

      

При соединении обмоток генератора треугольником (рис. 5.5) начало одной фазы совпадает с концом другой. Обмотки образуют замкнутый контур, в котором действуют три ЭДС. Из общих точек А, В, С выводятся провода к приемникам электроэнергии, которые могут соединяться звездой и треугольником.

На первый взгляд кажется, что в контуре АВСА получается короткое замыкание. Однако это не так: ЭДС сдвинуты относительно друг друга на угол 120⁰, поэтому в любой момент времени сумма мгновенных значений трех ЭДС (рис. 5.2) равна нулю.

В схеме соединения фаз генератора треугольником фазные напряжения равны линейным. Очевидно, что при таком соединении линия электропередачи является трехпроводной.

В основе работы большинства электродвигателей, многих измерительных приборов и различной аппаратуры регулирования на переменном токе лежит вращающееся магнитное поле. Принцип получения такого поля заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается «бегущее» поле.

Рассмотрим получение вращающегося поля на примере простейшей системы, представленной на рис. 5.6. Она состоит из двух пар катушек, помещенных перпендикулярно друг другу. Между катушками помещается металлический цилиндр или диск, способный вращаться вокруг оси О. Токи в обеих парах катушек сдвинуты по фазе на угол φ. Это может быть достигнуто путем включения в цепь одной из катушек индуктивности или емкости. Амплитудные значения токов путем подбора параметров цепи можно сделать одинаковыми.

Предположим, что угол сдвига фаз между токами в катушках равен ^π/₂. Тогда напряженность магнитного поля, созданного одной парой катушек (например, расположенной вертикально), будет изменяться по закону

а напряженность поля горизонтальной пары катушек

Модуль вектора напряженности результирующего магнитного поля

то есть все время равен амплитудному значению, а вектор H₀ вращается по или против часовой стрелки с некоторой циклической частотой ω, которая определяется из соотношения

Вращающееся магнитное поле создает в цилиндре или диске индукционный ток. Рассмотрим взаимодействие этого тока и поля. В некоторой точке диска при приближении к ней вращающегося вектора H₀ возникает индукционный ток такого направления, что его поле по правилу Ленца должно отталкиваться от вращающегося поля (от вектора H₀). Следовательно, возникает сила, стремящаяся вращать диск в том же направлении, в котором вращается магнитное поле. В точке, от которой удаляется вектор H₀, возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле стремится противодействовать удалению H₀, следовательно, возникает сила, поворачивающая диск вслед за удаляющимся вектором H₀.

На рассмотренном принципе основано действие двигателей переменного тока (асинхронных моторов). В однофазных двигателях сдвиг фаз между токами в двух парах катушек обычно создается включением конденсатора емкостью С в цепь одной из пар катушек. Возникает вращающееся поле, которое индуцирует ток в обмотке ротора, вследствие чего ротор вращается вслед за вектором напряженности магнитного поля, но с несколько меньшей скоростью (со скольжением), что необходимо для возникновения индукционного тока и создания вращающего момента ротора.

В трехфазных двигателях фазы А, В и С обмотки статора подключены к трехфазной сети и сдвинуты относительно друг друга в пространстве вдоль окружности статора на равные углы 120⁰.