Понятие о многофазных источниках питания и о многофазных цепях

На рис. 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 штриховой линией). На переднем торце статора они оканчиваются зажимами А, X, В, Y, С, Z, которые служат для подсоединения внешней цепи.

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

Генераторы с несколькими обмотками, в которых наводятся ЭДС одинаковой частоты, но сдвинутые относительно друг друга по фазе, называются многофазными генераторами. Соответственно любые источники питания, имеющие несколько выводов (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, с одной стороны, понятием, характеризующим стадию периодического процесса, и, с другой стороны, наименованием составной части многофазной системы электрических цепей.

По числу фаз многофазные источники питания и системы цепей подразделяются на двух-, трех-, четырех-фазные и т. д. В соответствии с этой классификацией генератор с тремя обмотками (рис. 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, соединенные друг с другом. Такие многофазные системы цепей называются связанными (пособы соединения или связывания цепей). 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.

Выводам 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 ЭДС во всех обмотках от "концов" к "началам" (или от "начал" к "концам") ЭДС должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга симметрично. Исключение в этом отношении составляют двухфазные генераторы (см. ниже). Поясним сказанное на примере трехфазного генератора.

Покажем, что разметка концов фазных обмоток на рис. 1 удовлетворяет принятому условию, т. е. что ЭДС в фазах А, В и С сдвинуты относительно друг друга симметрично на 1/3 периода. Выберем положительные направления ЭДС во всех обмотках от концов к началам. В момент времени, соответствующий положению ротора, показанному на рис. 10.1, ЭДС в обмотке А максимальна и имеет направление, которое принято положительным, т. е. в этот момент ЭДС в обмотке А достигает положительного максимума. Положительный максимум ЭДС в обмотке В наступит позже, когда ротор повернется на 1/3 оборота. Так как один оборот ротора двухполюсного генератора соответствует одному периоду изменения ЭДС в любой обмотке, то поворот ротора на 1/3 оборота соответствует 1/3 периода и, следовательно, ЭДС в обмотке В отстает по фазе от ЭДС в обмотке А на 1/3 периода. Рассуждая аналогично, можно убедиться, что ЭДС в обмотке С отстает по фазе от ЭДС в обмотке В также на 1/3 периода.

На рис. 2 показаны график мгновенных значений и векторная диаграмма ЭДС трехфазного генератора.

При построении графика мгновенных значений (рис. 2, а) у ЭДС выбрана начальная фаза:

Им соответствуют комплексные действующие значения:

На диаграмме рис. 2,6 вектор направлен вертикально, так как при расчете трехфазных цепей принято направлять вертикально вверх ось действительных величин.

Порядок, в котором ЭДС в фазных обмотках генератора проходят через одинаковые значения, например через положительные максимумы, называют последовательностью фаз или порядком чередования фаз. При указанном на рис. 1 направлении вращения ротора получаем последовательность фаз АБСА 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.

Рассмотренная совокупность ЭДС в обмотках трехфазного генератора называется трехфазной системой ЭДС. Совокупности ЭДС (напряжений, токов) в многофазных цепях называют многофазными системами ЭДС (напряжений, токов). Эти системы называют симметричными, если все ЭДС (напряжения, токи) равны по амплитуде и если каждая ЭДС (напряжение, ток) отстает по фазе от предыдущей ЭДС (напряжения, тока) на один и тот же фазный угол, равный 2p/m, где m — число фаз.

На рис. 3, а в качестве примера приведена векторная диаграмма симметричной системы ЭДС шестифазного генератора.

Двухфазные генераторы изготовляются таким образом, чтобы ЭДС в одной из обмоток была сдвинута по фазе относительно ЭДС другой обмотки на 1/4 периода. Векторная диаграмма системы ЭДС двухфазного генератора приведена на рис. 3,6, эта система ЭДС несимметрична.

Дополнительно по теме