Генератор 3 фазного тока

Генератор 3 фазного тока

Несмотря на столь широкое применение, немногие знают, что собой представляет трехфазный ток. И это простительно, поскольку не все получали высшее профильное образование по профессии электрика. Поэтому цель этой статьи — рассказать в общих чертах о переменном трехфазном электрическом токе. Людям, не связанным с техническим науками, а также начинающим специалистам, будет интересно узнать, что это такое, где применяется, в том числе о его положительных и отрицательных сторонах.

Что такое трехфазный ток

Электрической цепью с трехфазной системой называют схему подключения, к которой подводят три жилы кабеля. В каждой действуют переменные электродвижущие силы одинаковых частот, но сдвинутых по фазе на одну треть периода относительно друг друга. На языке физике сдвиг выглядит как alpha = 2*pi/3. Каждую отдельную цепь всей схемы в целом называют фазой. А поскольку их три, то и вся схема получила соответствующее название.

Практически все генераторы электрических станций вырабатывают трехфазный ток. Они совмещают в себе конструкцию одновременной инициации возбуждения сдвинутых относительно друг друга электродвижущих сил. В его устройство входят три независимых якоря, расположенных на статоре установки и удаленных друг от друга на одну треть окружности. В центре размещается элемент индукции, представленный как постоянный магнит.

На рисунке видно отличие трехфазного тока от однофазного. На схеме показаны три катушки, которые сами по себе являются независимыми генераторами напряжения. Если включить каждую из них в отдельную сеть со своей нагрузкой, то они способны питать электричеством любые приборы.

Однако продолжая логику схематического подключения проводки, для общего электроснабжения оборудования-приемника потребуется шесть кабелей. С точки зрения рациональности, такая цепь будет громоздкой и не экономной. Поэтому катушки соединяют таким образом, чтобы обойтись всего тремя или четырьмя кабелями. Такую систему называют трех- и четырехжильной, одна из которых нулевая, то есть не находится под токовым напряжением.

Зачем нужен трехфазный ток

Однофазный и трехфазный переменный ток широко применяются в промышленной и бытовой сфере. Однако в последнее время все больше потребителей предпочитают отказываться от первого и склоняются к последнему.

И дело даже не в увеличении мощности и включении большего количества электрического оборудования. Порой разница между силовой нагрузкой даже не заметна, а при определенных параметрах сети входная мощность для обоих цепей может быть одинаковой.

Основным потребителем является трехфазное оборудование. В эту группу входит:

  • асинхронные электроприводы;
  • нагревательные установки;
  • промышленное оборудование.

Наиболее частым потребителем трехфазного тока является асинхронный двигатель. Именно в составе этой сети они показывают наилучшие рабочие параметры, высокое КПД при относительно низких энергозатратах.

К тому же, приводы, обогреватели, котлы, электрические печи, обогреватели не перекашивают фазы. Для чувствительного оборудования такое проседание — тема очень щекотливая.

Обратите внимание! В реальности обеспечить одинаковую нагрузку на всех трех фазах невозможно. Соответственно, напряжение всегда будет неодинаковым.

Поскольку в помещении присутствует еще несколько потребителей, необходима дополнительная система, которая сможет распределять нагрузку равномерно по всем приемникам. Для этого нужна трехкабельная цепь. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока происходит к той цепи, на которую приходится меньше всего потребителей.

Однако распределительные системы для цепей трехфазного тока получаются очень громоздкими и занимают много места. Оно требует дополнительных систем безопасности, так как напряжение таких сетей составляет 380 В. При коротком замыкании ток будет в разы больше, чем при привычных нам 220 В.

Преимущества и недостатки

Как и все материальное, трехфазный ток имеет свои плюсы и минусы. К положительным моментам применения систем с тремя или четырьмя проводами относится:

  • экономичность. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используют жилы из цветных металлов, имеющих небольшие удельные сопротивления. Вольтаж делят пропорционально количеству кабелей. За счет распределения нагрузок инженеры могут уменьшить количество проводов и их сечение, что при стоимости редких материалов дает заметную экономию;
  • эффективность. Параметры мощности трехфазных трансформаторов на порядок выше однофазных при меньших размерах магнитопровода;

  • простота. При одновременном подключении потребителей к трехфазной системе генерируется дополнительное электромагнитное поле. Эффект сдвига фаз позволил создать простые и надежные бесколлекторные электродвигатели, ротор которых выполнен по принципу обычной болванки и устанавливается на шариковые подшипники. Асинхронные электроприводы с короткозамкнутым ротором широко применяются в качестве силовых агрегатов. Главным преимуществом таких моторов является возможность менять направления вращения оси путем переключения на разные фазные провода;
  • вариативность. В цепях с несколькими фазами существует возможность получать разные напряжения. Пользователь сможет менять мощность нагревателя или сервопривода, переключившись с одного кабеля на другой;
  • уменьшение стробоскопического эффекта. Он достигается за счет независимого подключения разных ламп к отдельным фазам.

Наравне с достоинствами трехфазный ток имеет свои недостатки. Они включают в себя:

  • сложность подключения. Для подведения трехфазной сети к частному или промышленному зданию необходимо получить специальное разрешение и технические условия от локальной компании по энергосбыту. Это мероприятие достаточно затратное и хлопотное. Даже при выполнении всех условий положительный результат не всегда гарантирован;
  • применения усиленных систем безопасности. В трехфазной сети подается напряжение 380 В, поэтому необходимы дополнительные устройства защиты от поражения электрическим током и короткого замыкания, которое может привести к пожару. В таких случая на входе ставят еще один трехполюсный автоматический выключатель с большими номинальными характеристиками. Он поможет избежать возгорания в случае замыкания цепи;
  • необходимость монтажа вспомогательных модулей для ограничения перенапряжения в распределительном щите. Он необходим на случай обрыва нулевого кабеля, что приведет к увеличению напряжения в одной из фаз.

Переход на трехфазный ток целесообразен для владельцев помещений, площадь которых больше 100 кв. метров. Это относится к частным домам и к производственным зданиям. Такая схема подключения позволит перераспределять равномерно нагрузку по всем потребителям и избежать скачков напряжения.

Чем отличается трехфазный ток от однофазного

Основное отличие однофазной цепи от трехфазной:

  • однофазный ток подается потребителям через один проводник, трехфазный — через три;
  • для завершения сети необходим нулевой кабель, поэтому в цепях с одной фазой их два, а в трех — четыре;
  • мощность повышается с увеличением количества фаз;
  • простота сетевой конструкции;
  • в однофазной цепи появляются перепады напряжения с увеличением количества потребителей электроэнергии;
  • при отключении одной жилы в трехфазном, ток продолжает течь в оставшихся двух проводах. В однофазном напряжение полностью пропадает.

Обратите внимание! Трехфазная система позволяет использовать разные номиналы напряжений при питании оборудования с разными параметрами мощности.

Почему обычно три фазы, а не четыре

Таким вопросом задаются практически все начинающие электрики. По сути, количество фаз не ограничено. Их может быть 1, 2, 3, 4 и даже 10. Однако широкое применение получили трехфазные системы. Это связано с тем, что такой цепи достаточно для решения большинства задач.

Такие системы в большей степени используют для силовых установок на производстве. Вращение ротора составляет 360 градусов, а сдвиг по фазам составляет 120 градусов. Его вполне достаточно, чтобы раскрутить якорь до нужных оборотов и получить с двигателя нужную мощность. Увеличение количества фаз лишь повысит стоимость самой установки, поскольку потребует установки дополнительных катушек и подведения лишних кабелей.

Важно! Добавление фаз к существующим трем не повышает КПД агрегата, не увеличивает его мощность. С точки зрения рациональности, это лишь добавляет стоимость установок при сохранении прежних параметров работы.

Читайте также:  Британец и шотландец различия

График трехфазного тока

Ниже представлен график трехфазного тока.

На рисунке видно, что каждая ветка имеет одинаковую частоту, но в каждой цепи периода прохождения тока через проводник сдвинуты по фазе на одну треть.

Система подключения

Существует два вида подключения катушек в электрогенераторе:

  • звездой. Суть системы заключается в соединении всех концов катушек в одну точку, которая является нейтральной. Нулевой провод и остальные три провода подключаются к потребителю;
  • треугольником. При таком способе каждый вывод обмотки соединяется со следующим. В результате они образуют замкнутый на отдельных контактах треугольник, а линейные кабели соединяются с оборудованием.

На рисунке показано схематическое подключение катушек в электрогенераторе.

Трехфазная система подачи тока потребителям приобрела широкую популярность благодаря эффективности и экономичности. Также она позволяет повышать коэффициент полезного действия силового оборудования, его мощность, упрощая при этом его конструкцию.

Считалось ранее, что трехфазным напряжением гораздо проще раскрутить электродвигатель, т.к. в поочередно расположенных обмотках статора с приложенным к каждой из них электрических колебаний определенной частоты, смещенных относительно друг друга на 120*, образуется вращающееся магнитное поле, приводящее к вращению ротора, расположенного внутри статора. Да и сейчас ничего не изменилось. Большая часть электродвигателей на нашей планете работает от трехфазной сети переменного тока. Мне же такой генератор необходим для выполнения несколько иных задач, требующих трехфазного мощного сигнала, с широким частотным диапазоном и широтно-импульсной регулировкой (здесь и далее — ШИР). К сожалению, в интернете не обнаружил схем устройств, которые можно было бы повторить, применительно к моим нуждам. Хотя было много всего на эту тему, но. либо сырой материал на форумах, либо под выполнение слишком узких задач, либо нечто специфичное или, уж, откровенно дорогие решения. В результате был сочинен недорогой трехфазный, достаточно мощный генератор с необходимым частотным диапазоном и ШИР. В трех модификациях, доступных для повторения даже начинающим электронщикам.

Первый генератор был построен по давно уже известной схеме на счетчике-дешифраторе CD4017 с фазоформирующей логикой на элементах 2-ИЛИ (схема 1).

СХЕМА 1

В качестве задающего генератора использован таймер 555, импульсная последовательность с выхода которого (вывод 3 U1) поступает на счетный вход (вывод 14 U2) микросхемы двоично-десятичного счетчика с дешифратором CD4017 (К561ИЕ8). Классическая фазоформирующая схема предполагает использование элементов логики 3-ИЛИ, но, к сожалению, у меня не оказалось в наличии логики с трех-входовыми элементами и пришлось использовать пару корпусов 74АС32 (4 элемента ИЛИ вместо одного корпуса, например, — CD4075 с тремя элементами ИЛИ). Схема 3-фазного "дешифратора" на 2-входовых элементах полностью эквивалентна схеме на элементах 3-входовых. Такая схема работает с взаимным перекрытием импульсов во времени, где каждый следующий положительный импульс на треть во времени перекрывает импульс предыдущий. Схема работоспособна до вполне высоких частот, но проверялась лишь в необходимом мне диапазоне (от долей герца для каждой фазы до нескольких десятков килогерц), что вполне подходит для поставленной для устройства задачи.

Генератор по схеме 2 можно построить всего на трех логических инвертирующих элементах при небольшом количестве элементов обвязки. Возможна перестройка частоты генератора в небольших пределах (приблизительно 10-12%) с помощью потенциометра PR1. Недостатком этого генератора, кроме небольшого диапазона регулировки, является так же и значительный уход частоты. Поэтому была произведена попытка его модернизации при одновременном сохранении схемотехнической и конструктивной простоты с улучшением параметров генератора: расширение рабочего частотного диапазона, снижение нестабильности частоты генерации. Все решилось достаточно просто применением генератора тока заряда времязадающего конденсатора (схема 3).


СХЕМА 3

Генератор тока заряда (он же – стабилизатор тока на схеме 3) часто используется в различных генераторах частот для стабилизации времени заряда конденсатора, а, значит, и стабилизации частоты. В результате, генератор на схеме 4 обладает гораздо лучшими параметрами, чем предыдущий (СХЕМА 2).

СХЕМА 4

Он так же, как и генератор на схеме 2, выполнен на логических инверторах, а «тройной» стабилизатор тока заряда конденсаторов является регулятором частоты генератора. Диапазон рабочих частот генератора без изменения примененных номиналов — 3,3-117кГц (при регулировании одним только переменным резистором PR1). Стабильность частоты так же достаточно высока и уход ее составляет несколько (2-4) герц /час в нижнем краю диапазона и около 10-20 – в верхнем. При относительной простоте схемы параметры генератора весьма хороши.
Роль ШИР выполняет схема на логических инверторах CD40106 (схема 5).

СХЕМА 5

Регулировка ширины выходного импульса (от 100% входного импульса до 0) каждой из фаз производится потенциометрами PR (1-3). Недостаток такой схемы в том, что ШИР привязана к номиналу конденсатора (С1-С3 для каждого канала) и может работать лишь в относительно узком диапазоне частот без замены номинала. Поэтому подбор конденсатора следует осуществлять с привязкой к выбранному диапазону частот. Регулятор ШИ на схеме 6 можно использовать в качестве альтернативы.

СХЕМА 6

Выполнен он на микросхеме UC3843 в несколько нестандартном включении, где регулировка ШИ осуществляется по входу Cs (пин 3) с подачей на него постоянной составляющей, образованной из выходных импульсов. Благодаря такому схемному решению, регулировка ШИ на выходе U2 осуществляется плавно в достаточно широком диапазоне входных (по пин4) частот. Выход микросхемы уже рассчитан на работу с мощными ПТ. Выходные импульсы будут инверсными по отношению к входным. Микросхема U1.6 в данном случае не является частью схемы регулятора. Схема данного регулятора испытывалась в диапазоне частот 3,3-150кГц. Причем пришлось для диапазонов 3,3-11кГц / 11-45кГц / 45-98кГц / 98-150кГц все же использовать конденсаторы С2 разных номиналов. Но и этот результат вполне неплох. Вывод 2 микросхемы можно использовать, как и в классическом применении ее в качестве входа регулировки по обратной связи (ОС).
На схеме 7 изображен еще один регулятор, выполненный на микросхеме (так же довольно популярной) UC3825, полным аналогом которой является отечественная микросхема КР1156ЕУ2.


СХЕМА 7

Принцип ПЛАВНОЙ регулировки ШИ осуществлен так же, как и в схеме 6. Выход регулятора образован диодами D3, 4. Т.к. выходы (противофазные) микросхемы способны работать в импульсе до 1,5А, то и диоды должны быть рассчитаны на не меньший ток. Входы ОС микросхемы (выводы 1, 8, 9) можно использовать в их классическом назначении, несмотря на то, что пин 9 уже задействован для регулировки ШИ. Недостатки и достоинства этой схемы такие же, как и для схемы 6 (подбор номинала конденсатора С1 для различных диапазонов частот). Не содержит этих недостатков регулятор, показанный на схеме 8.


СХЕМА 8

Схема этого регулятора выполнена на компараторе, сравнивающее опорное напряжение с пилообразным (или треугольным), съем которого можно произвести с конденсатора времязадающей цепи практически любого генератора, в состав которого входит этот самый конденсатор. Этот регулятор оптимален будет для работы с генератором из схемы 4, на конденсаторах которого присутствует пилообразное напряжение. Входное сопротивление регулятора достаточно высокое, и не окажет влияния на параметры генератора при съеме напряжения с его времязадающих цепей.
На схеме 3 изображен один из вариантов схемы силового модуля, состоящий из драйвера ТС4420 (U1), фазоинвертора верхнего плеча на полевом транзисторе (ПТ) Q1 и выходного полумостового каскада на мощных ПТ (Q1, Q3).

Читайте также:  Если съел несвежий продукт


СХЕМА 9

Выходной каскад можно упростить и выполнить его, как показано на схеме 4, где в качестве драйвера использована та же ТС4420, а в качестве выходного ключа мощный ПТ.


СХЕМА 10

В качестве драйвера так же можно использовать и более популярную микросхему UC3843, включив ее так, как это показано на схеме 10.


СХЕМА 11

Абсолютное отсутствие навесных компонентов в таком включении и достаточно большой выходной ток (до 1А), делают ее привлекательной в качестве использования драйвера. Следует только учесть, что импульс на выходе такого драйвера получится инверсным по отношению к входному. Так как RC-вход (пин 4) связан с встроенным 5-В питанием микросхемы, и подавать внешний сигнал необходимо через резистор величиной до нескольких сотен Ом.

На схеме 12 представлен модуль управления (УМ) силовой частью 3-фазного ИИП.

СХЕМА 12

Схема состоит из уже описанных выше узлов. Это тактовый генератор на таймере 555 (U1), с выхода которого (пин 3) прямоугольные импульсы поступают на вход микросхемы CD4017 (U2 – пин 13). Пин 14 микросхемы U2, соединенный с плюсом питания, разрешает работу тактового входа. Пин 15 U2 является входом сброса и "обнуляет" выходы U2 каждый раз при появлении высокого уровня на пин 5 U2. Входной частотой и процессом сброса, собственно, и определяется частота цикла работы U2. Выходные, коммутируемые U2 положительные импульсы, последовательны (относительно друг друга) от верхнего выхода к нижнему, и в таком же порядке управляют фазообразующими элементами микросхемы U3. Элементы, двухвходовые, в общем-то, ИЛИ — U3.1-U4.1, U3.2-U4.2, U3.3-U4.3, — используемые попарно, можно представить как одиночные трехвходовые элементы ИЛИ (которых у меня просто не оказалось).

Коэффициент взаимного перекрытия импульсов, получаемый на выходах этих элементов, составляет 1/3. Т.е. каждый последующий импульс перекрывает ровно треть «задней» части импульса предыдущего. На инверторах микросхемы U5 построены три идентичных ШИ-регулятора, на входы которых через резисторы R14-16 (установка необходима в случае наличия в схеме диодов D1-3) поступают разнесенные во времени последовательности импульсов. Заряд-разряд конденсаторов С8-10, а, следовательно, и амплитуда (и пологость) пилообразного напряжения на входе элементов U5.2, U5.4, U5.6 определяется сопротивлением К-Э переходов транзисторов Q1-3 , управляемых напряжением, снимаемого с движка потенциометра R6. Штифты R61-R63 предусмотрены для дублирующего внешнего потенциометра. Чем ниже амплитуда импульса на входе U5.2, U5.4, U5.6, тем короче импульсы на их выходах. С выходов U5.2, U5.4, U5.6 регулируемые по ширине импульсы поступают на буферные эмитерные повторители на комплементарных транзисторах Q4-Q9. На коллекторы транзисторов Q1-Q3 при необходимости можно подавать напряжение ОС (штифты FBA, FBB, FBC) с датчиков контроля температуры, напряжения, тока или освещенности. Питание УМ напряжением +5В осуществляется с платы силового модуля (MC). Печатная плата (двусторонняя) управляющего модуля представлена на рис 1 (со стороны расположения компонентов) и рис 2.

РИС 1

РИС 2

Силовой модуль показан на схеме 13.

СХЕМА 13

Не вижу особого смысла описывать его подробно, кроме того, что модуль достаточно универсален и способен работать на частотах не менее 200кГц (зависит от разводки и компоновки); с напряжениями до 450В (зависит от используемых деталей и качества печатной платы) и мощностями до 500Вт. Выходной импульс инвертирован по отношению к входному. Печатная плата МС приведена на рис 3 и рис 4. Оговорюсь сразу – плата этого МС не рассчитана на высоковольтные «испытания».


РИС 4

На схеме 14 представлен второй вариант 3-х фазного ИИП.

СХЕМА 14

Генератор выполнен на элементах микросхемы CD4093, частота которого перестраивается узлом на транзисторах Q2-Q5. ШИР производится компараторами, на инверсный вход которых подается регулируемое опорное напряжение, а на прямой – пилообразное (с каждого из генераторов на свой компаратор). В результате сравнения уровня в точке наклона «пилы» и опорного напряжения, регулировкой потенциометра PR5 можно получить импульсы необходимой ширины на выходе компаратора. На схеме параллельно микросхемам компараторов U3, U5, U7 включены ОУ (U4, U6, U8), способные успешно выполнять функцию компаратора. Так, например, вместо компараторов LM311 в схеме успешно работают такие ОУ, как К571УД1, К544УД2, СА3130, К140УД8, TL081, NE5534. Других ОУ в «одиночных» корпусах у меня просто не было, а сдвоенные ОУ в испытаниях не участвовали. Разумеется, необходимо использование лишь одной из этих микросхем. Дополнительные микросхемы указаны на схеме лишь для универсализации печатной платы с тем, что бы вместо, допустим, отсутствующих компараторов в схему можно было бы установить корпуса ОУ. Схема, конечно, при этом получилась более громоздкой, но площадь печатной платы при этом практически не увеличилась по сравнению с тем, как если бы на плате находились лишь корпуса компараторов (один из вариантов печатной платы на рис 5 и рис 6).


РИС 5


РИС 6

По инверсным входам компараторов могут быть организованы фидбэки любого из параметров. Для этого предусмотрены штифты Xa-Xc. В схеме присутствуют драйверы (U9-U11) и силовые ключи (Q6-Q8), поэтому устройство можно считать самостоятельным и достаточным для работы с достаточно большими нагрузками и напряжениями при испытаниях. Однако, для работы в реальных условия модуль следует использовать в качестве управляющего и «развязать» его гальванически от исполнительного силового модуля. Перестройка каналов модуля по частоте 3,3-117кГц, диапазон длительности выходного импульса 0-45% от времени периода.
В схеме присутствуют и дополнительные, не имеющие отношения к теме, узлы на ОУ U1, транзисторе Q1, потенциометре PR2, логическом элементе U2.4. В схеме по теме статьи они не нужны.

3-й вариант генератора с ШИР показан на схеме 15.

СХЕМА 15

Здесь 4-х элементная CD4093 (2И-НЕ с ТШ) заменена на 6-ти элементную CD40106 (лог инверторы с ТШ), благодаря чему «прямоугольный» выход генератора буферирован каждым вторым элементом микросхемы при том, что каждый первый включен в кольцо генератора. В качестве драйвера-регулятора применена микросхема UC3843 (U4-U6). Узел перестройки частоты аналогичен узлу из схемы 14, а регулирование ШИ осуществляется узлом на транзисторах Q6-Q8 с помощью потенциометра PR4. Предварительна установка ШИ по каждому из каналов производится подстроечными резисторами PR5-PR7, что избавляет от подбора постоянных резисторов. Фидбэки могут быть организованы, так же, как и в классическом включении 3843 по входам ее усилителя ошибки (пин 2). Названия штифтов такие же, как и в схеме 14. Выходные параметры схем практически не отличаются, кроме нагрузочной способности — в схеме 14 допустимо применение ПТ с большей емкостью затвора, т.к. используемые в ней драйверы способны отдать ток в импульсе до 6А. Во всех схемах допустимо применение аналогичных микросхем (там, где позволяет цоколевка) из состава 74АСХХ или 74НСХХ. Для этих целей предусмотрена установка 5-ти вольтного интегрального стабилизатора (7805). При использовании микросхем серии 40ХХ, 45ХХ стабилизатор не нужен, но при этом устанавливается развязывающий резистор R21 для схемы 14 и R11 для схемы 15, которые не надо устанавливать при наличии стабилизатора. Печатная плата модуля показана на рис 7 и рис 8.


РИС 7


РИС 8

Все схемы работоспособны и проверены, как по узлам, так и в полной сборке. В полную меру, с реальной силовой нагрузкой, включенной в электросеть ни одна из схем еще не тестировалась, — дело близкого будущего.

Читайте также:  Измеритель тока своими руками

Номиналы деталей для каждой из практических схем приводятся ниже.

В настоящее время во всем мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока .

Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода ( φ =2 π /3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током .

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока . По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики зависимости от времени ЭДС, индуцированных в обмотках якоря генератора трехфазного тока

Как осуществляется подобный генератор легко понять из схемы на рис. 2.

Рис. 2. Три пары независимых проводов, присоединенных к трем якорям генератора трехфазного тока, питают осветительную сеть

Здесь имеются три самостоятельных якоря, расположенных на статоре электрической машины и смещенных на 1/3 окружности (120 о ). В центре электрической машины вращается общий для всех якорей индуктор, изображенный на схеме в виде постоянного магнита.

В каждой катушке индуцируется переменная ЭДС одной и той же частоты, но моменты прохождения этих ЭДС через нуль (или через максимум) в каждой из катушек окажутся сдвинутыми на 1/3 периода друг относительно друга, ибо индуктор проходит мимо каждой катушки на 1/3 периода позже, чем мимо предыдущей.

Каждая обмотка трехфазного генератора является самостоятельным генератором тока и источником электрической энергии. Присоединив провода к концам каждой из них, как это показано на рис. 2, мы получили бы три независимые цепи, каждая из которых могла бы питать те или иные электроприемники, например электрические лампы.

В этом случае для передачи всей энергии, которую поглощают электроприемники, требовалось бы шесть проводов. Можно однако, так соединить между собой обмотки генератора трехфазного тока, чтобы обойтись четырьмя и даже тремя проводами, т. е. значительно сэкономить проводку.

Первый из этих способов, называется соединением звездой (рис. 3).

Рис. 3. Четырехпроводная система проводки при соединении трехфазного генератора звездой. Нагрузки (группы электрических ламп I, II, III) питаются фазными напряжениями.

Будем называть зажимы обмоток 1, 2, 3 началами, а зажимы 1 ‘ , 2 ‘ , 3 ‘ — концами соответствующих фаз.

Соединение звезд заключается в том, что мы соединяем концы всех обмоток в одну точку генератора, которая называется нулевой точкой или нейтралью , и соединяем генератор с приемниками электроэнергии четырьмя проводами: тремя так называемыми линейными проводами , идущими от начала обмоток 1, 2, 3, и нулевым или нейтральным проводом , идущим от нулевой точки генератора. Такая система проводки называется четырехпроводной .

Напряжения между нулевой точкой и началом каждой фазы называют фазными напряжениями , а напряжения между началами обмоток, т, е. точками 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1, называют линейными . Фазные напряжения обычно обозначают U1 , U 2 , U 3 , или в общем виде U ф, а линейные напряжения — U12, U23 , U 31 , или в общем виде U л.

Между амплитудами или действующими значениями фазных и линейных напряжений при соединении обмоток генератора звездой существует соотношение U л = √ 3 U ф ≈ 1,73 U ф

Таким образом, например, если фазное напряжение генератора U ф = 220 В, то при соединении обмоток генератора звездой линейное напряжение U л — 380 В.

В случае равномерной нагрузки всех трех фаз генератора, т. е. при приблизительно одинаковых токах в каждой из них, ток в нулевом проводе равен нулю . Поэтому в этом случае можно нулевой провод упразднить и перейти к еще более экономной трехпроводной системе. Все нагрузки включаются при этом между соответствующими парами линейных проводов.

При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе не равен нулю, но, вообще говоря, он слабее, чем ток в линейных проводах. Поэтому нулевой провод может быть тоньше, чем линейные.

При эксплуатации трехфазного переменного тока стремятся сделать нагрузку различных фаз по возможности одинаковой. Поэтому, например, при устройстве осветительной сети большого дома при четырехпроводной системе вводят в каждую квартиру нулевой провод и один из линейных с таким расчетом, чтобы в среднем на каждую фазу приходилась примерно одинаковая нагрузка.

Другой способ соединения обмоток генератора, также допускающий трехпроводную проводку — это соединение треугольником, изображенное на рис. 4.

Рис. 4. Схема соединения обмоток трехфазного генератора треугольником

Здесь конец каждой обмотки соединен с началом следующей, так что они образуют замкнутый треугольник, а линейные провода присоединены к вершинам этого треугольника — точкам 1, 2 и 3. При соединении треугольником линейное напряжение генератора равно его фазному напряжению : U л = U ф.

Таким образом, переключение обмоток генератора со звезды на треугольник приводит к снижению линейного напряжения в √ 3 ≈ 1,73 раза . Соединение треугольником также допустимо лишь при одинаковой или почти одинаковой нагрузке фаз. Иначе ток в замкнутом контуре обмоток будет слишком силен, что опасно для генератора.

При применении трехфазного тока отдельные приемники (нагрузки), питающиеся от отдельных пар проводов, также могут быть соединены либо звездой, т. е. так, что один конец их присоединен к общей точке, а оставшиеся три свободных конца присоединяются к линейным проводам сети, либо треугольником, т. е. так, что все нагрузки соединяются последовательно и образуют общий контур, к точкам 1, 2, 3 которого присоединяются линейные провода сети.

На рис. 5 показано соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки, а на рис. 6 — при четырехпроводной системе проводки (в этом случае общая точка всех нагрузок соединяется с нулевым проводом).

На рис. 7 показана схема соединения нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки.

Рис. 5. Соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки

Рис. 6. Соединение нагрузок звездой при четырехпроводной системе проводок

Рис. 7. Соединение нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки

Практически важно иметь в виду следующее. При соединении нагрузок треугольником каждая нагрузка находится под линейным напряжением, а при соединении звездой — под напряжением, в √ 3 раз меньшим. Для случая четырехпроводной системы это ясно из рис. 6. Но то же имеет место в случае трехпроводной системы (рис. 5).

Между каждой парой линейных напряжений здесь включены последовательно две нагрузки, токи в которых сдвинуты по фазе на 2 π /3. Напряжение на каждой нагрузке равно соответствующему линейному напряжению, деленному на √ 3 .

Таким образом, при переключении нагрузок со звезды на треугольник напряжения на каждой нагрузке, а следовательно, и ток в ней повышаются в √ 3 ≈ 1,73 раза. Если, например, линейное напряжение трехпроводной сети равнялось 380 В, то при соединении звездой (рис. 5) напряжение на каждой из нагрузок будет равно 220 В, а при включении треугольником (рис. 7) будет равно 380 В.

При подготовке статьи использовалась информация из учебника физики под редакцией Г. С. Ландсберга.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector