Понятие о трехфазных цепях и их преимущества

Трехфазные цепи.

Области использования трехфазных систем и устройств.

ПОНЯТИЕ О ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА

Трехфазной называется электрическая цепь, в ветвях которой действуют три одинаковые по амплитуде синусоидальные ЭДС, имеющие одну и ту же частоту, сдвинутые по фазе одна относительно другой на угол 2π/3 (120°).

Рис. 3.1. Положительные направления (а) и графики (б) ЭДС синхронного генератора

В качестве источника электрической энергии в трехфазных цепях используются синхронные генераторы (см. § 11.1). В трех обмотках статора (якоря) синхронного генератора, называемых его фазами (рис. 3.1, а), и индуктируются указанные три ЭДС.

При указанных на рис. 3.1, а положительных направлениях ЭДС (от концов х, у и z фаз к их началам а, b и с) ЭДС изменяются в соответствии с выражениями

(3.1)

е_а = Е_аm sin ω t, е_b = E_bm sin (ω t - 2π/3), е_с = Е_ст sin (ω t - 4π/3).

На рис. 3.1,5 приведены графики e_a (t), e_b (t) и e_c (t).

Совместив вектор ЭДС Е_а с осью действительных величин комплексной плоскости (рис. 3.2, а), получим следующие выражения ЭДС в комплексной форме:

(3,2)

Е а = Еа, E b = Ebe-j 2π/3 = Eb cos(- 2π/3) + jEb sin(- 2π/3) = -   Eb - j √3 Eb;       E c = Ece-j 4π/3 = Ec cos(- 4π/3) + jEc sin(- 4π/3) = -   Ec + j √3 Ec.

}

 

Рис. 3.2. Векторные диаграммы ЭДС генератора в комплексной плоскости

Следует заметить, что при изображении векторных диаграмм вектор ЭДС Е_а принято направлять вертикально вверх, что соответствует повороту комплексной плоскости на 90° против вращения часовой стрелки. При этом оси действительных и мнимых величин обычно не указывают (рис. 3.2, б).

Пользуясь положительными направлениями и зная законы изменения ЭДС или соответствующие им графики, можно определить мгновенные значения и действительные направления ЭДС в любой момент времени. Например, при t = 0 е_a = 0,

еb = Ebm sin (- 2π/3) = -	√3	Ebm, ес = Ест sin (- 4π/3) =	√3	Ест.

Так как е_с > 0, а е_b < 0, то при t = 0 ЭДС е_с направлена в действительности так, как показано на рис. 3.1, а, а ЭДС е_b - в противоположную сторону.

Согласно (3.1) и графикам (см. рис. 3.1, б) ЭДС достигает максимального значения сначала в фазе а, затем и фазе b и, наконец, в фазе с. Указанная последовательность, в которой ЭДС достигают максимального значения, называется прямой последовательностью чередования фаз. Если бы ротор генератора вращался в противоположную сторону, получилась бы обратная последовательность чередования фаз. Получить обратную последовательность чередования фаз работающего генератора можно, изменив названия любых двух фаз (например, фазу b назвать фазой с, а фазу с — фазой b).Как будет показано далее, от последовательности чередования фаз зависит, в частности, направление вращения асинхронных и синхронных двигателей. Анализ и расчет трехфазных цепей будут производиться в предположении прямой последовательности чередования фаз.

Условимся называть в дальнейшем систему из трех ЭДС. напряжений или токов симметричной, если три ЭДС, напряжения или тока имеют одинаковые действующие значения и сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 2π/3. В том случае, когда три ЭДС, напряжения или тока имеют различные действующие значения либо сдвинуты по фазе на углы, отличные от 2π/3, будем называть их несимметричной системой ЭДС, напряжений или токов. Трехфазные генераторы имеют симметричную систему ЭДС.

Приемники электрической энергии сравнительно редко получают питание непосредственно от трехфазных генераторов. Это объясняется тем, что экономически целесообразнее передавать на расстояние электрическую энергию более высокого напряжения, чем вырабатывают генераторы. Поэтому на электрических станциях напряжение с помощью трансформаторов повышают, а в местах потребления снижают до значения, необходимого для питания приемников. Таким образом, в большинстве случаев приемники получают питание от трех вторичных обмоток трансформаторов, которые подобно генераторам имеют практически симметричную систему ЭДС. Условимся, говоря далее о трехфазных источниках, не учитывать, чем создаются ЭДС — генераторами или трансформаторами.

От трехфазного источника получают питание как трехфазные, так и однофазные приемники электрической энергии, а также различные трехфазные и однофазные устройства для преобразования переменного тока в постоянный.

Рис. 3.3. Схема соединения фаз генератора звездой

Рис. 3.4. Схема соединения фаз генератора треугольником

Трехфазный приемник можно рассматривать в простейшем случае как устройство, состоящее из трех двухполюсников с одинаковыми параметрами, рассчитанное на подключение к трем проводам трехфазной сети, между которыми имеются три напряжения, сдвинутые относительно друг друга по фазе на угол 2π/3. Отдельные двухполюсники трехфазного приемника называются его фазами. К трехфазным приемникам относятся, например, большинство электродвигателей переменного тока, крупные электрические печи, некоторые электромагниты.

Однофазный приемник можно рассматривать как двухполюсник, рассчитанный на подключение к двум проводам сети, между которыми имеется, естественно, лишь одно напряжение. К однофазным приемникам относятся осветительные лампы, электрические нагревательные приборы, двигатели переменного тока небольшой мощности, многие электромагниты и др.

Трехфазные электрические цепи имеют ряд преимуществ по сравнению с однофазными: возможность получения вращающегося магнитного поля и использования наиболее простых, надежных и дешевых асинхронных электродвигателей; меньший расход проводниковых материалов на сооружение линий электропередачи и электрических сетей; лучшие экономические показатели трехфазных генераторов и трансформаторов; возможность подключения к трехфазному источнику или трехфазной сети приемников, рассчитанных на два различных по значению напряжения. Благодаря своим преимуществам трехфазные цепи получили исключительно широкое распространение. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, распределяется с помощью линий электропередачи и электрических сетей между приемниками и потребляется последними главным образом в виде энергии трехфазного переменного тока.