Несколько электрических цепей, в которых действуют синусоидальные э. д. с. одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые в одном источнике электрической энергии, в совокупности образуют многофазную систему.
В зависимости от количества цепей, составляющих многофазную систему, они могут быть двух -, трех -, четырех -, пяти -, и вообще сколько угодно фазными. Наибольший технико – экономический эффект получается при использовании трехфазной системы, поэтому в настоящее время во всем мире электрическая энергия используется почти исключительно только с помощью трехфазных систем.
Систему трех переменных токов одинаковой частоты и сдвинутых по фазе относительно друг друга, которые текут в трехфазной системе, называют трехфазным током.
Говоря о трехфазном токе, мы имеем в виду три обычных переменных тока, которые называются однофазными. Нагрузка, использующая трехфазный ток, потребляет одновременно три однофазных тока. Чтобы в цепи появился трехфазный ток, в ней должна действовать трехфазная э. д. с., понятие о которой аналогично понятию о трехфазном токе.
|
|
Чаще всего сдвиг по фазе между векторами э. д. с. или токов составляет 120О.
Трехфазный ток обладает рядом преимуществ перед током однофазным.
1. Расход цветных металлов при электрификации какого – либо объекта трехфазным током значительно меньше, чем при электрификации его током однофазным (идет меньше металла на провода, обмотки и детали машин, пускорегулирующую аппаратуру и т. п.)
2. Трехфазные машины по устройству проще однофазных, а, следовательно, легче их, дешевле, более надежны в работе, могут эксплуатироваться менее квалифицированным персоналом.
3. Трехфазные системы экономически более выгодны и с технической стороны более целесообразны, чем однофазные.
Создателем трехфазных систем является русский инженер – электротехник М. О. Доливо – Добровольский, который разработал систему трехфазного тока (1888 г.), создал трехфазный двигатель (1889 г.), трехфазный трансформатор и впервые осуществил передачу энергии трехфазным током (1891 г.).
Для получения трехфазной э. д. с. достаточно на статоре генератора разместить три одинаковые катушки, расположив их под углом 120О друг к другу, а в качестве ротора использовать постоянный магнит или электромагнит, питаемый постоянным током.
Магнитный поток вращающегося ротора, пересекая последовательно катушки статора, будет индуктировать в них три э. д. с. сдвинутые относительно друг друга по времени на 1/3 периода, а значит, и по фазе на 120О. Векторная диаграмма э. д. с. изображена на рисунке.
|
|
Если к концам каждой катушки подсоединить нагрузку, то в цепях потекут токи, сдвинутые по фазе тоже на 120О.
Такая несвязанная шестипроводная трехфазная система, то сравнению с однофазной, преимуществ не дает.
На рисунке видно, что если три обратных провода, по которым токи I1, I2 и I3 возвращаются к генератору, заменить одним, система из шестипроводной превращается в четырехпроводную, которая называется связанной четырехпроводной трехфазной системой.
Генератор, питающий трехфазную систему, называется трехфазным. Токоприемники, присоединенные к трехфазному генератору, в совокупности образуют нагрузку, которую называют трехфазной.
Провода, соединяющие трехфазную нагрузку с трехфазным генератором, называют трехфазной линией.
Если в трехфазной системе действуют три одинаковые э. д. с., сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120О, и одинаковы комплексы сопротивлений отдельных частей трехфазной нагрузки, то такая система называется полностьюсимметричной. В такой системе токи так же одинаковы и сдвинута по фазе относительно друг друга на 120О. Другими словами, в полностью симметричной системе действует симметричная система э. д. с. и получается симметричная трехфазная система токов.
Если система э. д. с. симметрична, а комплексы сопротивлений трехфазной нагрузки неодинаковы, то трехфазная система токов окажется несимметричной (токи друг другу не равны и сдвинуты на углы, отличающиеся от 120О). Такая трехфазная система называется частично несимметричной.
Трехфазная нагрузка с неодинаковыми комплексами сопротивлений отдельных ее частей называется несимметричной. При рассмотрении явлений в трехфазных цепях мы будем предполагать, что система э. д. с., действующих в ней, симметрична.
Волновая диаграмма токов симметричной нагрузки приведена на рисунке она состоит из трех одинаковых синусоид сдвинутых по фазе относительно друг друга на 1200.
В четырехпроводной системе по четвертому обратному проводу течет ток, равный геометрической сумме токов I 1, I 2, I 3 или алгебраической сумме мгновенных значений (i 1, i 2, i 3 ). Если нагрузка симметрична, то в любой момент времени эта сумма равна нулю. Это хорошо видно на волновой диаграмме.
На ней в начальный момент времени i 1 = 0; i 2 = - 0,87 I m; i 3 = 0,87 I m;
∑ i = 0 – 0,87 I m + 0,87 I m = 0. В момент времени t 1 i 1 =0,5 I m; i 2 = - I m; i 3 = 0,5 I m; ∑ i = 0,5 I m + 0,5 I m – I m = 0.
Такие же результаты получатся и в моменты времени t 2, t 3 и в любой другой момент времени. Это означает, что при симметричной нагрузке ток в четвертом обратном проводе отсутствует, надобность в нем отпадает и система становится трехпроводной.
На первый взгляд, кажется, что система стала разомкнутой, так как три тока текут на нагрузку, а обратного пути нет. Но нельзя забывать, что токи I 1, I 2, I 3 – переменные и не совпадают по фазе на 1200, поэтому если один ток в какой-либо момент времени направлен к нагрузке, то второй в это время может течь от нее. Распределение токов можно проследить с помощью волновой диаграммы. В начальный момент i 1 = 0; i 2 = - 0,87 I m; i 3 = 0,87 I m. Значит ток i 3 течет на нагрузку (положительный), доходит до точки О ′, а дальше он составляет ток i 2 и возвращается к генератору. В момент t 1 i 1 =0,5 I m; i 2 = - I m; i 3 = 0,5 I m. Два тока по 0,5 I m сходятся в точке О ′, образуют ток i 2 ив качестве этого тока возвращаются к генератору.
Таким образом, в трехпроводной системе происходит непрерывное согласованное распределение токов, и провода по очереди друг для друга являются обратными.
Если нагрузка несимметрична, то согласованности величин токов не будет, и поэтому необходим четвертый провод, то есть при несимметричной нагрузке и таком способе включения токоприемников система должна быть четырехпроводной.
|
|
Допустим, что в момент t 1 i 1 = 5 а; i 3 =5 а, а i 2 не – 10 а, что бывает при симметричной нагрузке, а – 13 а. тогда токи i 1 и i 3, сойдясь в точке О ′, образуют ток i 2, но он будет 10 а, а должен быть 13 а, поэтому и нужен четвертый провод, по которому пройдут недостающие в это время 3 а. этот ток как бы устраняет несимметрию между токами I 1, I 2, I 3, поэтому и называется уравнительным.