Содержание

Главная >> Колебания и волны. Физика 11 кл. Мякишев

Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии

§ 3.5. Трехфазный ток

Трехфазный ток получил широкое распространение во всем мире. Он обеспечивает более выгодные условия передачи электроэнергии по проводам и позволяет создать простые по устройству, надежные и удобные в работе электродвигатели. Основоположником техники трехфазного тока является русский физик и электротехник М. О. Доливо-Добровольский.

Трехфазным током называется система трех гармонических токов одинаковых частот и амплитуд, сдвинутых по фазе на 1/3 периода (φ = 120°, или 2π/3).

Генератор трехфазного тока

Трехфазную систему токов принципиально можно получить от трех одинаковых генераторов переменного однофазного тока. Одинаковые роторы у этих генераторов насажены жестко на общий вал (рис. 3.12). Статорные обмотки генераторов повернуты друг относительно друга на 120° в сторону вращения роторов (см. рис. 3.12).

При равномерном вращении роторов в статорных обмотках каждого генератора индуцируется гармоническая ЭДС (см. § 3.2). Частоты и амплитуды всех трех ЭДС совпадают. Колебания ЭДС второго генератора запаздывают по фазе относительно колебаний ЭДС первого генератора на 2φ/3 (120°), а колебания ЭДС третьего генератора запаздывают относительно колебаний ЭДС второго генератора тоже на 2φ/3 (120°) или относительно колебаний ЭДС первого генератора на 4φ/3 (240°). Объясняется это тем, что в процессе вращения роторы пересекают плоскости статорных обмоток второго и третьего генераторов с запаздыванием соответственно на1/3 и 2/3 периода по сравнению с моментом прохождения ротора через плоскость статорной обмотки первого генератора.

Один из выводов обмотки генератора называют ее началом, а другой — концом. Какой вывод считать началом, а какой — концом, зависит от выбора положительного направления обхода контура статорной обмотки. Этот выбор, хотя и является произвольным, должен быть одинаковым для всех генераторов. Примем, например, за положительное направление обхода статорной обмотки первого генератора направление по часовой стрелке, если смотреть на эту обмотку со стороны выхода из плоскости обмотки северного полюса индуктора (ротора). Тогда началом обмотки является клемма А, а ее концом — клемма X. Так же определяются начала (Б и С) и концы (У и Z) статорных обмоток второго и третьего генераторов (см. рис. 3.12).

Но получение трехфазного тока при помощи трех генераторов оказывается технически сложным и экономически невыгодным. Гораздо проще все три статорные обмотки совместить в одном корпусе (рис. 3.13) и вместо трех роторов применить один. Такой генератор называется генератором трехфазного тока.

Таким образом, статор генератора трехфазного тока имеет три уложенные в пазах статора независимые обмотки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 1/3 окружности статора. Каждая статорная обмотка называется фазой* генератора.

* Этот термин не следует путать с фазой гармонически колеблющейся величины.

Ротор генератора трехфазного тока конструктивно ничем не отличается от ротора генератора однофазного тока.

При вращении ротора во всех обмотках статора индуцируются одинаковые по частоте и амплитуде ЭДС, но сдвинутые по фазе на 2π/3. Приняв за начало отсчета времени момент, в который ЭДС первой фазы е_А имеет нулевое значение (рис. 3.14), можно записать:

е_А = _m sin ωt. (3.5.1)

Электродвижущая сила второй фазы генератора, отстающая от ЭДС первой фазы на 2π/3, равна:

ЭДС третьей фазы, отстающая от ЭДС второй фазы на 2π/3 и от ЭДС первой фазы на 4π/3, записывается так:

На рисунке 3.14 представлены графики ЭДС, индуцируемых в обмотках генератора трехфазного тока. Каждая из обмоток трехфазного генератора может быть самостоятельным источником тока и питать свою цепь. В этом случае получается несвязанная трехфазная система, требующая для передачи энергии шесть проводов. На практике такие системы не применяются. С целью уменьшения числа проводов, идущих во внешнюю цепь, обмотки трехфазного генератора соединяются между собой, образуя электрически связанную трехфазную систему. Можно так соединить между собой обмотки генератора трехфазного тока, чтобы вместо шести проводов обойтись четырьмя или даже тремя проводами. Это значительно экономит материал, идущий на изготовление проводов.