Генерирование трехфазного тока

В многоконтурной электрической цепи действуют несколько источников питания, котоые имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе один относительно другого. Источники называют симметричными, если они имеют одинаковые амплитуды ЭДС (токов) и углы сдвига фаз. Если симметричны также токи и напряжения потребителей, то система в целом называется симметричной многофазной электрической цепью, системой или сетью. Многофазные симметричные шести- или двадцатифазные системы, у которых ЭДС сдвинуты между собой на 60⁰ или 30⁰, применяются во вторичных источниках питания. Двухфазные системы, в которых две синусоидальные ЭДС одной частоты сдвинуты по фазе на 90⁰, применяются в автоматизированном электроприводе для питания исполнительных микромашин. 

Наиболее распространенное применение нашла трехфазная симметричная система. Такая система относительно однофазной имеет ряд преимуществ: экономия материалов проводов линии электропередачи; эффективность, простота и экономичность двигателей и генераторов; возможность у потребителя электроэнергии, используя трансформаторы, иметь два разных напряжения и т.д.

Процесс генерирования трехфазной системы ЭДС рассмотрим на упрощенном макете (рис. 1).

Рис. 1.

Постоянный магнит, находящийся на валу, имеет два полюса N и S. Они заканчиваются полюсными наконечниками, благодаря которым магнитная индукция магнитного поля между полюсами и цилиндром статора имеет синусоидальное распределение вдоль периметра статора:

Пусть  слева от вала на горизонтали. В цилиндре статора три паза, в которых размещены медные стержни длиной l. Начала a, b, c и концы x, y, z замкнуты на лампу накаливания. Во время вращения магнита по часовой стрелке с угловой скоростью  (рад/c) магнитный поток будет двигаться относительно стержней со скоростью , где r - радиус ротора.

Можно считать, что поток неподвижный, а двигаются относительно него против часовой стрелки стержни статора. Тогда по закону электромагнитной индукции и правилом правой руки для момента, изображенного на рис., в стержне АХ наводится ЭДС e_A , направленная от Х к А, в BY и CZ - наоборот. Условно подставим ладонь правой руки в воздушный зазор так, чтобы линии магнитной индукции В входили в ладонь, большой палец указывал направление движения стержня, четыре оставшихся - направление ЭДС и тока в цепи, который совпадает с ЭДС, поскольку нагрузка активная. Вследствие взаимоперпендикулярности . Если отсчитывать время t с момента, когда угол  соответственно . Максимальной ЭДС в каждой фазе будет, если полюс N проходит под стержнем. Для выбранных положительных направлений ЭДС, начального момента и направления вращения, получим:

На рис. 2 приведены различные положения ротора при равномерном движении и соответствующую им систему трех ЭДС в виде графика мгновенных значений и векторной диаграммы комплексных действующих значений этих ЭДС:

Рис. 2.

Построим векторные диаграммы цепей на комплексной плоскости с вертикальной - действительной и горизонтальной - мнимой осями (Рис. 3).

Рис. 3.

В реальном генераторе вместо одного стержня укладывается  витков проводника, называемые обмоткой. Подключим к каждой обмотке трехфазного синхронного генератора отдельный потребитель (рис. 4).

Рис. 4.

Будем иметь несвязанную трехфазную систему, состоящую из трех автономных однофазных цепей, так называемых фаз трехфазной системы. Термином "фаза" также называют и автономную часть многофазной разветвленной цепи. Выводы обмоток генератора А, В, С и потребителя a, b, c называются началами обмоток, а выводы X, Y, Z генератора и x, y, z потребителя - концами. Напряжения между началами и концами потребителя U_a, U_b, U_c называют фазными напряжениями потребителя и обозначают буквой с одним индексом.

Если пренебречь сопротивлением соединительных проводов, то фазные напряжения генератора и потребителя одинаковы . Поскольку фазы независимы одна от другой, то фазные токи в каждой из них  тоже не зависят один от другого. Стрелками показаны положительные направления ЭДС, напряжений и токов. Напряжения генератора практически равняются ЭДС: , поскольку сопротивлениями обмоток статора, как правило, можно пренебречь. В несвязанной трехфазной системе генератор и потребитель соединены шестью проводами. Такая ситема не имеет преимуществ в сравнении с однофазной.

Если концы X, Y, Z обмоток генератора (рис. 4,а) соединить в узел, то электрическое состояние не изменится, поскольку токи в фазах зависят от разности потенциалов , а не от абсолютного значения потенциалов точек X, Y, Z. Сделаем такие же соединения у потребителей. Тогда вместо шестипроводной получим четырехпроводную трехфазную систему "звезда - звезда" ("Y - Y").

Если обмотки генератора соединить по схеме (рис. 4, б): начало А - конец Z, начало В - конец X, начало С - конец Y, то такое соединение называют "треугольник" . Если аналогично соединены фазы потребителя, то такая система называется "треугольник - треугольник" . В ней используется всего три провода. Возможны также смешанные варианты соединений .