Система трёх синусоидальных токов, изменяющихся во времени и имеющих сдвиг по фазе, называется трёхфазным переменным током. При помощи этой системы создаются удобные и экономичные электродвигатели, производится передача электроэнергии на дальние расстояния, снижается материалоёмкость трансформаторов и силовых кабелей. На трёхфазном токе основана работа всех крупных электростанций и потребителей электроэнергии.
Историческая справка
Трёхфазный ток — это частный случай многофазного тока. Впервые двухфазный ток был получен известным изобретателем Николой Теслой. Большой вклад в формирование трёхфазных систем внёс русский учёный М. О. Доливо-Добровольский. Он использовал трёх- и четырёхпроводную системы передачи переменного тока и на её основе построил асинхронный двигатель.
Главной особенностью его изобретения стал короткозамкнутый ротор типа «беличье колесо», который применяется в асинхронных электродвигателях и сейчас. Ещё одним достижением изобретателя была линия электропередачи, построенная им с использованием генератора и трансформаторов трёхфазного переменного тока. Длина линии составляла 170 км, что было огромным шагом вперёд для конца XIX века.
Устройство генератора
Трёхфазной системой считают состоящую из трёх электрических цепей конструкцию, в которой вырабатываются электродвижущие силы (ЭДС) одной и той же частоты, смещённые друг относительно друга на 120°. Синхронная электрическая машина большой мощности используется в качестве генератора. Она превращает механическую энергию вращения в электрическую. В пазах статора размещаются три обмотки, в которых индуцируются ЭДС, равные по амплитуде и отличающиеся по фазе на 1/3 периода.
Каждая обмотка (фаза) является самостоятельным источником электрической энергии. Ротор, выполненный в виде постоянного магнита, приводится во вращение электродвигателем. Магнитное поле вращающегося ротора индуцирует ЭДС в обмотках статора. Если присоединить к концам каждой обмотки провода, то получатся три независимые сети. В системе будет шесть проводов и никакого выигрыша по сравнению с тремя отдельными генераторами не происходит.
В современных трёхфазных сетях обычно используется три или четыре провода в зависимости от схемы подключения.
Соединение обмоток электрической машины
Обмотки генератора и нагрузок соединяются по схемам звезда или треугольник. При соединении в звезду образуется общая нулевая точка из связанных между собой концов обмоток, а к началам обмоток присоединяются линейные провода. Нейтрали или нулевые точки генератора и нагрузки связываются нулевым проводом. Напряжение, создающееся между линейным проводом и нулевым, называется фазным, а между двумя линейными проводами — линейным.
Нулевой провод предназначен для выравнивания напряжения на всех фазах при несимметричной нагрузке. Сила тока, протекающего в этом проводе меньше, чем в линейных проводах, что даёт возможность выбрать проводник меньшего сечения. Зависимости для линейных и фазных токов и напряжений при соединении звездой имеют вид: Iл = Iф, Uл = √3 Uф ≈ 1,73 Uф.
При выполнении схемы треугольник конец каждой обмотки соединяется с началом следующей. Для этой схемы используется три провода, ведущих от генератора к нагрузке. Соотношение между токами и напряжениями, линейным и фазным, равно: Uл = Uф, Iл = √3 Iф.
Обмотки генератора чаще соединяют по схеме звезда. При соединении треугольником каждая фаза должна рассчитываться на напряжение в 1,73 раза больше, чем при соединении звездой. Это влечёт за собой усиление изоляции обмоток, увеличение количества витков и удорожание машин.
В распределительных сетях, где присутствует много однофазных потребителей, обеспечение симметричной нагрузки на фазы становится невозможным. Такие сети исполняются четырехпроводными с нулевым проводником.
Проводники, принадлежащие различным фазам и нейтральные, имеют разные цвета. Это делается в целях обеспечения безопасности при электромонтажных работах и для удобства при ремонте и монтаже электрических сетей. В России нейтральный проводник обычно делается голубым, первая фаза — жёлтой, вторая — зелёной, третья — красной.
Выбор способа подключения для потребителя зависит от следующих характеристик:
- номинального напряжения потребителей электрической энергии;
- характера нагрузки;
- подаваемого трёхфазного напряжения.
При практическом применении 3-фазных сетей важно помнить, что при подключении звездой на нагрузки действует фазное напряжение, а при подключении треугольником — линейное напряжение, которое в 1,73 раза больше, чем фазное.
Преимущества трёхфазных систем
Эти системы используются в промышленности, на транспорте, для электроснабжения жилых помещений. Такое широкое применение объясняется большими преимуществами, которые даёт эта система по сравнению с однофазной системой электроснабжения:
- Требуется меньшее количество проводов, что даёт большую экономию при передаче электроэнергии на дальние расстояния.
- Трёхфазные трансформаторы имеют меньшие размеры магнитопровода по сравнению с однофазными такой же мощности.
- При работе создаётся вращающееся магнитное поле, необходимое для работы асинхронных двигателей.
- Возможность использования двух рабочих напряжений.
- Уравновешенность симметричных трёхфазных систем.
Распространение трёхфазных систем помогло решению многих задач электроснабжения, развитию передающих мощностей и совершенствованию технологических процессов. Использование трёхфазных трансформаторов, генераторов и электродвигателей значительно упростило и удешевило процесс генерации энергии и повысило доступность её для потребителей.
