Глава VI. ТРЕХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
§ 1. Получение трехфазного тока
В нескольких замкнутых проводниках-витках, сдвинутых в пространстве магнитного поля друг относительно друга на определенный угол (рис. 18), вращающихся с одинаковой частотой, возникают одинаковые по величине э. д. с. Вместе с тем они в этих витках будут в разное время достигать своих максимальных и минимальных значений. Такие цепи называются многофазными.
Три однофазные цепи, сдвинутые между собой под углом на 120° (1/3 периода), в которых действуют э. д. с. с одинаковой частотой, называются трехфазной системой.
Трехфазные системы получили наибольшее распространение. На рис. 19 графически показано изменение э. д. с. по времени и направлению в трех фазах.
Каждая из обмоток трехфазного генератора может служить источником электроэнергии (рис. 20).
Рис. 18. Сдвиг витков (обмоток) друг относительно друга на угол 120°.
Рис. 21. Схемы соединения фаз: а) в звезду; б) в треугольник.
Для передачи энергии потребителям от трехфазного генератора требуется шесть проводов. На практике же их уменьшают, так как генераторы и потребители соединяются по одной из двух схем: в звезду или в треугольник (рис. 21, 22).
Зажимы (выводы) обмоток называются началами и концами фаз.
Рис. 19. Изменение э. д. с. по времени и направлению в трех фазах.
Рис. 20. Получение трехфазного переменного тока.
Начала трех фаз обозначаются соответственно А, В, С, а концы X, Υ, Ζ.
Для соединения в треугольник необходимо конец первой фазы соединить с началом второй, конец второй — с началом третьей и конец третьей — с началом первой, а соединение с тремя линейными проводами предусмотреть в трех объединенных узловых точках.
Рис. 22. Четырехпроводная трехфазная система:
а) соединение в звезду (трехфазная четырехпроводная система); б) соединение в звезду (трехфазная трехпроводная система); в) соединение в треугольник.
В звезду фазы соединяются путем объединения всех трех концов в одну общую точку, а начала обмоток выводятся для отдельного соединения соответственно с каждым линейным проводом. Общая точка, в которой соединяются три конца, называется нулевой точкой, или нейтралью.
Провода, соединяющие начала фаз генераторов с началами фаз потребителей, называются линейными проводами.
Токи, протекающие по фазным обмоткам (генераторов приемников), называются фазными токами, а токи, протекающие по линейным проводам, — линейными.
Соответственно напряжение между началом и концом каждой фазной обмотки называется фазным напряжением, а между линейными проводами — линейными.
При соединении обмоток трехфазного генератора и потребителей в звезду, три обратные провода могут быть объединены в один провод. При этом надобность в четвертом проводе отпадает. При равномерной нагрузке токи во всех фазах равны, а вследствие того, что они сдвинуты друг относительно друга на 1/3 периода, геометрическая сумма мгновенных значений всех трех однофазных токов равна нулю. Поэтому при равномерной нагрузке для соединения генератора с потребителями достаточно трех проводов. Такая система передачи электроэнергии называется трехфазной трехпроводной.
Если при соединении звездой действительно показывает напряжение одной фазы.
При соединении в треугольник нагрузка может быть как равномерной, так и неравномерной. Изменение нагрузки в одной фазе не отражается на работе двух других фаз.
Численно токи и напряжения в зависимости от схемы соединений имеют следующие соотношения.
При соединении фаз звездой линейный ток равен фазному, а линейное напряжение больше фазного в 3 раз, т. е. в 1,73 раза.
Рис. 23. Способ соединения фаз приемника не зависит от способа соединения фаз генератора.
Отсутствие нулевого провода при неравномерной нагрузке ухудшает режим работы. Напряжение между нулевым проводом и любым из линейных называется фазным напряжением, так как нагрузка потребителей неравномерно распределена по фазам, то в схему включается четвертый провод — нулевой. Такая система называется трехфазной четырехпроводной. Нулевой провод соединяет между собой нулевые точки генераторов и приемников.
При соединении треугольником линейный ток больше фазного в 1,73 раза, а линейное напряжение равно фазному. Способ соединения фаз приемников не зависит от соединения фаз генератора (рис. 23).
§ 2. Мощность трехфазного тока
Мощность трехфазного тока равна сумме мощностей трех однофазных токов. При равномерной нагрузке фаз она будет равна
(26) где S — полная мощность;
Рф — мощность в одной фазе;
Iф — ток в одной фазе;
U φ — напряжение в одной фазе.
Заменив фазные значения то ка и напряжения через их линейные значения, формулу (26) получим в следующем виде
(26а) где I и U — линейные значения тока и напряжения.
Активная мощность определяется по следующей формуле
(27)
Коэффициент мощности трехфазного тока по аналогии с коэффициентом мощности в цепях однофазного тока определяется по формуле 
3. Устройство и принцип действия генераторов
Все электрические машины обратимы, т. е. они при определенных условиях могут работать как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. Если к валу машины подвести механическую энергию, в машине произойдет преобразование ее в электрическую. А если обмотку машины питать током, то электроэнергия будет преобразовываться в машине в механическую энергию вращения.
Генераторы переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Наибольшее распространение имеют синхронные. Генератор имеет две основные части: неподвижную — статор и вращающуюся — ротор. Статор, в свою очередь, состоит из магнитопровода и обмотки (катушек) переменного тока, ротор — из магнитопровода (магнитного сердечника) и обмотки. Магнитные сердечники статора и ротора изготавливаются из электротехнической стали. Обмотка ротора синхронного генератора называется обмоткой возбуждения, так как она питается постоянным током от возбудителя: машины постоянного тока или выпрямителя.
Ротор приводится во вращение от первичного двигателя. Магнитное поле ротора пересекает обмотку статора и индуктирует в ней э. д. с. переменного тока.
В трехфазном генераторе (рис. 24) в пазах статора имеются три фазные обмотки, которые уложены таким образом, чтобы при возникновении в них э. д. с. сдвиг между ними составлял 120°.
Частота тока в обмотках генератора определяется скоростью вращения ротора и числом его полюсов, вернее, пар их, так как количество полюсов всегда парное.
Рис. 24. Генератор переменного тока:
а) общий вид; б) разрез.
1 — щетки; 2 — обмотка статора; 3 — статор; 4 — обмотка возбуждения; 5 — контактные кольца; 6 — ротор; 7 — станина; 8 — сердечник полюса.
Все электрооборудование потребителей предназначено для работы при частоте 50 гц. Поэтому роторы генераторов переменного тока для получения необходимой частоты должны вращаться со строго постоянной скоростью, которая называется синхронной. Скорость вращения зависит от числа пар полюсов и определяется по формуле
(28) где п — скорость вращения; f — частота; р — число пар полюсов.
Генератор постоянного тока отличается тем, что концы витка, вращающегося в магнитном поле, присоединяются не к двум сплошным кольцам, а к двум половинам разрезанного кольца, изолированным между собой. Такое устройство называется коллектором, а полукольцо — пластиной его. С помощью коллектора происходит выпрямление переменной электродвижущей силы, возникающей в проводнике, вращающемся в магнитном поле. Таким образом, во внешнюю цепь поступает ток, постоянный по направлению и величине.
§ 4. Преобразователи тока
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях в виде трехфазного переменного тока. Но для удовлетворения нужд народного хозяйства нужен также и постоянный ток. С этой целью применяются специальные установки, называемые преобразователями тока.
Имеется два основных типа преобразователей: вращающиеся и статические. К первому относится двигатель-генератор.
Двигатель-генератор состоит из двигателя переменного тока и одного или более генераторов постоянного тока, имеющих между собой механическое соединение. В этом преобразователе переменный ток вращает двигатель переменного тока, который, в свою очередь, приводит во вращение генератор постоянного тока.
Статические преобразователи — это селеновые, германиевые и другие выпрямители, которые проводят ток в одном направлении. В то же время, если на выпрямитель подать переменный ток, значительно превышающий номинальное значение, то он может проходить также и в обратном направлении. В данном случае говорят, что выпрямитель пробивается, т. е. теряет свои выпрямительные качества.
