Трёхфазный переменный электрический ток

Трёхфазная система генерации и потребления электроэнергии разработана и осуществлена в 1890 году русским инженером М.О. Добровольским.

Конструкция электродинамического генератора трёхфазного переменного тока такова: внутри статора с тремя катушками (обмотками) вращается постоянный электромагнит (ротор). В обмотках статора индуцируются ЭДС: e₁(t) = e_m×sin(wt), e₂(t) = , e₃(t) = e_m× sin(wt - ).    

Таким образом, генератор трёхфазного тока представляет собой совокупность трёх генераторов однофазного переменного тока с постоянной разностью фаз между порождаемыми ими напряжениями. Обмотки статора соединяют между собой либо по схеме "звезда" (стр.130), либо по схеме ²треугольник². Соединение ²звезда² получило большее распространение.

При равномерной электрической нагрузке фаз (обмоток) генератора, получим: , поэтому, с учётом сдвига фаз этих токов (см. векторную диаграмму), . В результате сила тока, протекающего по "нулевому" проводу (подключённому к объединённым концам всех трёх обмоток),

близка к нулю. Равенство  нарушается при "перекосе" фаз - большом различии электрических нагрузок, подключённых к фазам. Энергетики строго следят за равномерностью нагрузок фаз генератора, иначе возможна авария в электросети из-за нагрева "нулевого провода".

Преимущества трёхфазной схемы, по сравнению с однофазной: 1) Вместо 6 проводов (по два на каждую обмотку) трёхфазная сиcтема имеет только 4 провода, один из которых ("нулевой") - тонкий; 2) В трёхфазном генераторе нет скользящих контактов, что существенно повышает его надёжность и увеличивает срок эксплуатации; простота получения в генераторе вращающегося магнитного поля путём подключения обмоток к 3-х фазной сети переменного тока. Это позволяет превратить генератор в двигатель (очень важное достоинство!).

Превращение 3-х фазного генератора в асинхронный электрический двигатель: 1) Обмотки ротора (каждую отдельно) замкнуть накоротко; 2) Обмотки статора включить в сеть 3-х фазного тока. Индуцируемый в обмотках ротора индукционный ток обуславливает возникновение силы Ампера. Под действием этой силы ротор поворачивается, стремясь догнать магнитное поле обмоток статора, но немного отстаёт от него (отсюда термин "асинхронный" электрический двигатель).

Трансформатор

Это устройство, предназначенное для преобразования параметров переменного тока (понижения или повышения его силы и напряжения). Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из: 1) магнитопровода - массивного замкнутого стержня, выполненного из ферромагнетика; 2) двух катушек L₁иL₂, насаженных на магнитопровод и имеющих разное число (  и ) витков провода.

К одной из катушек, например первой, подключают преобразуемый переменный ток I₁, порождаемый ЭДС e₁(t). Ток I₁создаёт вокруг катушки L₁нарастающее вихревое (т.е. замкнутое) магнитное поле с потоком Ф₁, сосредоточенное, главным образом, внутри магнитопровода. Нарастающий поток Ф₁, пронизывая L₂, индуцирует в ней ток I₂, который порождает своё магнитное поле с потоком Ф₂, направленное, в соответствии с правилом Ленца, навстречу Ф₁. Результирующее магнитное поле, пронизывающее обе катушки, изменяется за время  на величину . Поэтому можно утверждать, что ЭДС на концах катушек соответственно равны:

e₁(t) = = - ×n₁ и e₂(t) = - ×n₂ = .

Откуда: k =  = , где k - коэффициент трансформации. При  и трансформатор называют повышающим. При , трансформатор - понижающий.

Согласно закону сохранения энергии, мощности токов в обеих катушках трансформатора одинаковы:  Þ , т.е. повышение напряжения сопровождается уменьшением силы тока и наоборот.  

Тип трансформатора легко определить по виду его катушек (обмоток): у повышающего - вторичная обмотка содержит большое число витков тонкого провода (т.к. I₂мал), у понижающего (например, в сварочном аппарате) - вторичная обмотка содержит малое число витков толстого провода (т.к. I₂велик).

Трансформатор - наиболее совершенное устройство, созданное человеком; его КПД достигает 98 %, что объясняется концентрацией магнитного поля в ферромагнитном сердечнике и малыми тепловыми потерями в нём из-за вихревых токов, так как его сердечник набран из тонких изолированных пластин.

10.5. Нагрузка в цепи переменного тока

В цепи переменного тока кроме активной нагрузки (как в цепи постоянного тока), возможны ещё два вида реактивной нагрузки: индуктивная  и емкостная .

a) Активная (омическая)нагрузка (R) - элемент цепи, на котором происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. На активном сопротивлении изменения величин электрического напряжения U и силы тока I происходят синфазно (т.е. одновременно):

.

б) Емкостная нагрузка ( ). Емкостной нагрузкой являются не только специальные устройства для накапливания электрического заряда - конденсаторы; некоторой электрической ёмкостью обладают и другие элементы электрических схем, и даже соединительные провода.

В цепи постоянного тока конденсатор имеет бесконечно большое сопротивление. Действительно, после подключения источника, ток в цепи идёт лишь вначале. По мере зарядки конденсатора разность потенциалов на его обкладках (пластинах) растёт и, будучи приложенной навстречу ЭДС источника, препятствует протеканию основного тока. Когда достигается равенство  (конденсатор заряжен) ток прекращается, что эквивалентно бесконечно большому сопротивлению внешней цепи.

Если же конденсатор подключить к источнику переменного тока (с периодом меньше времени зарядки конденсатора), то в цепи, вследствие постоянной перезарядки конденсатора, всегда будет ток. Причём сила тока в цепи .

Поскольку, согласно закону Ома, I = , то, сравнивая две последние формулы, можно записать: X_C =   .

Причём, изменения cилы тока на емкостной нагрузке опережают по фазе изменения напряжения на   (т.е.  на  чет-

верть периода). Действительно, в момент подключения источника сила тока зарядки конденсатора максимальна, а напряжение на нём  - минимально. По мере зарядки конденсатора величина  возрастает и, будучи приложенной навстречу ЭДС источника, уменьшает ток зарядки. В момент e сила тока в цепи равна нулю. Смена полярности полюсов источника приводит к повторению процесса, только направление тока изменяется на обратное.

Физический смысл  заключается в противодействии электрического поля конденсатора направленному движению зарядов, т.е. току зарядки конденсатора.

в) Индуктивная нагрузка ( ).

Любой проводник (в том числе и соединительные провода) имеет некоторую индуктивность L, т.е. обладает некоторой способностью сохранять силу тока, протекающего по нему. Поэтому, для переменного тока проводник, кроме активного сопротивления, обладает ещё дополнительным сопротивлением, называемым индуктивным .

Физический смысл заключается в явлении самоиндукции, при котором вихревое электрическое поле, индуцированное в проводнике, препятствует изменению силы тока, протекающего по проводнику.

Причём, изменения силы тока I на индуктивной нагрузке отстают по фазе от изменений напряжения  на  (т.е. на четверть периода).

Поскольку ток самоиндукции  противодействует изменениям основного тока I, то, учитывая, что , можно записать I ~ . С другой стороны, согласно закону Ома, I= . Сравнивая две последние формулы, можно утверждать, что .

Как видим, величина , т.е. график зависимости (w) представляет собой прямую линию, угол наклона a которой к оси w пропорционален индуктивности проводника L.