Основы электротехники 7 – Трехфазные цепи

Этой публикацией мы продолжаем серию публикаций, посвящённых основам электротехники. В нёй мы поговорим о трёхфазных сетях переменного тока.

Сначала вспомним что такое фаза синусоиды. Мы уже говорили, что это фактически сдвиг синусоиды во времени. Если мы возьмём несколько источников и каждому зададим разные сдвиги, то получим многофазную систему цепей. В таком случае каждую цепь для простоты называют фазой. Как правило, обозначают фазы буквами (фаза А, фаза Б и так далее). Зачем вообще нужны многофазные цепи. Чтобы это понять, надо из мира схемообозначений выйти в мир реальный. Представим, что у нас есть катушка, обтекаемая переменным током. Она создает также переменное магнитное поле. Теперь поместим рядом такую же катушку, но обтекаемую током со смещенной фазой.

Тогда магнитное поле достигнет своего максимума сначала на одной катушки, а потом уже на другой. Поскольку одно поле неотличимо от другого, такое отставание во времени создаёт эффект движения поля в пространстве. Это очень важный момент: с помощью неподвижных проводников мы смогли получить подвижное магнитное поле. Теперь, зная это, разберёмся почему многофазные цепи, как правило, именно трехфазные.

На самом деле всё просто: три – это минимальное число катушек, с помощью которых можно получить равномерно вращающееся магнитное поле. Для этого их нужно поместить со сдвигом 120° в пространстве и подать на них напряжение, сдвинутые на 120° во времени.

В электромеханике, кстати, так и разделяют: электрические градусы и механические, и в общем случае они не равны друг другу. Но сейчас мы об этом не будем, это предмет уже не электротехники, а электромеханики, электрических машин. Сейчас просто утвердим для себя, что трехфазная цепь – это цепь, в которой есть три фазы, сдвинутые между собой на 120°. Это, кстати, очень удобно изображать на векторной диаграмме в виде симметричной тройки векторов. На практике обычно изображают только вектор фазы А. Поскольку остальные точно такие же, только смещённые. Источник трехфазного напряжения – это, как правило, трёхфазный генератор. По сути, это те же самые три катушки, которые мы обсуждали чуть выше, между которыми вращается магнит.

Он наводит в них ЭДС, сдвинутую во времени. Дальше любопытный вопрос: как это трёхфазное напряжение передать? Тянуть шесть проводов, но всё-таки слишком расточительно, поэтому обмотки соединяют между собой либо звездой, либо треугольником.

Рассмотрим сначала соединение звездой. При этом начала всех обмоток у нас свободны, а концы соединены.

Как видно из рисунка, здесь можно увидеть два разных напряжения: между началами соседних обмоток и на каждой отдельной обмотке. Напряжение между началами обмоток называется линейным, потому что это напряжение между двумя линиями передачи энергии. Напряжение между началом обмотки и общей точкой называется фазным, потому что это напряжение на одной фазе. Соотношение между амплитудами линейного и фазного напряжений можно вывести либо алгебраически, зная законы изменения напряжения в каждой фазе, либо геометрически из треугольника векторов. Так или иначе, но соотношение между ними равно корню из 3х. Кстати если 220 умножить на корень из 3х, то получится 380. Поэтому иногда и говорят, что однофазное напряжение у нас в домах это 220 вольт, а трёхфазное 380. На самом деле это одно и то же: просто заходит в дом три фазы, а по квартирам расходится уже по одной. Помимо напряжений различают также линейные и фазные токи.

Линейный ток течёт по линии, фазный по фазе. При соединении звездой линейные и фазные токи совпадают.

Второй вариант соединения фаз треугольником. При этом начало каждой фазы соединяется с концом следующим. В этом случае нейтрального провода уже нет, есть только три линейных. Напряжения, фазные и линейные, совпадают. А вот токи уже нет. Линейный ток больше фазного в корень из 3х раз. Тоже самое, что отношение, что и для напряжений при соединении звездой.

У каждого из типов соединения фаз есть свои преимущества и недостатки, причём в разных отраслях они свои.

Где-то важно наличие нулевого провода у звезды, где-то ценится замкнутость контура в треугольнике, где-то имеет смысл переключения с одного соединения на другое. Но это уже довольно специфические вопросы, и они выходят за рамки этой серии публикаций.

С трёхфазными цепями связана ещё одна очень важная вещь, уже из области схемотехники, это трёхфазный мост или мост Ларионова. Можно очень грубо сказать, что вся силовая электроника строится вокруг моста Ларионова так или иначе. В публикации, посвящённой полупроводникам, мы уже говорили об однофазном диодном мосте, состоящими из 4 диодов, добавим к ним ещё два и соединим в 2 группы: катодную и анодную. Посмотрим сначала на результаты её работы, а потом разберём принцип действия.

Видно, что результирующее напряжение это довольно неплохого качества выпрямленное напряжение. Иногда его называют шестипульсным, поскольку на одном периоде исходного напряжения у него приходится 6 периодов выпрямленного.

Разберём теперь его работу. Правило очень простое:  из всех диодов верхней, то есть катодной группы, проводят тот, к которому приложена наибольшее положительное напряжение, а из нижней, анодной, тот, к которому наибольшее отрицательное.

Посмотрим на интервал времени от π/6 до π/2.

Здесь самая положительная – эта фаза А, самая отрицательная фаза B. Значит открываются диоды 1 и 4. При этом к одному полюсу нагрузки оказывается приложено положительное напряжение, к другому – отрицательное.

Двигаемся дальше по времени, участок π/2 до π/6.

Самое положительное по-прежнему фаза А, а вот самая отрицательная теперь фаза C. Открывается диод 6, а диод 4 закрывается, у него снизу приложено большое напряжение от фазы С, а сверху уже не такое большое напряжение фазы Б. Для нагрузки, как видно, ничего не изменяется. Для неё напряжение всё того же знака и примерно такое же по значению.

Идём дальше и видим, что на интервале от 5π/6 до 3π/2 всё точно так же, только самые положительная уже фаза B, а в нижней части сменяют друг друга фазы C и А.

Наконец-то неизменной на оставшемся отрезке периода от фазы С получаем положительное напряжение, от А и Б – отрицательное. Фазы сменяют друг друга, а на нагрузке напряжение постоянное, хотя и пульсирующее. Его среднее значение можно вывести математически, но на практике обычно пользуются коэффициентом 2,34.

Также, как и в случае однофазной цепи, можно заменить диоды на транзисторы, то есть на управляемые ключи. Если мы теперь приложим постоянное напряжение, а ключи будем открывать так, как открывались выпрямительные диоды, то мы получим трехфазное переменное напряжение. Получается инвертор.

Здесь она ещё шинированное, сейчас о шине не будем, просто увидим, что форма напряжения получилось более-менее похожей на то, что нам нужно. С ним можно работать дальше: фильтровать, сглаживать и так далее. Кстати, если объединить оба эти прибора (выпрямитель и инвертор), получится преобразователь частоты. В самом деле, мы ведь можем формировать на выходе любую синусоиду, она никак не связана с исходными. На этом мы завершаем рассказ о трехфазных цепях. В следующей публикации, которая завершит эту серию, мы поговорим о качестве электроэнергии.