Учебник для 11 класса

ФИЗИКА

§ 3.6. Соединение обмоток генератора трехфазного тока

Существует два основных способа соединения фазных обмоток генератора между собой: звездой и треугольником.

Соединение звездой

При соединении звездой (условное обозначение Y) концы обмоток X, Y и Z соединяются в одной точке О, которая называется нулевой точкой или нейтралью (рис. 3.15). Начала и концы обмоток определяют по правилу, о котором было рассказано в § 3.5. Разметка выводов обмоток на концы и начала — это не простая формальность.

Если при прохождении ротора через обмотку АХ в начале А обмотки и в конце X обмотки потенциалы были равны соответственно φ_A и φ_B, то после поворота ротора на 120°, т. е. при прохождении его через обмотку BY, обязательно должны выполняться равенства φB = φA и φY = φX. То же относится к началу С и концу Z третьей обмотки генератора. Генератор соединяется с потребителями тока четырьмя проводами. Три из них, присоединенные к началам А, В и С обмоток, называются линейными проводами. Провод, присоединенный к нулевой точке, называется нейтральным или нулевым проводом.

Рис. 3.15

Напряжения между каждым из линейных проводов и нейтральным проводом называются фазными напряжениями. Их действующие значения обозначаются соответственно U_A, U_B, U_C или в общем виде U_ф.

Напряжения между линейными проводами называются линейными напряжениями. Их действующие значения обозначаются соответственно U_AB, U_BC, U_CA или в общем виде U_Л.

Установим соотношение между линейными и фазными напряжениями при соединении обмоток генератора звездой. Мгновенное значение линейного напряжения U_AB между фазами A и В равно разности потенциалов между началами обмоток А и В:

Аналогично

Таким образом, линейные напряжения равны разности соответствующих фазных напряжений.

При разомкнутом генераторе фазные напряжения u_A, u_B, u_C равны по модулю и противоположны по знаку соответствующим ЭДС e_A, e_B, e_C в его обмотках. Амплитуды фазных напряжений равны амплитуде ЭДС обмоток:

Вычислим линейное напряжение между фазами А и В:

Учитывая, что

получим

Аналогичные выражения можно получить для u_BC и u_CA.

Отсюда видно, что при соединении обмоток генератора звездой линейные напряжения изменяются по гармоническому закону с той же чистотой, что и фазные напряжения, а амплитуда колебаний линейного напряжения больше амплитуды колебаний фазного напряжения в раз. Следовательно, действующее значение линейного напряжения при соединении звездой в раз больше действующего значения фазного напряукения:

К этому же результату можно прийти, если построить векторную диаграмму для действующих значений фазных и линейных напряжений (рис. 3.16) с учетом того, что:

Рис. 3.16

Соединение обмоток генератора треугольником

При соединении обмоток генератора трехфазного тока треугольником (условное обозначение Δ) конец первой обмотки X соединяется с началом второй обмотки В, конец второй обмотки У соединяется с началом третьей обмотки С и конец третьей обмотки Z — с началом первой обмотки A (рис. 3.17).

Рис. 3.17

Три линейных провода, идущих к потребителям тока, присоединяются к началам обмоток (фаз) А, В, С. При таком соединении обмоток, как видно из рисунка 3.17, фазные напряжения равны линейным напряжениям:

При соединении треугольником три обмотки (фазы) генератора образуют замкнутый контур с весьма малым сопротивлением. Но полная ЭДС контура равна нулю:

Поэтому сила тока в обмотках ненагруженного генератора равна нулю.

В справедливости равенства (3.6.7) можно убедиться, сложив векторы ЭДС на векторной диаграмме (рис. 3.18).

Рис. 3.18

Опасно неправильное соединение обмоток генератора треугольником, когда, например, конец первой обмотки X соединен с началом второй обмотки В, но конец второй обмотки У соединен с концом третьей обмотки Z и начало третьей обмотки С соединено с началом первой обмотки А. В этом случае результирующая ЭДС не равна нулю (предлагаем вам доказать, что она по модулю равна удвоенному значению фазной ЭДС), что при малом сопротивлении обмоток генератора равносильно короткому замыканию.

При соединении обмоток генератора треугольником для получения нужного линейного напряжения каждая фазная обмотка должна быть рассчитана на напряжение, в раз большее, чем в случае соединения обмоток генератора звездой. Это приводит к удорожанию генератора, в связи с чем обмотки генератора обычно соединяются звездой.

Соединение треугольником допустимо лишь при одинаковой или почти одинаковой нагрузке фаз. Иначе сила тока в замкнутом контуре обмоток окажется слишком большой, что опасно для генератора.