Электроника:Переменный ток/Многофазные цепи переменного тока/Чередование фаз

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Чередование фаз

Трёхфазный генератор переменного тока

Давайте возьмём схему трёхфазного генератора переменного тока, представленную в прошлой лекции, и посмотрим, что происходит при вращении магнита.

Рис. 1. Трёхфазный генератор.

Сдвиг фазового угла 120° является функцией фактического угла поворота магнита относительно трёх пар обмоток.

Если магнит вращается по часовой стрелке, обмотка 3 будет генерировать свое пиковое мгновенное напряжение, когда магнит повернётся ровно на 120° (при вращении вала генератора) после обмотки 2, которая достигнет своего пика через 120° после обмотки 1. Пара полюсов магнита проходит через все положения при вращении вала.

Те позиции, в которых разместим обмотки, будут определять величину фазового сдвига между волнами переменного напряжения для обмоток.

Если мы сделаем обмотку 1 нашим «эталонным» источником напряжения для фазового угла (0°), то обмотка 2 будет иметь фазовый угол -120° (120° с запаздыванием или 240° с опережением), а обмотка 3 будет иметь угол 240° (или 120° с опережением).

Последовательность фаз

Эта последовательность фазовых сдвигов меняется в определённом порядке. При вращении вала по часовой стрелке порядок 1-2-3 (сначала на пике обмотка 1, затем обмотка 2, затем обмотка 3). Этот порядок повторяется, пока вращается вал генератора.

Рис. 2. Последовательность фаз при вращении вала генератора по часовой стрелке: 1-2-3.

Однако, если мы обратим вращение вала генератора переменного тока (будем вращать его против часовой стрелки), пара полюсов магнита будет поворачиваться к обмоткам в противоположной последовательности. Вместо 1-2-3 у нас будет 3-2-1. Теперь, волна напряжения на 2-й обмотке сигнала будет не запаздывать за сигналом 1-й обмотки на 120°, а опережать на тот же фазовый угол. А 3-я будет ещё на 120° впереди чем 2-я:

Рис. 3. Последовательность фаз при вращении вала генератора против часовой стрелки: 3-2-1.

Порядок последовательности волн напряжения в многофазной системе называется чередованием фаз или последовательностью фаз. Если мы используем многофазный источник напряжения для питания резистивных нагрузок, чередование фаз не имеет никакого значения. Независимо от того, 1-2-3 или 3-2-1, значения напряжения и силы тока будут одинаковыми. Как мы вскоре убедимся, иногда имеет значение, в какую именно сторону происходит чередование фаз в системе трёхфазного питания.

Детекторы чередования фаз

Поскольку вольтметры и амперметры бесполезны для определения чередования фаз в действующей энергосистеме, нужен какой-то другой инструмент, способный выполнять эту работу. В одном хитроумном схемотехническом решении используется конденсатор для введения фазового сдвига между напряжением и током, который затем используется для определения последовательности путём сравнения яркости двух индикаторных ламп:

Рис. 4. Детектор последовательности фаз сравнивает яркость двух ламп.

Две лампы имеют одинаковое сопротивление нити накала и одинаковую мощность. Конденсатор рассчитан на то, чтобы иметь примерно такое же реактивное сопротивление на системной частоте, что и сопротивление каждой лампы.

Если бы вместо конденсатора был резистор, сопротивление которого было бы такое же, как и у ламп, обе лампы светились бы с одинаковой яркостью, так как схема сбалансирована. Однако конденсатор вносит фазовый сдвиг 90° между напряжением и током в третьем плече цепи.

Этот фазовый сдвиг, больший чем 0°, но меньший чем 120°, приводит к смещению значений напряжения и тока на двух лампах в соответствии с их фазовым сдвигом относительно фазы 3.

SPICE-анализ для детекторов последовательности фаз

Следующий анализ SPICE, демонстрирует, что произойдет:

Рис. 5. Промаркируем схему для моделирования в SPICE детектора последовательности фаз.

phase rotation detector -- sequence = v1-v2-v3 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 2650 r2 2 4 2650 c1 3 4 1u .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .end

freq	v(1,4)	v(2,4)	v(3,4)
6.000E+01	4.810E+01	1.795E+02	1.610E+02

Результирующий фазовый сдвиг конденсатора приводит к падению напряжения на лампе фазы 1 (между узлами 1 и 4) до 48,1 В, а напряжение на лампе фазы 2 (между узлами 2 и 4) повышается до 179,5 В, в результате чего первая лампа светит тускло, а вторая – ярко. Всё будет наоборот, если последовательность фаз будет обратной:

phase rotation detector -- sequence = v3-v2-v1 v1 1 0 ac 120 240 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 0 sin r1 1 4 2650 r2 2 4 2650 c1 3 4 1u .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .end

freq	v(1,4)	v(2,4)	v(3,4)
6.000E+01	1.795E+02	4.810E+01	1.610E+02

Здесь первая лампа получает 179,5 вольт, а вторая - только 48,1 вольт.

Мы увидели, как происходит чередование фаз (порядок, при котором пары полюсов вращающегося магнита меняет расположение при вращении генератора переменного тока) и как его можно изменить, обратив направление вращения вала генератора переменного тока.

Однако реверсное вращение вала генератора переменного тока обычно не является вариантом, доступным для конечного пользователя электроэнергии, поставляемой общенациональной сетью («генератор переменного тока» фактически представляет собой совокупную сумму всех генераторов переменного тока на всех электростанциях, питающих сеть).

Обмен «горячими» проводами

Существует гораздо более простой способ изменить последовательность фаз, чем реверсировать вращение генератора: просто поменять местами любые два из трёх «горячих» проводов, идущих к трёхфазной нагрузке.

Этот трюк более понятен, если ещё раз взглянуть на последовательность фаз трёхфазного источника напряжения:

1-2-3 чередование: 1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3 ...
3-2-1 чередование: 3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1 ...

То, что традиционно называют чередованием фаз «1-2-3», можно с тем же правом назвать как «2-3-1» или как «3-1-2», если двигаться слева-направо в числовой строке выше. Аналогично противоположное вращение («3-2-1») можно так же назвать как «2-1-3» или как «1-3-2».

Начав с чередования фаз 3-2-1, можно посмотреть, что произойдёт, если поменять местами любые два провода за раз и как это отразится на результирующей последовательности:

Рис. 6. Все варианты обмена любой пары проводов.

Независимо от того, какую пару «горячих» проводов из трёх мы поменяем местами, чередование фаз в любом случае меняется на противоположное (1-2-3 меняются на 2-1-3, 1-3-2 или 3-2-1, что одно и то же).

Итог

• Чередование фаз или последовательность фаз – это порядок, в котором волны напряжения многофазного источника переменного тока достигают своих соответствующих пиков. Для трёхфазной системы есть только две возможные последовательности фаз: 1-2-3 и 3-2-1, соответствующие двум возможным направлениям вращения генератора.
• Чередование фаз не влияет на резистивные нагрузки, но оказывает влияние на несбалансированные реактивные нагрузки, как показано в работе схемы детектора чередования фаз.
• Чередование фаз можно изменить, поменяв местами любые два из трёх «горячих» вывода, подающих трёхфазное питание на трёхфазную нагрузку.