Трёхфазный генератор: как получаются три фазы

Модель генератора: магнит крутится внутри статора с тремя катушками, справа по ходу поворота рисуются синусоиды фаз L1, L2 и L3. Ротор можно тянуть мышью или пальцем, ставить ползунком в нужное положение, пускать и останавливать в любой точке и смотреть мгновенное напряжение каждой фазы. Фазы можно отключать, показывать напряжение между фазами, сумму фаз, мощность и векторную диаграмму.

Как работает трёхфазный генератор

Генератор состоит из двух частей. Неподвижный статор несёт катушки из медного провода, внутри него вращается ротор с магнитом. На электростанции ротор крутит турбина, в автомобиле двигатель через ремень, на учебном стенде электромотор.

Напряжение в катушке появляется, когда магнитное поле через неё меняется. Ротор крутится, поле через каждую катушку то растёт, то падает, то меняет направление, и напряжение катушки повторяет это изменение. Так получается переменное напряжение в форме синусоиды.

На статоре три катушки, расставленные через 120°. Ротор один и проходит мимо них по очереди, поэтому все три катушки дают одинаковые синусоиды, но каждая следующая отстаёт на треть оборота. Три такие синусоиды и называют трёхфазной системой, а каждую катушку с её проводом фазой: L1, L2, L3.

Когда напряжение катушки наибольшее

Провода катушки лежат в пазах статора с двух сторон: у фазы L1 сверху и снизу, на отметках 90° и 270°. Когда полюс магнита смотрит между проводами (ротор на 0° или 180°), поле почти не пересекает провода, и напряжение ноль. Когда полюс проходит прямо под проводами (90° и 270°), поле пересекает их быстрее всего: напряжение наибольшее, при 270° с обратным знаком.

То же самое объясняют через поток сквозь виток. При 0° магнит смотрит вдоль оси витка: поток через виток наибольший, но в этот миг не меняется, напряжение ноль. При 90° поток проходит через ноль и меняется быстрее всего, напряжение наибольшее. Объяснения разные, положение ротора одно. В модели это видно в опыте «Поле и напряжение»: гребень потока приходится на ноль напряжения.

Наибольшее мгновенное напряжение называют амплитудой. В бытовой сети она 311 В. Мультиметр показывает не амплитуду, а действующее значение: оно меньше в √2 ≈ 1,41 раза, U = 311 / 1,41 = 220 В

Частота: от чего зависит

Один оборот ротора с одной парой полюсов даёт один период синусоиды. Генераторы электростанций с одной парой полюсов делают 3000 оборотов в минуту, это 50 оборотов в секунду, отсюда частота сети 50 Гц и период 20 мс. В общем случае f = p · n / 60, где p число пар полюсов, n обороты в минуту. Под графиком модели подписаны миллисекунды при 50 Гц.

Что такое сдвиг фаз 120°

Слово «фаза» в электрике значит две вещи: провод L1, L2 или L3 и положение синусоиды в цикле. Сдвиг фаз 120° означает, что синусоида L2 повторяет L1 на треть периода позже, а L3 ещё на треть позже. При 50 Гц треть периода: 6,7 мс. Сдвиг задан тем, как катушки стоят на статоре, изменить его нельзя.

Порядок фаз L1, L2, L3 определяет направление вращения трёхфазного двигателя. Если поменять местами любые две фазы, двигатель закрутится в обратную сторону.

Почему сумма трёх фаз равна нулю

Остановите модель в любом положении и сложите три мгновенных напряжения со знаками. При повороте 90°: +311, −156 и −156 В. При 0°: 0, −269 и +269 В. Сумма всегда ноль: uL1 + uL2 + uL3 = 0

Отсюда главное свойство трёхфазной сети. Если на трёх фазах одинаковая нагрузка, токи в общей точке тоже гасят друг друга, и общий обратный провод не нужен. Поэтому высоковольтные линии идут тремя проводами. В домах нагрузка фаз разная, и по нулевому проводнику идёт ток небаланса. Как его посчитать, показывает калькулятор тока в нуле.

Фазное и линейное напряжение: почему 380, а не 440

Фазное напряжение измеряют между фазой и нулём: 220 В. Линейное между двумя фазами: 380 В. Сложить 220 + 220 нельзя, потому что гребни синусоид двух фаз приходят в разное время. Вольтметр между фазами видит разность мгновенных напряжений.

Эта разность наибольшая при повороте 60°: L1 = +269 В, L2 = −269 В, между ними 538 В. Это амплитуда линейного напряжения, действующее значение 538 / 1,41 = 381 ≈ 380 В. Отношение к фазному 1,73, это √3: Uл = 1,73 · Uф Правило действует в любой трёхфазной сети: 127/220, 220/380, 230/400 В.

Векторная диаграмма

Каждую синусоиду можно нарисовать стрелкой, которая вращается вместе с ротором. Длина стрелки равна амплитуде, высота её конца равна мгновенному напряжению. В режиме «Векторы» пунктир переносит высоту конца стрелки на график. Три стрелки разведены на 120°. Напряжение между двумя фазами: стрелка от конца одной фазы к концу другой, она в 1,73 раза длиннее стрелки фазы.

Зачем нужны три фазы

  • Меньше проводов: три фазы передают мощность по трём или четырём проводам вместо шести у трёх отдельных однофазных линий.
  • Ровная мощность: у одной фазы мощность 100 раз в секунду падает до нуля, у трёх фаз сумма постоянна. Трёхфазный двигатель вращается без рывков. В модели это опыт «Ровная мощность».
  • Вращающееся поле: три катушки двигателя на трёх фазах сами создают вращающееся магнитное поле. Как это работает, показывает стенд асинхронного двигателя.
  • Два напряжения из одной сети: 220 В для розеток и света, 380 В для двигателей и котлов.

Автомобильный генератор тоже трёхфазный

В автомобиле стоит трёхфазный генератор с диодным мостом: мост превращает три фазы в постоянное напряжение около 14 В для аккумулятора. На роторе у него не постоянный магнит, а обмотка возбуждения, обычно с 6 парами полюсов. Частота на катушках в несколько раз выше 50 Гц и растёт с оборотами двигателя. Если вывести концы катушек до моста, осциллограф покажет три синусоиды со сдвигом 120°: так устроен учебный стенд в классе центра.

Частые вопросы

Почему фаз три, а не две или шесть?

Три фазы: наименьшее число, при котором сумма напряжений в любой момент равна нулю, мощность постоянна, а поле в двигателе вращается равномерно. Двухфазной системе со сдвигом 90° нужен обратный провод, она даёт неровную мощность. Шесть фаз почти ничего не прибавляют, но усложняют оборудование.

Почему мультиметр показывает 220 В, если амплитуда 311 В?

Мультиметр показывает действующее значение: такое постоянное напряжение, которое нагрело бы лампу так же. Для синусоиды оно в 1,41 раза меньше амплитуды. Изоляцию приборов рассчитывают на амплитуду.

Чем фаза отличается от нуля?

Фаза: вывод обмотки трансформатора, на нём переменное напряжение относительно земли. Ноль: общая точка трёх обмоток, её на подстанции заземляют, поэтому напряжение нуля относительно земли близко к нулю. По нулю идёт обратный ток однофазных потребителей.

Можно ли получить три фазы из однофазной сети?

Трансформатором нельзя. Трёхфазный двигатель от одной фазы запускают через частотный преобразователь с однофазным входом: он сам формирует три фазы на выходе, обычно на 220 В между фазами. Вариант с конденсатором работает, но двигатель теряет заметную часть мощности.

Что будет, если поменять местами две фазы?

Трёхфазный двигатель закрутится в обратную сторону. Однофазным приборам порядок фаз безразличен. Порядок фаз проверяют указателем чередования фаз перед подключением насосов и станков.

Где разобрать трёхфазную сеть подробнее?

В уроке по шагам «Трёхфазная сеть»: звезда и треугольник, мощность и ток, ток в нуле, обрыв нуля и обрыв фазы, диагностика мультиметром, задачи с проверкой. Чем опасен перекос фаз для техники, разобрано в статье о перекосе фаз.