Трёхфазный двигатель - электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока .
Принцип работы трёхфазного двигателя был разработан Доливо-Добровольским. Представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и образуют вращающееся магнитное поле в магнитной цепи машины, и из ротора с короткозамкнутой обмоткой, чаще называемой «беличье колесо».
Асинхронный двигатель, согласно принципу обратимости электрических машин, может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.
В двигательном режиме при подключении двигателя к трехфазной сети переменного тока в обмотке статора образуется вращающееся магнитное поле , под действием которого в короткозамкнутой обмотке ротора наводятся токи, образующие электромагнитный момент вращения, стремящийся провернуть ротор вокруг его оси. Ротор преодолевает момент нагрузки на валу и начинает вращаться, достигая подсинхронной скорости (она же и будет номинальной с учетом момента нагрузки на валу двигателя).
В генераторном режиме происходят обратные явления, приводной двигатель раскручивает ротор до подсинхронной скорости, при этом остаточное магнитное поле ротора, пронизывая обмотки статора, наводит в них ЭДС индукции, под действием которой на выводах обмотки появится напряжение.
Для смены направления вращения трехфазного АД необходимо поменять местами две фазы из трех в месте подключения питания к двигателю. Может работать в однофазной сети с потерей мощности. При этом для запуска необходим механический сдвиг ротора, либо фазосдвигающая цепь, которая обычно строится или из ёмкости или из индуктивности или из трансформатора .
При однофазном запуске на одну из обмоток подаётся напряжение (ток) через ёмкость или индуктивность , которая сдвигает фазу тока:
После запуска напряжение с фазосдвигающей обмотки можно снять.
В некоторых случаях, при питании от однофазной сети, запуск осуществляется вручную проворотом ротора. После проворота ротора двигатель работает самостоятельно.
Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность .
Трёхфазная система электроснабжения - частный случай многофазных систем электрических цепей, в которых действуют созданные общим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга во времени на определённый фазовый угол. Таким образом, каждая такая ЭДС находится в своей фазе периодического процесса, поэтому часто называется просто фазой. Также "фазами" называют проводники - носители этих ЭДС. В трёхфазных системах угол сдвига равен 120 градусам. Фазные проводники обозначаются латинскими буквами A, B и C.
Звездой называется такое соединение, когда концы фаз обмоток генератора (G) соединяют в одну общую точку, называемую нейтральной точкой или нейтралью. Концы фаз обмоток приёмника (M) так же соединяют в общую точку. Провода, соединяющие начала фаз генератора и приёмника, называются линейными. Провод, соединяющий две нейтрали, называется нейтральным.
Шины для раздачи нулевых проводов и проводов заземления при подключении звездой. Одно из преимуществ подключения звездой - экономия на нулевом проводе, поскольку от генератора до точки разделения нулевых проводов вблизи потребителя, требуется только один провод. Трёхфазная цепь, имеющая нейтральный провод, называется четырёхпроводной. Если нейтрального провода нет - трёхпроводной. Если сопротивления Za, Zb, Zc приёмника равны между собой, то такую нагрузку называют симметричной.
Особенностью при симметричной нагрузке в трёхфазной системе является питание потребителя фазным напряжением даже при отсутствии нейтрального провода. В случае несимметричной нагрузки, при обрыве рабочего нуля нагрузка оказывается под линейным напряжением, что зачастую является причиной вывода из строя бытовой электроники в квартирных домах. Так как сопротивление потребителя остаётся константой, то согласно закону Ома при возрастании напряжения, сила тока, который будет иметь место у потребителя, окажется гораздо больше максимально допустимого значения, что и вызовет сгорание и/или выход из строя питаемого электрооборудования.
Напряжение между линейным проводом и нейтралью (Ua, Ub, Uc) называется фазным. Напряжение между двумя линейными проводами(UAB, UBC, UCA) называется линейным. Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:
Треугольник - такое соединение, когда конец первой фазы соединяется с началом второй фазы, конец второй фазы с началом третьей, а конец третьей фазы соединяется с началом первой.
Большим недостатком соединения нагрузки треугольником является образование РЕ-проводников путём подключения жёлто-зелёного провода к фазному полюсу. Происходит это по причине цветового обозначения современных проводов, т.к. они имеют только один провод с обозначением фазного полюса, однако при монтаже в домах с треугольной системой (до 1960-х стандарт напряжения был 127/220, из-за чего после перехода на 220/380 многие постройки были переведены на треугольное подключение нагрузки), синий провод подключается к фазному потенциалу; несмотря на это зачастую можно встретить создание PEN-проводников при двухфазном снабжении помещения. Такое создание PEN-проводников будет являться опасным, поскольку на самом деле на всех заземлённых корпусах будет присутствовать фазный потенциал. Синхронное касание к таким корпусам и заземлённым частям (водопроводу) приведёт к поражению электрическим током, причём из-за низкого напряжения (127 вольт) через
При рассмотрении этой темы воспользуемся рисунками 9.7, 9.8.
Напряжение между началом и концом фазы ¾ фазное напряжение U ф,
Таким образом, имеется три фазных напряжения ¾векторы , и (рис. 9.7). Обычно за условное положительное направление э. д. с. (векторы , , ) генератора принимают направление от конца к началу фазы. Положительное направление тока в фазах совпадает с положительным направлением э. д. с., а положительное направление падения напряжения (напряжение) на фазе приемника совпадает с положительным направлением тока в фазе. Положительным направлением напряжения на фазе генератора, как и на фазе приемника, является направление от начала фазы к ее концу, т. е. противоположное положительному направлению э. д. с.
Напряжение между линейными проводами ¾ линейное напряжение U л.
Таким образом, имеется три линейных напряжения ¾векторы , , , условные положительные направления которых приняты от точек, соответствующих первому индексу, к точкам, соответствующим второму индексу. Линейные напряжения определяются через известные фазные напряжения. Это соотношение может быть получено из уравнения, написанного по второму закону Кирхгофа для контура ANBA (рис.9.7), если принять направление обхода контура от точки А к точке N и т. д. против часовой стрелки:
(10.1)
и аналогично
Таким образом, действующее значение линейных напряжений равно векторной разности соответствующих фазных напряжений.
При построении векторных диаграмм напряжений удобно принимать потенциалы нейтральных точек N и n равными нулю, т. е. совпадающими с началом координатных осей комплексной плоскости (рис. 10.1). Таким образом, на векторной диаграмме удобно направить векторы фазных напряжений от точки N к точкам А, В и С, т. е. противоположно условному положительному направлению напряжений на схемах.
Для нахождения вектора линейного напряжения , как следует из (10.1), необходимо к вектору, напряжения прибавить вектор напряжения с противоположным знаком. После переноса вектора параллельно самому себе он соединит точки А и В на векторной диаграмме фазных напряжений.
Рис. 10.1 Векторная диаграмма фазных и линейных напряжений при соединении фаз звездой
Аналогично строят векторы линейных напряжений и . На векторной диаграмме напряжений векторы фазных напряжений образуют звезду, а векторы линейных напряжений ¾замкнутый треугольник. Вследствие этого векторная сумма линейных напряжений всегда равна нулю, т. е.
(10.2)
Так как при симметричной системе треугольник линейных напряжений равносторонний, то, чтобы найти соотношение между линейными и фазными напряжениями, надо опустить перпендикуляр из точки N на вектор напряжения . Тогда
Так как а , то
Таким образом, если система напряжений симметрична, то при соединении звездой линейное напряжение в = 1,73 рaза больше фазного напряжения. Предусмотренные ГОСТом и применяемые на практике напряжения переменного тока 127, 220, 380 и 660 В как раз и отличаются друг от друга в 1,73 раза. Если U л = 220 В, то U ф = 127 В, что обозначают как 220/127 В. Кроме того, применяют системы 380/220 и 660/380 В.
В четырехпроводной трехфазной цепи (рис. 9.7) имеется два уровня напряжения, различающихся в 1,73 раза, что позволяет использовать приемники с различным номинальным напряжением.
При подключении приемников к трехфазному генератору, обмотки которого соединены звездой, ток протекает по обмоткам генератора, линейным проводам и фазам приемника. Ток в фазах генератора или приемника называется фазным током I ф. Ток в линейных проводах называется линейным током I л. Так как обмотка генератора, линейный провод и приемник, принадлежащие одной фазе, соединяются последовательно, то при соединении звездой линейный ток равен фазному:
Линейные и фазные токи на рис. 9.7 обозначены , и .
Ток в нейтральном проводе может быть определен по первому закону Кирхгофа, на основании которого для точки n можно записать уравнение:
(10.3)
Следовательно, ток в нейтральном проводе равен геометрической сумме фазных токов.
Ток в каждой фазе может быть определен по закону Ома для цепи синусоидального тока . Так, для фазы А
где 
Аналогично определяют фазные токи и . Зная модули I А, I B и I C и сдвиги фаз j A , j B и j C между векторами соответствующих фазных напряжений и токов, можно построить векторную диаграмму (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Векторная диаграмма фазных напряжений и токов при несимметричной нагрузке
При построении принято, что система фазных напряжений симметрична (что на практике почти всегда имеет место), а сопротивления фаз приемников различны. В результате фазные токи оказываются различными по значению и сдвинутыми по фазе на различные углы. Геометрическим сложением фазных токов находят вектор тока I N . Чем больше различие в фазных токах, тем больше ток в нейтральном проводе.
При симметричной системе напряжений и симметричной нагрузке, когда 
, т. е. когда R A =R B =R C и Х А =Х B =Х C , фазные токи равны по значению и углы сдвига фаз одинаковы:
I А = I В = I C = I ф;
j A = j B = j С = j .
Итак, фазные токи при симметричной нагрузке образуют симметричную систему, вследствие чего ток I N в нейтральном проводе равен:
Векторная диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки показана на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Векторная диаграмма напряжений и токов при симметричной нагрузке
При симметричной нагрузке создается такой режим трехфазной цепи, при котором в нейтральном проводе тока нет. Следовательно, можно отказаться от нейтрального провода и перейти от четырехпроводной к трехпроводной трехфазной цепи, изображенной на рис. 10.4.
Рис. 10.4. Схема связанной трехпроводной трехфазной цепи
Изменение мгновенных значений симметричной системы токов аналогично изменению мгновенного значения э. д. с.
При t = 0 ток i А = 0, ток i С положителен, а ток i B отрицателен, причем i С = -i В. Это значит, что действительное направление тока в фазе С совпадает с условным положительным направлением, указанным на рис. 10.4., а в фазе В противоположно указанному на схеме направлению. Провод В в данный момент времени является обратным проводом для фазы С. При t = Т/2 токи i A и i С положительны, причем i A = i С = 0,5I m , а ток I В отрицателен, причем i B = -I m . Провод В является обратным проводом для фаз A и С. Преимущество трехфазной системы в том и состоит, что не требуется специальных обратных проводов, их функции поочередно выполняют прямые провода. Обмотки современных трехфазных генераторов, которые устанавливают на электростанциях, соединяются всегда звездой, что позволяет выполнять изоляцию обмоток на фазное напряжение , которое меньше линейного в 1,73 раза. При соединении обмоток генератора звездой фазы приемника могут быть соединены как звездой, так и треугольником.
Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу
Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов: трехфазного генератора, линии передачи со всем необходимым оборудованием, приемников (потребителей). Напряжение между линейным проводом и нейтралью (Ua, Ub, Uc) называется фазным . Напряжение между двумя линейными проводами (UAB, UBC, UCA) называется линейным . Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:
.
Векторная диаграмма при соединении приемника звездой в случае симметричной нагрузки .
14. Ток в нейтральном проводе в трехфазных цепях. Нейтральный (нулевой рабочий) провод - провод, соединяющий между собой нейтрали электроустановок в трёхфазных электрических сетях. При соединении обмоток генератора и приёмника электроэнергии по схеме «звезда» фазное напряжение зависит от подключаемой к каждой фазе нагрузки. В случае подключения, например, трёхфазного двигателя, нагрузка будет симметричной, и напряжение между нейтральными точками генератора и двигателя будет равно нулю. Однако, в случае, если к каждой фазе подключается разная нагрузка, в системе возникнет так называемое напряжение смещения нейтрали , которое вызовет несимметрию напряжений нагрузки. На практике это может привести к тому, что часть потребителей будет иметь пониженное напряжение, а часть повышенное. Пониженное напряжение приводит к некорректной работе подключённых электроустановок, а повышенное может, кроме этого, привести к повреждению электрооборудования или возникновению пожара . Соединение нейтральных точек генератора и приёмника электроэнергии нейтральным проводом позволяет снизить напряжение смещения нейтрали практически до нуля и выровнять фазные напряжения на приёмнике электроэнергии. Небольшое напряжение будет обусловлено только сопротивлением нулевого провода.
Трехфазные цепи с нейтральным проводе называют четерехпроводными цепями.
Обычно сопротивлением проводов не учитывается /
Тогда фазные напр. приемника будут равны фазн. напряжением генератора. .
При
том что комплексные сопротивления
равны
,
то токи определяются
В соответствии с 1 зак. Киргофа ток в нейтр. проводе
При симмет. напр.
При
несим. напр.
Нейтр провод выравнивает фазные напряжения.
Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.
Соединение в звезду
На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.
Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).
Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.
Все
величины, относящиеся к фазам, носят
название фазных
переменных,
к
линии - линейных.
Как
видно из схемы на рис. 6, при соединении
в звезду линейные токи иравны
соответствующим фазным токам. При
наличии нейтрального провода ток в
нейтральном проводе
.
Если система фазных токов симметрична,
то.
Следовательно, если бы симметрия токов
была гарантирована, то нейтральный
провод был бы не нужен. Как будет показано
далее, нейтральный провод обеспечивает
поддержание симметрии напряжений на
нагрузке при несимметрии самой нагрузки.
Поскольку
напряжение на источнике противоположно
направлению его ЭДС, фазные напряжения
генератора (см. рис. 6) действуют от точек
А, В и С к нейтральной точке N; 
-
фазные напряжения нагрузки.
Линейные
напряжения действуют между линейными
проводами. В соответствии со вторым
законом Кирхгофа для линейных напряжений
можно записать
Отметим, что всегда - как сумма напряжений по замкнутому контуру.
На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при осно. вании, равными 300), в этом случае
Обычно
при расчетах принимается 
.
Тогда для случаяпрямого
чередования фаз 
, (приобратном
чередовании фаз
фазовые
сдвиги у именяются
местами). С учетом этого на основании
соотношений (1) …(3) могут быть определены
комплексы линейных напряжений. Однако
при симметрии напряжений эти величины
легко определяются непосредственно
из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя
вещественную ось системы координат по
вектору(его
начальная фаза равна нулю), отсчитываем
фазовые сдвиги линейных напряжений по
отношению к этой оси, а их модули
определяем в соответствии с (4). Так для
линейных напряженийиполучаем:
;
.
Соединение в треугольник
В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).
Для симметричной системы ЭДС имеем
.
Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.
Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.
Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями
Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.
На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов
В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».
