Порядок фаз в трёхфазных альтернаторах: механика, детекция и перестановка проводов

Трёхфазный альтернатор

Вернёмся к конструкции трёхфазного альтернатора, обсуждавшейся ранее, и посмотрим на влияние вращения ротора на генерируемые напряжения.

Трёхфазный альтернатор

Фазовый сдвиг 120° — прямой результат фактического углового смещения трёх пар обмоток. Если магнит вращается по часовой стрелке, обмотка 3 достигает пика напряжения на 120° поворота вала после обмотки 2, которая сама пикует на 120° после обмотки 1. Магнит проходит каждую полюсную пару под разными углами вала.

Расположение обмоток определяет фазовый сдвиг между переменнотоковыми волнами каждой обмотки. Принимая обмотку 1 за референс (0°), обмотка 2 имеет –120° (или +240°), а обмотка 3 – –240° (или +120°).

Последовательность фаз

Вращение по часовой стрелке производит повторяющуюся последовательность: 1 → 2 → 3. Последовательность сохраняется, пока альтернатор вращается.

Последовательность фаз при вращении по часовой стрелке: 1‑2‑3.

Реверс направления вала (против часовой стрелки) меняет порядок на 3 → 2 → 1. В этом случае обмотка 2 опережает обмотку 1 на 120°, а обмотка 3 опережает обмотку 2 на ещё 120°.

Последовательность фаз при вращении против часовой стрелки: 3‑2‑1.

Расположение волн напряжения в многофазной системе называется порядком фаз или фазовым порядком. Для чисто резистивных нагрузок последовательность не имеет значения — амплитуды остаются одинаковыми независимо от 1‑2‑3 или 3‑2‑1. Однако некоторые трёхфазные приложения, особенно с несбалансированными реактивными нагрузками, чувствительны к направлению фазового порядка.

Детекторы последовательности фаз

Обычные вольтметры и амперметры не могут раскрыть последовательность работающей силовой системы. Вместо этого простая детекторная схема использует конденсатор для введения фазового сдвига между напряжением и током, который затем проявляется как разница в яркости двух индикаторных ламп.

Детектор последовательности фаз сравнивает яркость двух ламп.

Обе лампы имеют одинаковое сопротивление нити накала и мощность. Конденсатор подобран так, чтобы его реактивное сопротивление примерно равнялось сопротивлению каждой лампы на частоте системы. Замена конденсатора резистором равного значения уравновесила бы цепь, давая одинаковую яркость. Конденсатор же вводит 90° фазовый сдвиг в третьей ветви, искажая напряжение и ток, видимые лампами, в зависимости от их относительных фазовых смещений.

SPICE-анализ детекторов последовательности фаз

Следующее SPICE-моделирование, помеченное phase rotation detector – sequence = v1‑v2‑v3, иллюстрирует эффект 90° фазового сдвига.

SPICE-схема 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

Фазовый сдвиг конденсатора снижает напряжение на первой лампе до 48,1 В, повышая вторую до 179,5 В, заставляя первую притухать, а вторую — ярче светить. Обращение фазовой последовательности (т.е. phase rotation detector – sequence = v3‑v2‑v1) инвертирует результат: первая лампа становится яркой, вторая — тусклой.

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

Таким образом, фазовый порядок определяется порядком, в котором вращающийся магнит альтернатора проходит полюсные пары, и смена направления вращения меняет этот порядок. На практике конечные пользователи не могут изменить вращение комбинированных альтернаторов национальной сети, но они могут добиться того же эффекта, переставив любые два из трёх линейных проводов, подаваемых на трёхфазную нагрузку.

Перестановка линейных проводов

Обмен двух линейных проводов — простой метод обращения фазовой последовательности. Рассмотрим работающий порядок 1‑2‑3: 1‑2‑3‑1‑2‑3‑… Обращение к 3‑2‑1 эквивалентно обмену любых двух проводов. Результат всегда обращённый порядок (например, 2‑1‑3, 1‑3‑2 или 3‑2‑1).

Все варианты обмена любых двух проводов.

Резюме

• Фазовый порядок (или фазовая последовательность) — это порядок, в котором волны напряжения многофазного источника достигают пиков. Для трёхфазной системы существует только две последовательности: 1‑2‑3 и 3‑2‑1, соответствующие двум возможным направлениям вращения альтернатора.
• Фазовый порядок не влияет на чисто резистивные нагрузки, но затрагивает несбалансированные реактивные нагрузки, как показывает детекторная схема.
• Обращение фазовой последовательности выполняется обменом любых двух из трёх линейных проводов, питающих трёхфазную нагрузку.

Связанные рабочие листы

• Polyphase Power Systems Worksheet