Многофазная система (термин, введенный Сильванусом Томпсоном ) — это средство распределения электроэнергии переменного тока (AC) , которое использует более одной фазы переменного тока , что относится к значению сдвига фаз (в градусах) между переменным током в нескольких проводящих проводах; фазы могут также относиться к соответствующим клеммам и проводникам, как в цветовых кодах . Многофазные системы имеют два или более возбужденных электрических проводника, несущих переменный ток с определенной фазой между волнами напряжения в каждом проводнике. Ранние системы использовали 4-проводное двухфазное напряжение с фазовым углом 90°, [1] но современные системы почти повсеместно используют трехфазное напряжение с фазовым углом 120° (или 2π/3 радиан).
Многофазные системы особенно полезны для передачи мощности электродвигателям , которые используют переменный ток для вращения. Трехфазная мощность используется для промышленных применений и для передачи электроэнергии . По сравнению с однофазной двухпроводной системой, трехфазная трехпроводная система передает в три раза больше мощности для того же размера проводника и напряжения, используя всего в 1,5 раза больше проводников, что делает ее в два раза более эффективной в использовании проводников.
Системы с более чем тремя фазами часто используются для выпрямления и преобразования энергии, а также изучаются для передачи электроэнергии.
В самые ранние дни коммерческой электроэнергии некоторые установки использовали двухфазные четырехпроводные системы для двигателей. Главным преимуществом было то, что конфигурация обмотки была такой же, как и для однофазного конденсаторного пускового двигателя, и, используя четырехпроводную систему, концептуально фазы были независимы и легко анализировались с помощью математических инструментов, доступных в то время. [2]
Двухфазные системы также могут быть реализованы с использованием трех проводов (два «горячих» плюс общая нейтраль). Однако это вносит асимметрию; падение напряжения в нейтрали делает фазы не точно разнесенными на 90 градусов.
Двухфазные системы были заменены трехфазными. Переход от двух к трем фазам изначально был мотивирован созданием более идеального вращающегося поля для двигателей переменного тока: Михаил Доливо-Добровольский подсчитал, что для простых конфигураций обмоток того времени флуктуация магнитного поля может быть снижена с 40% до 15% [ требуется цитата ] . Это менее важно в современных машинах, которые создают почти идеальное вращающееся поле с помощью синусоидально распределенных обмоток , но трехфазные системы сохраняют другие преимущества.
Двухфазное питание с углом между фазами 90 градусов можно получить из трехфазной системы с помощью трансформатора Скотта , который также может вырабатывать трехфазное питание из двухфазного входа.
Многофазная система должна обеспечивать определенное направление чередования фаз, поэтому зеркальные напряжения не учитываются в порядке фаз. 3-проводная система с двумя фазными проводниками, расположенными на 180 градусов друг от друга, все еще является только однофазной. Такие системы иногда называют системами с расщепленной фазой .
Многофазное питание особенно полезно в двигателях переменного тока , таких как асинхронный двигатель , где оно генерирует вращающееся магнитное поле . Когда трехфазный или более источник питания завершает один полный цикл, магнитное поле двухполюсного двигателя на фазу вращается на 360° в физическом пространстве; двигатели с более чем двумя полюсами на фазу требуют больше циклов питания для завершения одного физического оборота магнитного поля, и поэтому эти двигатели работают медленнее. Асинхронные двигатели, использующие вращающееся магнитное поле, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой и разработаны в трехфазной форме Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. [3] Ранее все коммерческие двигатели были постоянного тока, с дорогими коммутаторами , щетками, требующими большого обслуживания, и характеристиками, не подходящими для работы в сети переменного тока. Многофазные двигатели просты в конструкции, являются самозапускающимися и имеют небольшую вибрацию по сравнению с однофазными двигателями.
После того, как многофазное питание доступно, его можно преобразовать в любое желаемое количество фаз с помощью подходящего расположения трансформаторов. Таким образом, потребность в более чем трех фазах необычна, но использовались и более высокие числа фаз, чем три.
Передача электроэнергии с высоким фазовым порядком (HPO) часто предлагалась как способ увеличения пропускной способности в пределах полосы отвода ограниченной ширины . [4] Передаваемая мощность пропорциональна квадрату падения напряжения фаза-земля, но линии электропередачи требуют, чтобы проводники были расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить возникновение как фазных , так и межфазных электрических дуг . Для трехфазной электроэнергии доминирует межфазное напряжение, которое в √ 3 ≈1,7 раза больше межфазного напряжения. Системы с более высокими фазами при том же межфазном напряжении имеют меньшую разность напряжений между соседними фазами, что позволяет использовать более плотное расстояние между проводниками. Для шести- и более фазных систем электропередачи доминирующим эффектом становится межфазное напряжение. [5]
Таким образом, шестифазная работа позволяет существующей двухцепной линии электропередачи передавать больше мощности без необходимости использования дополнительного кабеля-проводника. Однако для этого требуются капитальные затраты и потери на сопротивление новых фазопреобразовательных трансформаторов для сопряжения с обычной трехфазной сетью. [4] Они особенно экономичны, когда альтернативой является модернизация существующей сверхвысоковольтной (СВН, более 345 кВ междуфазной) линии электропередачи до стандартов сверхвысокого напряжения (СВН, более 800 кВ).
В период с 1992 по 1995 год компания New York State Electric & Gas эксплуатировала 1,5-мильную 93-киловольтную 6-фазную линию электропередачи, преобразованную из двухцепной 3-фазной 115-киловольтной линии электропередачи. Основным результатом стало то, что экономически выгодно эксплуатировать существующую двухцепную 115-киловольтную 3-фазную линию в качестве 6-фазной линии на расстояниях более 23–28 миль. [6] : xvii–xviii
Трехфазные линии электропередач полагаются на транспозицию для выравнивания потерь передачи по всем фазам из-за небольших отклонений от идеальной геометрии. Это невозможно для линий с большим количеством фаз, поскольку транспозиция может менять местами только соседние фазы, а двугранная группа на n элементах совпадает с полной симметричной группой только для n ≤3 . Полное применение даже этой ограниченной схемы транспозиции необходимо для надлежащей защиты от замыканий на землю. [6] : 45–52
Были предложены многофазные конструкции генерации электроэнергии с 5, 7, 9, 12 и 15 фазами в сочетании с многофазными индукционными генераторами (MPIG), приводимыми в действие ветряными турбинами. Индукционный генератор вырабатывает электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее синхронной скорости . Многофазный индукционный генератор имеет больше полюсов и, следовательно, более низкую синхронную скорость. Поскольку скорость вращения ветряной турбины может быть слишком медленной для значительной части ее работы по генерации однофазной или даже трехфазной мощности переменного тока, более высокие порядки фаз позволяют системе захватывать большую часть вращательной энергии в виде электроэнергии. [ сомнительно – обсудить ] [ необходима цитата ]