Трехфазное электропитание

Общий метод выработки, передачи и распределения электроэнергии переменного тока

Трехфазный трансформатор с четырехпроводным выходом для сети 208Y/120 В: один провод для нейтрали, другие для фаз A, B и C

Трехфазная электрическая энергия (сокращенно 3ϕ ^[1] ) — это распространенный тип переменного тока (AC), используемый при производстве , передаче и распределении электроэнергии . ^[2] Это тип многофазной системы, использующей три провода (или четыре, включая дополнительный нейтральный обратный провод), и это наиболее распространенный метод, используемый в электрических сетях по всему миру для передачи электроэнергии.

Трехфазная электроэнергия была разработана в 1880-х годах несколькими людьми. В трехфазной электросети напряжение на каждом проводе сдвинуто по фазе на 120 градусов относительно каждого из других проводов. Поскольку это система переменного тока, она позволяет легко повышать напряжение с помощью трансформаторов до высокого напряжения для передачи и понижать для распределения, что обеспечивает высокую эффективность.

Трехпроводная трехфазная цепь обычно более экономична, чем эквивалентная двухпроводная однофазная цепь при том же напряжении между линией и землей, поскольку она использует меньше проводникового материала для передачи заданного количества электроэнергии. ^[3] Трехфазная энергия в основном используется напрямую для питания больших асинхронных двигателей , других электродвигателей и других тяжелых нагрузок. Малые нагрузки часто используют только двухпроводную однофазную цепь, которая может быть получена из трехфазной системы.

Терминология

Проводники между источником напряжения и нагрузкой называются линиями, а напряжение между любыми двумя линиями называется линейным напряжением . Напряжение, измеренное между любой линией и нейтралью, называется фазным напряжением . ^[4] Например, для сети 208/120 вольт линейное напряжение составляет 208 вольт, а фазное напряжение — 120 вольт.

История

Многофазные системы питания были независимо изобретены Галилео Феррарисом , Михаилом Доливо-Добровольским , Йонасом Венстрёмом , Джоном Хопкинсоном , Уильямом Стэнли-младшим и Николой Теслой в конце 1880-х годов. ^[5]

Первый двигатель переменного тока, разработанный итальянским физиком Галилео Феррарисом. Это был двухфазный двигатель, для которого требовалось четыре провода.

Трехфазная мощность развилась из развития электродвигателя. В 1885 году Галилео Феррарис проводил исследования вращающихся магнитных полей . Феррарис экспериментировал с различными типами асинхронных электродвигателей . Исследования и его изыскания привели к разработке генератора переменного тока , который можно рассматривать как двигатель переменного тока, работающий в обратном направлении, чтобы преобразовывать механическую (вращающуюся) мощность в электрическую (как переменный ток). 11 марта 1888 года Феррарис опубликовал свое исследование в докладе Королевской академии наук в Турине .

Два месяца спустя Никола Тесла получил патент США 381 968 на конструкцию трехфазного электродвигателя, заявка была подана 12 октября 1887 года. На рисунке 13 этого патента показано, что Тесла предполагал, что его трехфазный двигатель будет питаться от генератора по шести проводам.

Эти генераторы переменного тока работали, создавая системы переменных токов, смещенных относительно друг друга по фазе на определенную величину, и зависели от вращающихся магнитных полей для своей работы. Полученный источник полифазной энергии вскоре нашел широкое признание. Изобретение полифазного генератора переменного тока является ключевым в истории электрификации, как и силовой трансформатор. Эти изобретения позволили экономично передавать энергию по проводам на значительные расстояния. Полифазная энергия позволила использовать гидроэнергию (через гидроэлектростанции на больших плотинах) в отдаленных местах, тем самым позволяя преобразовывать механическую энергию падающей воды в электричество, которое затем можно было подавать на электродвигатель в любом месте, где требовалась механическая работа. Эта универсальность вызвала рост сетей электропередачи на континентах по всему миру.

Михаил Доливо-Добровольский разработал трехфазный электрический генератор и трехфазный электродвигатель в 1888 году и изучал соединения звездой и треугольником . Его трехфазная трехпроводная система передачи была представлена ​​в 1891 году в Германии на Международной электротехнической выставке , где Доливо-Добровольский использовал систему для передачи электроэнергии на расстояние 176 км (110 миль) с эффективностью 75% . В 1891 году он также создал трехфазный трансформатор и короткозамкнутый ( беличья клетка ) асинхронный двигатель . ^{[6] [7]} Он спроектировал первую в мире трехфазную гидроэлектростанцию ​​в 1891 году. Изобретатель Йонас Венстрём получил в 1890 году шведский патент на ту же трехфазную систему. ^[8] Возможность передачи электроэнергии от водопада на расстояние была исследована на шахте Грэнгесберг .Было выбрано падение 45  м в Хельшёне, Смедьебакенс коммуна, где располагался небольшой металлургический завод. В 1893 году трехфазныйСистема напряжением 9,5  кВ использовалась для передачи мощности в 400 лошадиных сил на расстояние 15 км (10 миль), став первым коммерческим применением. ^[9]

Принцип

Нормализованные формы волн мгновенных напряжений в трехфазной системе в одном цикле со временем, увеличивающимся вправо. Порядок фаз 1–2–3. Эта последовательность повторяется в каждом цикле, и, таким образом, частота вращения генератора задает частоту энергосистемы. В идеале напряжение , ток и мощность каждой фазы смещены относительно других на 120°, таким образом, все находятся на равном расстоянии. Эту симметрию также можно воссоздать в преобразователях.

Трехфазные линии электропередачи

Трехфазный трансформатор (Бекешчаба, Венгрия): слева — первичные провода, справа — вторичные провода.

В симметричной трехфазной системе электроснабжения три проводника несут переменный ток одинаковой частоты и амплитуды напряжения относительно общего опорного, но с разницей фаз в одну треть цикла (т. е. на 120 градусов по фазе) между каждым. Общий опорный проводник обычно подключается к земле и часто к токопроводящему проводнику, называемому нейтралью. Из-за разности фаз напряжение на любом проводнике достигает своего пика на одну треть цикла после одного из других проводников и на одну треть цикла до оставшегося проводника. Эта задержка фазы обеспечивает постоянную передачу мощности на сбалансированную линейную нагрузку. Она также позволяет создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателе и генерировать другие фазовые конфигурации с помощью трансформаторов (например, двухфазную систему с использованием трансформатора Скотта-Т ). Амплитуда разности напряжений между двумя фазами в разы превышает амплитуду напряжения отдельных фаз. ${\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots }$

Симметричные трехфазные системы, описанные здесь, называются просто трехфазными системами , поскольку, хотя и возможно спроектировать и реализовать асимметричные трехфазные системы электропитания (т. е. с неравными напряжениями или фазовыми сдвигами), на практике они не используются, поскольку лишены важнейших преимуществ симметричных систем.

В трехфазной системе, питающей сбалансированную и линейную нагрузку, сумма мгновенных токов трех проводников равна нулю. Другими словами, ток в каждом проводнике равен по величине сумме токов в двух других, но с противоположным знаком. Обратным путем для тока в любом фазном проводнике являются два других фазных проводника.

Постоянная передача мощности возможна при любом количестве фаз больше одной. Однако двухфазные системы не имеют нейтрали-токовой компенсации и, таким образом, используют проводники менее эффективно, а более трех фаз усложняют инфраструктуру без необходимости. Кроме того, в некоторых практических генераторах и двигателях две фазы могут привести к менее плавному (пульсирующему) крутящему моменту. ^[10]

Трехфазные системы могут иметь четвертый провод, распространенный в низковольтном распределении. Это нейтральный провод. Нейтраль позволяет обеспечить три отдельных однофазных источника питания при постоянном напряжении и обычно используется для питания нескольких однофазных нагрузок. Соединения организованы таким образом, чтобы, насколько это возможно, в каждой группе от каждой фазы отбиралась одинаковая мощность. Далее по системе распределения токи обычно хорошо сбалансированы. Трансформаторы могут быть подключены так, чтобы иметь четырехпроводную вторичную обмотку и трехпроводную первичную обмотку, при этом допуская неуравновешенные нагрузки и связанные с ней нейтральные токи вторичной стороны.

Последовательность фаз

Проводка для трех фаз обычно идентифицируется цветами, которые различаются в зависимости от страны и напряжения. Фазы должны быть подключены в правильном порядке, чтобы достичь предполагаемого направления вращения трехфазных двигателей. Например, насосы и вентиляторы не работают так, как предполагалось, в обратном порядке. Сохранение идентичности фаз требуется, если два источника могут быть подключены одновременно. Прямое соединение между двумя разными фазами является коротким замыканием и приводит к протеканию неуравновешенного тока.

Преимущества и недостатки

По сравнению с однофазным источником питания переменного тока, который использует два токопроводящих проводника (фазу и нейтраль ), трехфазный источник питания без нейтрали и с тем же напряжением фаза-земля и токовой нагрузкой на фазу может передавать в три раза больше энергии, используя всего в 1,5 раза больше проводов (т. е. три вместо двух). Таким образом, отношение емкости к материалу проводника удваивается. ^[11] Отношение емкости к материалу проводника увеличивается до 3:1 с незаземленной трехфазной и заземленной по центру однофазной системой (или 2,25:1, если обе используют заземления с тем же калибром, что и проводники). Это приводит к более высокой эффективности, меньшему весу и более чистым формам волн.

Трехфазные источники питания обладают свойствами, которые делают их желательными в системах распределения электроэнергии:

• Фазные токи имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, суммируясь до нуля в случае линейной сбалансированной нагрузки, что позволяет уменьшить размер нейтрального проводника, поскольку он проводит мало или вообще не проводит тока. При сбалансированной нагрузке все фазные проводники проводят одинаковый ток и, следовательно, могут иметь одинаковый размер.
• Передача мощности в линейную сбалансированную нагрузку постоянна, что в применениях двигателей/генераторов помогает снизить вибрации.
• Трехфазные системы способны создавать вращающееся магнитное поле с заданным направлением и постоянной величиной, что упрощает конструкцию электродвигателей, поскольку не требуется пусковая цепь.

Однако большинство нагрузок однофазные. В Северной Америке односемейные дома и отдельные квартиры питаются от одной фазы электросети и используют систему с разделенной фазой для распределительного щита , от которого большинство ответвлений цепей будут нести 120 В. Цепи, предназначенные для более мощных устройств, таких как печи, сушилки или розетки для электромобилей, носят 240 В.

В Европе трехфазное питание обычно подается на распределительный щит и далее на более мощные устройства.

Генерация и распределение

Анимация трехфазного тока

Левое изображение: элементарный шестипроводной трехфазный генератор переменного тока, в котором каждая фаза использует отдельную пару проводов передачи. ^[12] Правое изображение: элементарный трехпроводной трехфазный генератор переменного тока, показывающий, как фазы могут совместно использовать только три провода. ^[13]

На электростанции электрический генератор преобразует механическую энергию в набор из трех переменных электрических токов , по одному от каждой катушки (или обмотки) генератора. Обмотки расположены таким образом, что токи имеют одинаковую частоту, но с пиками и впадинами их волновых форм, смещенными для обеспечения трех дополнительных токов с фазовым разделением в одну треть цикла ( 120° или 2π ⁄ 3 радиан ). Частота генератора обычно составляет 50 или 60 Гц , в зависимости от страны.

На электростанции трансформаторы изменяют напряжение от генераторов до уровня, пригодного для передачи , чтобы минимизировать потери.

После дополнительных преобразований напряжения в передающей сети напряжение окончательно преобразуется в стандартное значение, прежде чем электроэнергия подается потребителям.

Большинство автомобильных генераторов генерируют трехфазный переменный ток и выпрямляют его в постоянный ток с помощью диодного моста . ^[14]

Трансформаторные соединения

Обмотка трансформатора, соединенная по схеме «треугольник» (Δ), подключается между фазами трехфазной системы. Трансформатор, соединенный по схеме «звезда» (Y), подключает каждую обмотку от фазного провода к общей нейтральной точке.

Можно использовать один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора.

В системе «открытая дельта» или «V» используются только два трансформатора. Закрытая дельта, состоящая из трех однофазных трансформаторов, может работать как открытая дельта, если один из трансформаторов вышел из строя или его необходимо удалить. ^[15] В открытой дельте каждый трансформатор должен проводить ток для своих соответствующих фаз, а также ток для третьей фазы, поэтому мощность снижается до 87%. При отсутствии одного из трех трансформаторов и эффективности оставшихся двух 87% мощность составляет 58% ( 2 ⁄ 87 %). ^{[16] [17]}

Если система с дельта-питанием должна быть заземлена для обнаружения блуждающего тока на землю или защиты от перенапряжений, заземляющий трансформатор (обычно зигзагообразный трансформатор ) может быть подключен, чтобы позволить токам замыкания на землю вернуться из любой фазы на землю. Другой вариант - это "заземленная в углу" дельта-система, которая представляет собой замкнутую дельту, заземленную на одном из соединений трансформаторов. ^[18]

Трехпроводные и четырехпроводные цепи

Схемы соединения звездой (Y) и треугольником (Δ)

Существуют две основные трехфазные конфигурации: звезда (Y) и треугольник (Δ). Как показано на схеме, для конфигурации треугольника требуется всего три провода для передачи, но для конфигурации звезда (звезда) может быть четвертый провод. Четвертый провод, если он присутствует, предоставляется в качестве нейтрали и обычно заземляется. Обозначения трех и четырех проводов не учитывают заземляющий провод, присутствующий над многими линиями передачи, который предназначен исключительно для защиты от замыканий и не проводит ток при нормальном использовании.

Четырехпроводная система с симметричными напряжениями между фазой и нейтралью получается, когда нейтраль подключается к «общей точке звезды» всех обмоток питания. В такой системе все три фазы будут иметь одинаковую величину напряжения относительно нейтрали. Использовались и другие несимметричные системы.

Четырехпроводная система звезда используется, когда необходимо обслуживать смесь однофазных и трехфазных нагрузок, например, смешанные нагрузки освещения и двигателей. Примером применения является местное распределение в Европе (и в других местах), где каждый потребитель может питаться только от одной фазы и нейтрали (которая является общей для трех фаз). Когда группа потребителей, совместно использующих нейтраль, потребляет неравные фазные токи, общий нейтральный провод несет токи, возникающие в результате этих дисбалансов. Инженеры-электрики пытаются спроектировать трехфазную систему питания для любого одного места так, чтобы мощность, потребляемая от каждой из трех фаз, была одинаковой, насколько это возможно в этом месте. ^[19] Инженеры-электрики также пытаются организовать распределительную сеть так, чтобы нагрузки были максимально сбалансированы, поскольку те же принципы, которые применяются к отдельным помещениям, применяются и к мощности широкомасштабной распределительной системы. Следовательно, органы снабжения прилагают все усилия для распределения мощности, потребляемой от каждой из трех фаз, по большому количеству помещений так, чтобы в среднем в точке питания наблюдалась как можно более сбалансированная нагрузка.

Конфигурация «треугольник-звезда» на сердечнике трансформатора (обратите внимание, что реальный трансформатор обычно имеет разное количество витков на каждой стороне)

Для бытового использования некоторые страны, такие как Великобритания, могут поставлять одну фазу и нейтраль с высоким током (до 100  А ) на один объект, в то время как другие страны, такие как Германия, могут поставлять 3 фазы и нейтраль каждому потребителю, но с более низким номиналом предохранителя, как правило, 40–63 А на фазу, и «поочередно», чтобы избежать эффекта, когда большая нагрузка приходится на первую фазу. ^{[ необходима ссылка ]}

Трансформатор для системы " high-leg delta ", используемой для смешанных однофазных и трехфазных нагрузок в одной и той же распределительной системе. Трехфазные нагрузки, такие как двигатели, подключаются к L1, L2 и L3. Однофазные нагрузки подключаются между L1 или L2 и нейтралью или между L1 и L2. Фаза L3 в 1,73 раза больше напряжения L1 или L2 относительно нейтрали, поэтому эта ветвь не используется для однофазных нагрузок.

На основе соединения звездой (Y) и треугольником (Δ). Обычно существует четыре различных типа соединений обмоток трехфазного трансформатора для целей передачи и распределения:

• звезда (Y) – звезда (Y) используется для малых токов и высокого напряжения,
• Дельта (Δ) – Дельта (Δ) используется для больших токов и низких напряжений,
• Соединение треугольником (Δ) – звездой (Y) используется для повышающих трансформаторов, т.е. на генерирующих станциях,
• Схема звезда (Y) – треугольник (Δ) используется для понижающих трансформаторов, т.е. в конце передачи.

В Северной Америке иногда используется высоковольтная дельта- питание, когда одна обмотка трансформатора, соединенного по схеме треугольника, питающая нагрузку, имеет центральный отвод, который заземлен и подключен как нейтраль, как показано на второй схеме. Такая установка создает три различных напряжения: если напряжение между центральным отводом (нейтраль) и каждым из верхних и нижних отводов (фаза и противофаза) составляет 120  В (100%), напряжение между фазой и противофазой составляет 240 В (200%), а напряжение между нейтралью и «высоким отводом» составляет ≈ 208 В (173%). ^[15]

Причина предоставления дельта-подключенного питания обычно заключается в том, чтобы запитать большие двигатели, требующие вращающегося поля. Однако для соответствующих помещений также потребуются «обычные» североамериканские 120-вольтовые источники, два из которых выведены (180 градусов «сдвинуты по фазе») между «нейтралью» и любой из центральных фазовых точек.

Сбалансированные схемы

В идеально сбалансированном случае все три линии разделяют эквивалентные нагрузки. Рассматривая схемы, мы можем вывести соотношения между напряжением и током линии, а также напряжением и током нагрузки для нагрузок, соединенных звездой и треугольником.

В сбалансированной системе каждая линия будет производить равные величины напряжения при фазовых углах, равноудаленных друг от друга. С V ₁ в качестве нашей опорной точки и V ₃ отстающим V ₂ отстающим V ₁ , используя обозначение угла , и V _LN напряжением между линией и нейтралью, мы имеем: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}}$

Эти напряжения подаются на нагрузку, соединенную звездой или треугольником.

Уай (или звезда; Y)

Трехфазный генератор переменного тока, подключенный как источник звезды или звезды к нагрузке, подключенной звездой или звездой. В показанной схеме неуравновешенные токи будут протекать между источником и нагрузкой через землю, создавая нежелательные паразитные напряжения земли . ^[21]

Напряжение, воспринимаемое нагрузкой, будет зависеть от соединения нагрузки; в случае соединения звездой подключение каждой нагрузки к фазе (фаза-нейтраль) дает напряжения ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-\theta ),\\I_{2}&={\frac {V_{2}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\frac {V_{3}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

где Z _total — сумма сопротивлений линии и нагрузки ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), а θ — фаза полного сопротивления ( Z _total ).

Разница фазового угла между напряжением и током каждой фазы не обязательно равна 0 и зависит от типа сопротивления нагрузки, Z _y . Индуктивные и емкостные нагрузки приведут к тому, что ток будет либо отставать, либо опережать напряжение. Однако относительный фазовый угол между каждой парой линий (1 к 2, 2 к 3 и 3 к 1) по-прежнему будет равен −120°.

Векторная диаграмма для конфигурации «звезда», в которой V _ab представляет линейное напряжение, а V _an представляет фазное напряжение. Напряжения сбалансированы как

• V _ab знак равно (1∠α − 1∠α + 120°) √ 3  | В |∠α + 30°,
• V _{до н.э. знак} равно √ 3  | V |∠α − 90°,
• V _{ок знак} равно √ 3  | В |∠α + 150°

(в данном случае α = 0).

Применяя закон тока Кирхгофа (KCL) к нейтральному узлу, три фазных тока суммируются в общий ток в нейтральной линии. В сбалансированном случае:

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

Дельта (Δ)

Трехфазный генератор переменного тока, подключенный по схеме «звезда» к нагрузке, подключенной по схеме «треугольник»

В схеме треугольника нагрузки подключаются поперек линий, поэтому нагрузки видят линейное напряжение: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}}V_{1}\angle (\phi _{V_{1}}+30^{\circ }),\\V_{23}&=V_{2}-V_{3}=(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle (\phi _{V_{2}}+30^{\circ }),\\V_{31}&=V_{3}-V_{1}=(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle (\phi _{V_{3}}+30^{\circ }).\end{aligned}}}$

(Φ _v1 — сдвиг фаз для первого напряжения, обычно принимаемый за 0°; в этом случае Φ _v2 = −120° и Φ _v3 = −240° или 120°.)

Дальше:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (30^{\circ }-\theta ),\\I_{23}&={\frac {V_{23}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (-90^{\circ }-\theta ),\\I_{31}&={\frac {V_{31}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (150^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

где θ — фаза дельта-импеданса ( Z _Δ ).

Относительные углы сохраняются, поэтому I ₃₁ отстает I ₂₃ отстает I ₁₂ на 120°. Расчет токов линии с использованием KCL в каждом дельта-узле дает

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle (\phi _{I_{12}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}}$

и аналогично для каждой другой строки:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle (\phi _{I_{23}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{23}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle (\phi _{I_{31}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{31}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

где, опять же, θ — фаза дельта-импеданса ( Z _Δ ).

Конфигурация треугольника и соответствующая векторная диаграмма его токов. Фазные напряжения равны линейным напряжениям, а токи рассчитываются как

• I _a = I _ab − I _ca = √ 3  I _ab ∠−30°,
• Яб = Ябс − Яаб ,_​​​
• Я _с = Я _са − Я _бс .

Общая передаваемая мощность составляет

• S _3Φ = 3 В _фаза I * _фаза .

Проверка векторной диаграммы или преобразование из векторной нотации в комплексную нотацию показывает, как разница между двумя напряжениями «фаза-нейтраль» дает напряжение «фаза-фаза», которое больше в √ 3 раза . Поскольку конфигурация «треугольник» подключает нагрузку к фазам трансформатора, она обеспечивает разницу напряжений «фаза-фаза», которая в √ 3 раза больше напряжения «фаза-нейтраль», подаваемого на нагрузку в конфигурации «звезда». Поскольку передаваемая мощность равна V ² / Z , импеданс в конфигурации «треугольник» должен быть в 3 раза больше, чем в конфигурации «звезда», чтобы передать ту же мощность.

Однофазные нагрузки

За исключением систем с высоким треугольником и систем с заземленным треугольником, однофазные нагрузки могут быть подключены к любым двум фазам, или нагрузка может быть подключена от фазы к нейтрали. ^[22] Распределение однофазных нагрузок между фазами трехфазной системы уравновешивает нагрузку и обеспечивает наиболее экономичное использование проводников и трансформаторов.

В симметричной трехфазной четырехпроводной системе звезда три фазных проводника имеют одинаковое напряжение относительно нейтрали системы. Напряжение между линейными проводниками равно √ 3 напряжению фазного проводника относительно нейтрали: ^[23]

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

Токи, возвращающиеся из помещений потребителей к трансформатору питания, все делят нейтральный провод. Если нагрузки равномерно распределены по всем трем фазам, сумма возвращающихся токов в нейтральном проводе приблизительно равна нулю. Любая несбалансированная фазная нагрузка на вторичной стороне трансформатора будет использовать мощность трансформатора неэффективно.

Если нейтраль питания разорвана, напряжение фаза-нейтраль больше не поддерживается. Фазы с более высокой относительной нагрузкой будут испытывать пониженное напряжение, а фазы с более низкой относительной нагрузкой будут испытывать повышенное напряжение, вплоть до напряжения фаза-фаза.

Схема с высоким звеном треугольника обеспечивает отношение фаз к нейтрали V _LL = 2  V _LN  , однако нагрузка LN накладывается на одну фазу. ^[15] На странице производителя трансформатора указано, что нагрузка LN не должна превышать 5% от мощности трансформатора. ^[24]

Так как √ 3 ≈ 1,73, то определение V _LN как 100% дает V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Если бы V _LL было установлено как 100%, то V _LN ≈ 57,7% .

Несбалансированные нагрузки

Когда токи на трех фазных проводах трехфазной системы не равны или не находятся под точным углом сдвига фаз 120°, потери мощности больше, чем для идеально сбалансированной системы. Метод симметричных компонентов используется для анализа несбалансированных систем.

Нелинейные нагрузки

При линейных нагрузках нейтраль несет ток только из-за дисбаланса между фазами. Газоразрядные лампы и устройства, которые используют выпрямительно-конденсаторный вход, такие как импульсные источники питания , компьютеры, офисное оборудование и т. д., производят гармоники третьего порядка , которые находятся в фазе на всех фазах питания. Следовательно, такие гармонические токи добавляются в нейтраль в системе звезда (или в заземленном (зигзагообразном) трансформаторе в системе треугольник), что может привести к тому, что ток нейтрали превысит фазный ток. ^{[22] [25]}

Трехфазные нагрузки

Трехфазная электрическая машина с вращающимися магнитными полями

Важным классом трехфазной нагрузки является электродвигатель . Трехфазный асинхронный двигатель имеет простую конструкцию, изначально высокий пусковой момент и высокую эффективность. Такие двигатели применяются в промышленности для многих целей. Трехфазный двигатель более компактен и менее дорог, чем однофазный двигатель того же класса напряжения и номинала, а однофазные двигатели переменного тока мощностью более 10 л  . с. (7,5 кВт) встречаются редко. Трехфазные двигатели также меньше вибрируют и, следовательно, служат дольше, чем однофазные двигатели той же мощности, используемые в тех же условиях. ^[26]

Резистивные нагревательные нагрузки, такие как электрические котлы или отопление помещений, могут быть подключены к трехфазным системам. Электрическое освещение также может быть подключено аналогичным образом.

Мерцание частоты линий в свете вредно для высокоскоростных камер, используемых в трансляции спортивных мероприятий для замедленных повторов. Его можно уменьшить, равномерно распределив источники света, работающие на частоте линий, по трем фазам, так что освещенная область освещается со всех трех фаз. Этот метод был успешно применен на Олимпийских играх 2008 года в Пекине. ^[27]

Выпрямители могут использовать трехфазный источник для получения шестиимпульсного постоянного тока на выходе. ^[28] Выход таких выпрямителей намного более плавный, чем выпрямленный однофазный и, в отличие от однофазного, не падает до нуля между импульсами. Такие выпрямители могут использоваться для зарядки аккумуляторов, процессов электролиза , таких как производство алюминия и электродуговая печь, используемая в сталеплавильном производстве , а также для работы двигателей постоянного тока. Зигзагообразные трансформаторы могут производить эквивалент шестифазного двухполупериодного выпрямления, двенадцать импульсов за цикл, и этот метод иногда используется для снижения стоимости фильтрующих компонентов, одновременно улучшая качество получаемого постоянного тока.

Трехфазная вилка, использовавшаяся ранее на электрических плитах в Германии

Во многих европейских странах электроплиты обычно рассчитаны на трехфазное питание с постоянным подключением. Отдельные отопительные приборы часто подключаются между фазой и нейтралью, чтобы обеспечить подключение к однофазной цепи, если трехфазное питание недоступно. ^[29] Другими обычными трехфазными нагрузками в бытовом секторе являются безнапорные системы нагрева воды и накопительные нагреватели . Дома в Европе стандартизированы на номинальное напряжение 230 В ±10% между любой фазой и землей. Большинство групп домов питаются от трехфазного уличного трансформатора, так что отдельные помещения с потреблением выше среднего могут питаться с помощью подключения ко второй или третьей фазе.

Фазовые преобразователи

Фазовые преобразователи используются, когда трехфазное оборудование должно работать от однофазного источника питания. Они используются, когда трехфазное питание недоступно или его стоимость не оправдана. Такие преобразователи также могут позволять изменять частоту, позволяя контролировать скорость. Некоторые железнодорожные локомотивы используют однофазный источник для управления трехфазными двигателями, питаемыми через электронный привод. ^[30]

Вращающийся фазовый преобразователь — это трехфазный двигатель со специальными пусковыми устройствами и коррекцией коэффициента мощности , который вырабатывает сбалансированные трехфазные напряжения. При правильной конструкции эти вращающиеся преобразователи могут обеспечить удовлетворительную работу трехфазного двигателя от однофазного источника. В таком устройстве накопление энергии осуществляется за счет инерции ( эффекта маховика) вращающихся компонентов. Иногда на одном или обоих концах вала находится внешний маховик.

Трехфазный генератор может приводиться в действие однофазным двигателем. Эта комбинация двигателя и генератора может обеспечить функцию преобразователя частоты, а также преобразование фаз, но требует двух машин со всеми их расходами и потерями. Метод двигателя и генератора может также сформировать источник бесперебойного питания при использовании в сочетании с большим маховиком и двигателем постоянного тока с питанием от батареи; такая комбинация будет обеспечивать почти постоянную мощность по сравнению с временным падением частоты, которое происходит с резервным генератором, пока не включится резервный генератор.

Конденсаторы и автотрансформаторы можно использовать для аппроксимации трехфазной системы в статическом фазовом преобразователе, но напряжение и фазовый угол дополнительной фазы могут быть полезны только для определенных нагрузок.

Частотно-регулируемые электроприводы и цифровые фазовые преобразователи используют силовые электронные устройства для синтеза сбалансированного трехфазного питания из однофазного входного питания.

Тестирование

Проверка последовательности фаз в цепи имеет большое практическое значение. Два источника трехфазного питания не должны быть соединены параллельно, если они не имеют одинаковой последовательности фаз, например, при подключении генератора к включенной распределительной сети или при параллельном подключении двух трансформаторов. В противном случае соединение будет вести себя как короткое замыкание, и будет течь избыточный ток. Направление вращения трехфазных двигателей можно изменить, поменяв местами любые две фазы; может быть непрактично или вредно проверять машину, кратковременно подавая питание на двигатель, чтобы наблюдать его вращение. Последовательность фаз двух источников можно проверить, измерив напряжение между парами клемм и заметив, что клеммы с очень низким напряжением между ними будут иметь одну и ту же фазу, тогда как пары, которые показывают более высокое напряжение, находятся на разных фазах.

Если абсолютная идентичность фаз не требуется, приборы для проверки чередования фаз могут использоваться для определения последовательности вращения с помощью одного наблюдения. Прибор для проверки чередования фаз может содержать миниатюрный трехфазный двигатель, направление вращения которого можно непосредственно наблюдать через корпус прибора. Другая модель использует пару ламп и внутреннюю фазосдвигающую сеть для отображения чередования фаз. Другой тип прибора может быть подключен к обесточенному трехфазному двигателю и может обнаруживать небольшие напряжения, вызванные остаточным магнетизмом, когда вал двигателя вращается вручную. Лампа или другой индикатор загорается, чтобы показать последовательность напряжений на клеммах для данного направления вращения вала. ^[31]

Альтернативы трехфазному

Расщепленная фаза электроэнергии

Используется при отсутствии трехфазного питания и позволяет подавать в два раза большее напряжение, чем обычно, для мощных нагрузок.

Двухфазная электрическая мощность

Использует два напряжения переменного тока со сдвигом фаз между ними на 90 электрических градусов. Двухфазные цепи могут быть соединены двумя парами проводников, или два провода могут быть объединены, требуя только три провода для цепи. Токи в общем проводнике добавляются в 1,4 раза ( ) к току в отдельных фазах, поэтому общий проводник должен быть больше. Двухфазные и трехфазные системы могут быть соединены между собой трансформатором Скотта-Т , изобретенным Чарльзом Ф. Скоттом . ^[32] Очень ранние машины переменного тока, в частности первые генераторы на Ниагарском водопаде , использовали двухфазную систему, и некоторые оставшиеся двухфазные распределительные системы все еще существуют, но трехфазные системы вытеснили двухфазную систему для современных установок. ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Моноциклическая мощность

Асимметричная модифицированная двухфазная система питания, используемая General Electric около 1897 года, отстаиваемая Чарльзом Протеусом Штейнмецем и Элиху Томсоном . Эта система была разработана, чтобы избежать нарушения патентных прав. В этой системе генератор был намотан с однофазной обмоткой полного напряжения, предназначенной для осветительных нагрузок, и с небольшой долей (обычно 1/4 линейного напряжения) обмотки, которая производила напряжение в квадратуре с основными обмотками. Намерение состояло в том, чтобы использовать эту дополнительную обмотку «силового провода» для обеспечения пускового момента для асинхронных двигателей, при этом основная обмотка обеспечивала питание для осветительных нагрузок. После истечения срока действия патентов Westinghouse на симметричные двухфазные и трехфазные системы распределения электроэнергии моноциклическая система вышла из употребления; ее было трудно анализировать, и она не просуществовала достаточно долго для разработки удовлетворительного учета энергии.

Системы высокого фазового порядка

Были построены и испытаны для передачи электроэнергии. Такие линии электропередачи обычно используют шесть или двенадцать фаз. Высокофазные линии электропередачи позволяют передавать немного меньше, чем пропорционально большую мощность через заданный объем без расходов на преобразователь постоянного тока высокого напряжения (HVDC) на каждом конце линии. Однако они требуют соответственно большего количества единиц оборудования.

округ Колумбия

Переменный ток исторически использовался, поскольку его можно было легко преобразовать в более высокие напряжения для передачи на большие расстояния. Однако современная электроника может повышать напряжение постоянного тока с высокой эффективностью, а у постоянного тока отсутствует скин-эффект , что позволяет сделать провода передачи легче и дешевле, и поэтому постоянный ток высокого напряжения обеспечивает меньшие потери на больших расстояниях.

Цветовые коды

Проводники трехфазной системы обычно идентифицируются цветовым кодом, чтобы облегчить сбалансированную нагрузку и обеспечить правильное чередование фаз для двигателей . Используемые цвета могут соответствовать международному стандарту IEC 60446 (позднее IEC 60445 ), более старым стандартам или вообще не соответствовать никакому стандарту и могут различаться даже в пределах одной установки. Например, в США и Канаде для заземленных и незаземленных систем используются разные цветовые коды.

Смотрите также

• Промышленные и многофазные вилки и розетки
• Международная электротехническая выставка
• Математика трехфазной электроэнергии
• Вращающийся фазовый преобразователь
• Электрификация железных дорог трехфазным переменным током
• Преобразование Y-Δ

Примечания

1. Существует множество систем маркировки фаз, некоторые из которых имеют дополнительное значение, например: H1, H2, H3 ; ​​A, B, C ; R, S, T ; U, V, W ; R, Y, B .
2. Также заземлённый проводник.
3. Также земля или заземляющий проводник.
4. В Австралии и Новой Зеландии активные проводники могут быть любого цвета, кроме зеленого/желтого, зеленого, желтого, черного или светло-голубого. Желтый цвет больше не допускается в редакции 2007 года правил электропроводки ASNZS 3000. Европейские цветовые коды используются для всех кабелей IEC или гибких кабелей, таких как удлинители, провода для приборов и т. д., и в равной степени разрешены для использования в электропроводке зданий согласно AS/NZS 3000:2007.
5. В Канаде высоковольтный проводник в системе треугольника с высоковольтной схемой всегда обозначен красным цветом.
6. Международная стандартная зелено-желтая маркировка защитных заземляющих проводников была введена для снижения риска путаницы установщиков с дальтонизмом . Около 7–10 % мужчин не могут четко различать красный и зеленый цвета, что является особой проблемой в старых схемах, где красный цвет обозначает фазный проводник, а зеленый — защитное заземление или защитное заземление.
7. В Европе все еще существует много установок со старыми цветами, но с начала 1970-х годов все новые установки используют зелено-желтое заземление в соответствии со стандартом IEC  60446. (Например, фаза/нейтраль и заземление, Германия: черный/серый и красный; Франция: зеленый/красный и белый; Россия: красный/серый и черный; Швейцария: красный/серый и желтый или желтый и красный; Дания: белый/черный и красный.)
8. Обратите внимание, что хотя в Китае официально используются цвета фазы 1: желтый, фазы 2: зеленый, фазы 3: красный, нейтрального: синий, заземления: зеленый/желтый, это не строго соблюдается и существуют значительные местные различия.
9. С 1975 года Национальный электротехнический кодекс США не определяет цвет фазных проводов. Во многих регионах общепринятой практикой является обозначение  проводов 120/208 В (звезда) как черных, красных и синих, а  проводов 277/480 В (звезда или треугольник) как коричневых, оранжевых и желтых. В  системе треугольника 120/240 В с  высокой ветвью 208 В высокая ветвь (обычно фаза B) всегда маркируется оранжевым цветом, обычно фаза A черная, а фаза C либо красная, либо синяя. Местные правила могут вносить поправки в NEC. Национальный электротехнический кодекс США имеет требования к цвету для заземленных проводников, заземления и трехфазных систем с заземленным треугольником, которые приводят к тому, что одна незаземленная ветвь имеет более высокий потенциал напряжения относительно земли, чем две другие незаземленные ветви.
10. Должна быть высокая ножка, если она есть.

Ссылки

1. Салех, С.А.; Рахман, М.А. (25 марта 2013 г.). «Анализ и разработка управляемого 3φ вейвлет-модулированного преобразователя переменного тока в постоянный». Международная конференция IEEE по силовой электронике, приводам и энергетическим системам (PEDES) 2012 г. стр. 1–6. doi :10.1109/PEDES.2012.6484282. ISBN 978-1-4673-4508-8. S2CID  32935308.
2. Уильям Д. Стивенсон, младший. Элементы анализа энергосистемы, третье издание , McGraw-Hill, Нью-Йорк (1975). ISBN 0-07-061285-4 , стр. 2 
3. Террелл Крофт, Уилфорд Саммерс (ред.), Справочник американского электрика, 11-е изд. , McGraw Hill, 1987 ISBN 0-07-013932-6 стр. 3-10 рисунок 3-23. 
4. Брумбах, Майкл (2014). Промышленное обслуживание . Клифтон Парк, Нью-Йорк: Delmar, Cengage Learning. стр. 411. ISBN 9781133131199.
5. "История и хронология переменного тока". Edison Tech Center . Получено 24 января 2022 г.
6. Электропедия Woodbank Communications Ltd.: «История батарей (и других вещей)»
7. Герхард Нейдхёфер: Михаэль фон Доливо-Добровольский и дер Дрестрем. Geschichte der Elektrotechnik VDE-Buchreihe, Том 9, VDE VERLAG, Берлин Оффенбах, ISBN 978-3-8007-3115-2 . 
8. Бергстрем и Нордлунд, Ларс (2002). Эллара- Kretsteknik och fältteori . Натуральный аломер. п. 283. ИСБН 91-7536-330-5.
9. Хьюльстрем, Филип (1940). Электричество распространяется в Швеции, в экономико-географическом обзоре. [Отрывок из YMER 1941, häfte 2. Utgiven av Sällskapet for antropologi och geografi: Meddelande from Upsala univeristets geografiska Institute, N:o 29, опубликовано Esselte ab, Стокгольм, 1941, вып. 135205]
10. фон Майер, Александра (2006). Электроэнергетические системы . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 160. ISBN 978-0-471-17859-0. Мы также изложили одно обоснование для этой трехфазной системы, а именно, что трехфазный генератор испытывает постоянный крутящий момент на своем роторе в отличие от пульсирующего крутящего момента, который появляется в одно- или двухфазной машине, что, очевидно, предпочтительнее с точки зрения машиностроения.
11. Коттон, Х., Электротехника , 6-е изд., Pitman, Лондон, 1950, стр. 268.
12. Hawkins Electrical Guide , Theo. Audel and Co., 2-е изд., 1917, т. 4, гл. 46: Переменные токи, стр. 1026, рис. 1260.
13. Hawkins Electrical Guide , Theo. Audel and Co., 2-е изд., 1917, т. 4, гл. 46: Переменные токи, стр. 1026, рис. 1261.
14. "Новая конструкция автомобильных генераторов" (PDF) . 30 августа 2017 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-30.
15. Фаулер, Ник (2011). Руководство по расчетам электрика (2-е изд.). McGraw-Hill. стр. 3–5. ISBN 978-0-07-177017-0.
16. Гиббс, Дж. Б. (27 апреля 1920 г.). «Трехфазное питание от однофазных трансформаторных соединений». Power . 51 (17). McGraw-Hill: 673 . Получено 21 декабря 2012 г. .
17. HW Beaty, DG Fink (ред.), Стандартный справочник для инженеров-электриков . 15-е изд., McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-144146-8 , стр. 10–11. 
18. "Schneider" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
19. "Экономия энергии за счет балансировки и планирования нагрузки" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-09-11 . Получено 2014-08-03 .
20. J. Duncan Glover; Mulukutla S. Sarma; Thomas J. Overbye (апрель 2011 г.). Анализ и проектирование энергосистем. Cengage Learning. стр. 60–68. ISBN 978-1-111-42579-1.
21. "Что такое "паразитное напряжение"?" (PDF) . Инженеры-консультанты по коммунальным технологиям (UTEC). 10 августа 2015 г. . Получено 10 декабря 2023 г. .
22. Lowenstein, Michael. "The 3rd Harmonic Blocking Filter: A Well Established Approach to Harmonic Current Mitigation". Журнал IAEI. Архивировано из оригинала 8 сентября 2013 г. Получено 24 ноября 2012 г.
23. Мальчик-электрик, JW Sims MIEE (стр. 98).
24. "Federal pacific". Архивировано из оригинала 30 мая 2012 года.
25. Энджети, Прасад. "Гармоники в низковольтных трехфазных четырехпроводных электрических распределительных системах и решения по фильтрации" (PDF) . Лаборатория силовой электроники и качества электроэнергии Техасского университета A&M. Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2010 г. . Получено 24 ноября 2012 г. .
26. Александр, Чарльз К.; Садику, Мэтью НО (2007). Основы электрических цепей . Нью-Йорк: McGraw-Hill. стр. 504. ISBN 978-0-07-297718-9.
27. Хуэй, Сан. "Спортивное освещение – вопросы проектирования для Олимпийских игр 2008 года в Пекине" (PDF) . GE Lighting. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2015 г. Получено 18 декабря 2012 г.
28. Пекарек, Стивен; Скваренина, Тимоти (ноябрь 1998 г.). "Модели компонентов ACSL/Graphic Modeller для образования в области электроэнергетики". Труды IEEE по образованию . 41 (4): 348. Bibcode : 1998ITEdu..41..348P. doi : 10.1109/TE.1998.787374. Архивировано из оригинала 26 июня 2003 г.
29. «Сравнение британской и европейской практики использования бытовых приборов», Electrical Times , том 148, стр. 691, 1965.
30. "Ускорение обычных линий и Shinkansen" (PDF) . Japan Railway & Transport Review . 58 : 58. Октябрь 2011 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
31. Стив Сентри, «Основы управления двигателем», Cengage Learning, 2012, ISBN 1133709176 , стр. 70 
32. Бриттен, Дж. Э. (2007). «Зал славы электротехники: Чарльз Ф. Скотт». Труды IEEE . 95 (4): 836–839. doi :10.1109/JPROC.2006.892488.
33. C22.1-15 – Канадский электротехнический кодекс, часть I: Стандарт безопасности для электроустановок (23-е изд.). Канадская ассоциация стандартов. 2015. Правило 4–038. ISBN 978-1-77139-718-6.
34. C22.1-15 – Канадский электротехнический кодекс, часть I: Стандарт безопасности для электроустановок (23-е изд.). Канадская ассоциация стандартов. 2015. Правило 24–208(c). ISBN 978-1-77139-718-6.

Дальнейшее чтение

• Нейдхофер, Герхард (2007). «Ранняя трехфазная электростанция [История]». Журнал IEEE Power and Energy . 5 (5): 88–100. doi :10.1109/MPE.2007.904752. ISSN  1540-7977.

Внешние ссылки

• История и хронология развития переменного тока