Двухфазная или однофазная трехпроводная система представляет собой тип однофазного распределения электроэнергии. Это эквивалент оригинальной трехпроводной системы постоянного тока Edison Machine Works для переменного тока (AC) . Его основное преимущество заключается в том, что при заданной мощности распределительной системы он экономит материал проводников по сравнению с одноконцевой однофазной системой, при этом требуется только одна фаза на стороне питания распределительного трансформатора. [1]
Эта система распространена в Северной Америке для жилых и легких коммерческих помещений. В помещение подаются две линии переменного тока 120 В, сдвинутые по фазе на 180 градусов друг с другом (при измерении обеих относительно нейтрали), вместе с общей нейтралью. Нейтральный провод соединяется с землей на центральном отводе трансформатора. В цепях освещения и розетках для небольших приборов (т. е. NEMA 1 и NEMA 5 ) используются цепи на 120 В — они подключаются между одной из линий и нейтралью с помощью однополюсного автоматического выключателя. Приложения с высокими требованиями, такие как духовки, часто питаются от цепей переменного тока 240 В — они подключаются между двумя линиями переменного тока 120 В. Эти нагрузки на 240 В либо имеют жесткое подключение, либо используют розетки NEMA 10 или NEMA 14 , которые намеренно несовместимы с розетками на 120 В.
Другие применения системы питания с расщепленной фазой используются для снижения опасности поражения электрическим током или уменьшения электромагнитного шума.
Трансформатор , питающий трехпроводную распределительную систему, имеет однофазную входную (первичную) обмотку. Выходная (вторичная) обмотка имеет центральный отвод, а центральный отвод соединен с заземленной нейтралью . Как показано на рис. 1, напряжение от конца к центру составляет половину напряжения от конца к концу. На рис. 2 представлена векторная диаграмма выходных напряжений расщепленного трансформатора. Поскольку два вектора не определяют уникальное направление вращения вращающегося магнитного поля , разделенная однофазная система не является двухфазной системой.
В США и Канаде эта практика возникла из системы распределения постоянного тока, разработанной Томасом Эдисоном . Путем последовательного соединения пар ламп или групп ламп в одной цепи и увеличения напряжения питания в два раза размеры проводников были существенно уменьшены. Соединение места соединения каждой параллельной ветви двух последовательных ламп с общей нейтралью, возвращаемой к центральному отводу питающего напряжения, стабилизировало напряжения ответвлений от изменений при включении и выключении нагрузок. Нейтральный проводник переносил только разбаланс тока, протекающего от одной группы нагрузок к другой.
Напряжение между фазой и нейтралью составляет половину линейного напряжения. Освещение и небольшие бытовые приборы мощностью менее 1800 Вт можно подключать между линейным проводом и нейтралью. Приборы большей мощности, такие как кухонное оборудование, отопление помещений, водонагреватели, сушилки для одежды, кондиционеры и зарядное оборудование для электромобилей, подключаются к двум линейным проводникам. Это означает, что (при подаче того же количества мощности) ток уменьшается вдвое. Следовательно, можно использовать проводники меньшего размера, чем потребовалось бы, если бы приборы были рассчитаны на питание от более низкого напряжения. [2]
Если бы нагрузка была гарантированно сбалансирована, то нейтральный проводник не пропускал бы никакого тока, и система была бы эквивалентна несимметричной системе с удвоенным напряжением, при этом линейные провода потребляют половину тока. Для этого вообще не потребуется нейтральный проводник, но это будет непрактично для изменяющихся нагрузок; простое соединение групп последовательно приведет к чрезмерному изменению напряжения и яркости при включении и выключении ламп.
При подключении двух групп ламп к нейтрали, промежуточному по потенциалу между двумя токоведущими ветвями, любой дисбаланс нагрузки будет компенсироваться током в нейтрали, обеспечивая практически постоянное напряжение на обеих группах. Общий ток, протекающий по всем трем проводам (включая нейтраль), всегда будет в два раза превышать ток питания наиболее нагруженной половины.
Для коротких участков проводки, ограниченных токовой нагрузкой проводника , это позволяет заменить три проводника половинного размера на два полноразмерных, используя 75% меди эквивалентной однофазной системы.
Более длинные прокладки проводов в большей степени ограничиваются падением напряжения в проводниках. Поскольку напряжение питания увеличивается вдвое, сбалансированная нагрузка может выдержать двойное падение напряжения, что позволяет использовать проводники четвертьразмерного сечения; при этом используется на 3/8 меньше меди, чем в эквивалентной однофазной системе.
На практике выбирается некоторое промежуточное значение. Например, если дисбаланс ограничен 25% от общей нагрузки (половиной половины), а не 50% в худшем случае, то проводники 3/8 однофазного размера будут гарантировать такое же максимальное падение напряжения, всего 9/8 одного однофазного проводника, 56% меди двух однофазных проводников.
В так называемой сбалансированной системе питания, иногда называемой «технической мощностью», изолирующий трансформатор с центральным отводом используется для создания отдельного источника питания с проводниками, сбалансированными по отношению к земле напряжениями. Целью сбалансированной системы питания является минимизация шума, создаваемого чувствительным оборудованием от источника питания.
В отличие от трехпроводной системы распределения, заземленная нейтраль не распределяется на нагрузки; используются только линейные соединения на 120 В. Сбалансированная система питания используется только для специализированного распределения в студиях аудио- и видеопроизводства, звукового и телевещания, а также при установке чувствительных научных приборов.
Национальный электротехнический кодекс США содержит правила для технических энергетических установок. [3] Системы не должны использоваться для освещения общего назначения или другого оборудования; в них могут использоваться специальные розетки, обеспечивающие подключение к системе только одобренного оборудования. Кроме того, в технических энергосистемах особое внимание уделяется заземлению распределительной системы.
Риск использования сбалансированной системы питания в установке, которая также использует «обычное» питание в тех же помещениях, заключается в том, что пользователь может непреднамеренно соединить системы питания вместе через промежуточную систему аудио- или видеооборудования, элементы которой могут быть подключены к разным энергосистемам. Вероятность этого можно уменьшить за счет соответствующей маркировки симметричных розеток и использования типа розетки для симметричной системы, который физически отличается от типа розетки «обычной» системы питания, чтобы еще больше их дифференцировать.
В Европе чаще всего используется трехфазное напряжение 230/400 В. Однако трехпроводные однофазные отключенные системы напряжением 130/220 В, называемые B1, используются для запуска старых установок в небольших группах домов, когда используются только два из трехфазных высоковольтных проводников. Затем используется оконечный понижающий трансформатор с расщепленной фазой, центральный отвод которого заземлен, а две половины обычно снабжают разные здания однофазным источником питания.
Сегодняшний стандарт — B2 с напряжением 230 В в однофазных трехпроводных системах (LN-PE) и 400 В в трехфазных пятипроводных системах (L1-L2-L3-N-PE) при 120 градусах. В этом случае расчет мощности ведется для однофазной и трехфазной систем, где – ток.
В Великобритании электрические инструменты и портативное освещение на крупных объектах строительства и сноса регулируются стандартом BS7375, и там, где это возможно, рекомендуется питать их от системы с центральным отводом с напряжением всего 55 В между токоведущими проводниками и землей (так называемое CTE или центральное напряжение). коснитесь земли или 55-0-55). Эта уменьшенная низковольтная система используется с оборудованием на 110 В. Нейтральный провод не распределен. В местах повышенной опасности можно использовать дополнительное двухполюсное УЗО . Цель состоит в том, чтобы снизить опасность поражения электрическим током, которая может возникнуть при использовании электрооборудования на влажной или открытой строительной площадке, и исключить необходимость быстрого автоматического отключения для предотвращения поражения электрическим током во время неисправностей. Переносные трансформаторы, которые преобразуют однофазное напряжение 240 В в систему с расщепленной фазой 110 В, являются обычным элементом строительного оборудования. Генераторные установки, используемые на строительных площадках, оборудованы для прямого питания.
Хотя в Великобритании крупная ферма может получить подачу 230-0-230 (номинально). Дополнительным преимуществом является то, что нити ламп накаливания на 110 В , используемых в таких системах, толще и, следовательно, механически более прочны, чем нити ламп на 240 В.
Эта трехпроводная однофазная система распространена в Северной Америке для жилых и легких коммерческих помещений. Панели автоматического выключателя обычно имеют два провода под напряжением (горячие) и нейтральный, подключенный в одной точке к заземленному центральному отводу местного трансформатора. Обычно один из проводов под напряжением черный, а другой красный; нейтральный провод всегда белый. Однополюсные автоматические выключатели питают цепи напряжением 120 В от одной из шин на 120 В внутри панели, а двухполюсные автоматические выключатели питают цепи на 240 В от обеих шин. Цепи на 120 В являются наиболее распространенными и используются для питания розеток NEMA 1 и NEMA 5 , а также большинства цепей освещения с прямой проводкой в жилых и легких коммерческих целях. Цепи 240 В используются в приложениях с повышенным спросом, таких как кондиционеры , обогреватели , электроплиты , электрические сушилки для одежды , водонагреватели и точки зарядки электромобилей . В них используются розетки NEMA 10 или NEMA 14 , которые намеренно несовместимы с розетками на 120 В.
Правила электромонтажа регулируют применение цепей с расщепленной фазой. Поскольку нейтральный (обратный) проводник не защищен предохранителем или автоматическим выключателем, общий нулевой провод может использоваться только двумя цепями, питаемыми от противоположных линий электросети. Две цепи противоположных линий могут иметь общую нейтраль, если оба выключателя соединены перемычкой так, что оба отключаются одновременно ( [4] NEC 210.4). Это предотвращает подачу напряжения 120 В на цепи 240 В.
В Швеции расщепленная электроэнергия также используется на некоторых железных дорогах. Центральный отвод заземляется, на один полюс запитывается отрезок контактного провода, а другой провод используется для другого участка.
Тяговая энергосистема Amtrak с частотой 60 Гц в Северо-восточном коридоре между Нью-Йорком и Бостоном также использует расщепленное распределение электроэнергии. По пути проложены два отдельных провода: контактный провод локомотива и электрически отдельный питающий провод. На каждый провод подается напряжение 25 кВ относительно земли, а между ними – 50 кВ. Автотрансформаторы вдоль пути балансируют нагрузки между контактными и фидерными проводами, снижая резистивные потери.
В Великобритании Network Rail использует автотрансформаторы во всех новых электрификациях с частотой 50 Гц и (по состоянию на 2014 год) преобразует многие старые вспомогательные трансформаторы [1] в автотрансформаторы, чтобы уменьшить потери энергии [2] и экспортируемые электромагнитные помехи, которые увеличивают когда вводятся более длинные, тяжелые или более быстрые поезда, потребляется более высокий пиковый ток от источника питания. Обратите внимание, что вспомогательные трансформаторы только «усиливают» возврат тягового тока по его предполагаемому пути, «обратному проводнику», а не случайным образом через землю, и не повышают, а, скорее, уменьшают имеющееся напряжение в поезде и вводят дополнительные потери. Система автотрансформатора обеспечивает прохождение тягового обратного тока по заданному пути, одновременно уменьшая потери при передаче и, следовательно, достигая обеих необходимых целей: контроля утечки обратного тока на землю и одновременного обеспечения низких потерь энергии. Возникает первоначальная потеря стоимости, поскольку предыдущий обратный провод, изолированный до довольно скромного напряжения, необходимо заменить противофазным фидером, изолированным до 25 кВ, а сами автотрансформаторы крупнее и дороже, чем предыдущие бустерные трансформаторы; но со временем меньшие потери энергии приводят к общей экономии затрат.
