Трехфазная электроэнергия

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

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

Трехфазная электроэнергия была разработана в 1880-х годах несколькими людьми. При трехфазном питании напряжение на каждом проводе сдвинуто по фазе на 120 градусов относительно каждого другого провода. Поскольку это система переменного тока, она позволяет легко повышать напряжение с помощью трансформаторов до высокого напряжения для передачи и обратно для распределения, обеспечивая высокую эффективность.

Трехпроводная трехфазная цепь обычно более экономична, чем эквивалентная двухпроводная однофазная цепь при том же напряжении между фазой и землей, поскольку для передачи определенного количества электроэнергии в ней используется меньше проводникового материала. ^[3] Трехфазное питание в основном используется непосредственно для питания больших асинхронных двигателей , других электродвигателей и других тяжелых нагрузок. Небольшие 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 В линейное напряжение составляет 208 В, а фазное напряжение — 120 В.

История

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

Трехфазная энергия возникла в результате разработки электродвигателей. В 1885 году Галилео Феррарис проводил исследования вращающихся магнитных полей . Феррарис экспериментировал с различными типами асинхронных электродвигателей . Исследования и его исследования привели к разработке генератора переменного тока , который можно рассматривать как двигатель переменного тока, работающий в обратном направлении, чтобы преобразовывать механическую (вращающуюся) энергию в электрическую энергию (в виде переменного тока). 11 марта 1888 года Феррарис опубликовал свое исследование в докладе для 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 друг от друга по фазе на определенную величину, и их работа зависела от вращающихся магнитных полей. Получившийся в результате источник многофазной энергии вскоре нашел широкое признание. Изобретение многофазного генератора переменного тока, как и силового трансформатора, является ключевым моментом в истории электрификации. Эти изобретения позволили экономично передавать энергию по проводам на значительные расстояния. Многофазная энергия позволила использовать энергию воды (с помощью гидроэлектростанций на крупных 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 необходимо совершить механическую работу. Эта универсальность спровоцировала рост сетей электропередачи на континентах по всему миру.

Михаил Доливо-Добровольский разработал трехфазный электрический генератор и трехфазный электродвигатель в 1888 году и изучил 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 с КПД 75% . В 1891 году он также создал трёхфазный трансформатор и короткозамкнутый ( с короткозамкнутым ротором ) асинхронный двигатель . ^[6]^[7] Он спроектировал первую в мире трехфазную гидроэлектростанцию в 1891 году. Изобретатель Йонас Венстрем получил в 1890 году шведский патент на ту же трехфазную систему. ^[8] Возможность передачи электроэнергии от водопада на расстояние была исследована на шахте Грангесберг . АБыл выбран водопад с высоты 45 м в Хельсйоне, коммуна Смедьебакенс, где располагался небольшой металлургический завод. В 1893 году трехфазныйСистема напряжением 9,5 кВ использовалась для передачи 400 лошадиных сил на расстояние15 км , став первым коммерческим применением. ^[9]

Принцип

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

В симметричной трехфазной системе электропитания по трем проводникам проходит переменный ток той же частоты и амплитуды напряжения относительно общего опорного напряжения, но с разницей фаз в одну треть периода (т. е. сдвинутой по фазе на 120 градусов). между каждым. Общая ссылка обычно подключается к земле и часто к токоведущему проводнику, называемому нейтралью. Из-за разности фаз напряжение на любом проводнике достигает своего максимума через одну треть цикла после одного из других проводников и на одну треть цикла раньше оставшегося проводника. Эта фазовая задержка обеспечивает постоянную передачу мощности на сбалансированную линейную нагрузку. Это также позволяет создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателе и генерировать другие фазовые схемы с помощью трансформаторов (например, двухфазную систему с использованием трансформатора Скотта-Т ). Амплитуда разности напряжений между двумя фазами в (1,732...) раза превышает амплитуду напряжения отдельных фаз. ${\sqrt {3}}$

Описанные здесь симметричные трехфазные системы называются просто трехфазными системами , потому что, хотя можно спроектировать и реализовать асимметричные трехфазные системы электропитания (т. е. с неодинаковыми напряжениями или сдвигами фаз), на практике они не используются. потому что им недостает важнейших преимуществ симметричных систем.

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

Постоянная передача мощности и гашение фазных токов возможны при любом количестве фаз (более одной), при этом соотношение емкости к материалу проводника в два раза превышает соотношение однофазной мощности. Однако две фазы приводят к менее плавному (пульсирующему) току в нагрузке (что затрудняет плавную передачу мощности), а более трех фаз неоправданно усложняют инфраструктуру. ^[10]

Трехфазные системы могут иметь четвертый провод, распространенный в распределительных сетях низкого напряжения. Это нейтральный провод. Нейтраль позволяет подавать три отдельных однофазных источника постоянного напряжения и обычно используется для питания нескольких однофазных нагрузок. Соединения расположены таким образом, чтобы, насколько это возможно, в каждой группе от каждой фазы отводилась одинаковая мощность. Далее по распределительной системе течения обычно хорошо сбалансированы. Трансформаторы могут быть подключены так, чтобы иметь четырехпроводную вторичную обмотку и трехпроводную первичную обмотку, допуская при этом несбалансированные нагрузки и соответствующие нейтральные токи вторичной стороны.

Последовательность фаз

Трехфазная проводка обычно обозначается цветами, которые различаются в зависимости от страны и напряжения. Фазы должны быть подключены в правильном порядке, чтобы обеспечить желаемое направление вращения трехфазных двигателей. Например, насосы и вентиляторы не работают в обратном порядке. Сохранение идентичности фаз требуется, если два источника могут быть подключены одновременно. Прямое соединение между двумя разными фазами представляет собой короткое замыкание и приводит к протеканию несбалансированного тока.

Преимущества

По сравнению с однофазным источником питания переменного тока, в котором используются два токоведущих проводника (фаза и нейтраль ), трехфазный источник питания без нейтрали и с одинаковым фазным напряжением и токовой нагрузкой на фазу может передавать в три раза больше мощность, используя всего в 1,5 раза больше проводов (т. е. три вместо двух). Таким образом, соотношение емкости к материалу проводника увеличивается вдвое. ^[11] Отношение емкости к материалу проводника увеличивается до 3:1 для незаземленной трехфазной системы и однофазной системы с заземлением по центру (или 2,25:1, если в обеих используются заземления того же сечения, что и проводники). Это приводит к более высокой эффективности, меньшему весу и более чистым формам сигналов.

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

Фазные токи имеют тенденцию компенсировать друг друга, суммируясь до нуля в случае линейной сбалансированной нагрузки. Это позволяет уменьшить размер нейтрального проводника, поскольку ток по нему незначителен или отсутствует. При сбалансированной нагрузке все фазные проводники пропускают одинаковый ток и поэтому могут иметь одинаковый размер.
Передача мощности в линейную сбалансированную нагрузку постоянна. В двигателях/генераторах это помогает снизить вибрацию.
Трехфазные системы могут создавать вращающееся магнитное поле заданного направления и постоянной величины, что упрощает конструкцию электродвигателей, поскольку не требуется пусковая цепь.

Большинство бытовых нагрузок являются однофазными. В жилых домах Северной Америки трехфазное электричество может питать многоквартирный дом, в то время как бытовые нагрузки подключаются как однофазные. В районах с низкой плотностью населения для распределения может использоваться одна фаза. Некоторые мощные бытовые приборы, такие как электрические плиты и сушилки для белья, питаются от двухфазной системы напряжением 240 В или от двух фаз трехфазной системы с напряжением 208 В.

Генерация и распространение

Изображение слева: элементарный шестипроводной трехфазный генератор переменного тока, в котором каждая фаза использует отдельную пару проводов передачи. ^[12] Изображение справа: элементарный трехпроводной трехфазный генератор переменного тока, показывающий, как фазы могут разделять только три провода. ^[13]

На электростанции электрический генератор преобразует механическую энергию в совокупность трех переменного электрического тока , по одному от каждой катушки (или обмотки) генератора. Обмотки устроены так, что токи имеют одну и ту же частоту, но со смещением пиков и минимумов их формы волны , чтобы обеспечить три дополнительных тока с разделением фаз на одну треть периода ( 120 ° или 2π ⁄ 3 радиана ). 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 дальнейших преобразований напряжения в сети передачи напряжение наконец преобразуется в стандартное значение, прежде чем электроэнергия будет поставляться потребителям.

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

Трансформаторные соединения

Обмотка трансформатора, соединенная треугольником, подключается между фазами трехфазной системы. Трансформатор «звезда» соединяет каждую обмотку фазного провода с общей нейтральной точкой.

Можно использовать один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора.

В системе «открытый треугольник» или «V» используются только два трансформатора. Замкнутый треугольник, составленный из трех однофазных трансформаторов, может работать как разомкнутый треугольник, если один из трансформаторов вышел из строя или его необходимо удалить. ^[15] В схеме «разомкнутый треугольник» каждый трансформатор должен передавать ток по соответствующим фазам, а также ток по третьей фазе, поэтому мощность снижается до 87%. При отсутствии одного из трех трансформаторов и эффективности двух оставшихся 87% мощность составит 58% ( 2 ⁄3 от 87 %). ^[16]^[17]

Если система с питанием по схеме «треугольник» должна быть заземлена для обнаружения паразитного тока на землю или защиты от перенапряжений, можно подключить заземляющий трансформатор (обычно зигзагообразный трансформатор ), чтобы позволить токам замыкания на землю возвращаться из любой фазы на землю. Другой вариант - это система треугольника с заземлением угла, которая представляет собой замкнутый треугольник, заземленный на одном из соединений трансформаторов. ^[18]

Трехпроводные и четырехпроводные схемы.

Существует две основные трехфазные конфигурации: звезда (Y) и треугольник (Δ). Как показано на схеме, для конфигурации «треугольник» требуется только три провода для передачи, а для конфигурации «звезда» (звезда) может быть четвертый провод. Четвертый провод, если он имеется, является нейтральным и нормально заземлен. В трех- и четырехпроводных обозначениях не учитывается заземляющий провод , присутствующий над многими линиями передачи, который предназначен исключительно для защиты от неисправностей и не пропускает ток при нормальном использовании.

Четырехпроводная система с симметричными напряжениями между фазой и нейтралью получается, когда нейтраль подключается к «общей точке звезды» всех питающих обмоток. 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 смешанную однофазную и трехфазную нагрузку, например, смешанную нагрузку освещения и двигателя. Примером применения является местное распределение электроэнергии в Европе (и других странах), где каждый потребитель может питаться только от одной фазы и от нейтрали (которая является общей для всех трех фаз). Когда группа потребителей, разделяющих нейтраль, потребляют неравные фазные токи, по общему нейтральному проводу проходят токи, возникающие в результате этого дисбаланса. Инженеры-электрики стараются спроектировать трехфазную энергосистему для любого места так, чтобы мощность, потребляемая от каждой из трех фаз, была одинаковой, насколько это возможно, на этом месте. ^[19] Инженеры-электрики также стараются организовать распределительную сеть так, чтобы нагрузки были максимально сбалансированы, поскольку те же принципы, которые применяются к отдельным помещениям, также применимы и к широкомасштабной распределительной системе. Следовательно, энергоснабжающие организации прилагают все усилия, чтобы распределить мощность, потребляемую на каждой из трех фаз, по большому количеству помещений так, чтобы в среднем в точке питания наблюдалась как можно более сбалансированная нагрузка.

Для внутреннего использования некоторые страны, такие как Великобритания , могут поставлять одну фазу и нейтраль при высоком токе (до 100 А ) на один объект, в то время как другие, например Германия , могут поставлять 3 фазы и нейтраль каждому потребителю, но с меньшим предохранителем. номинал, обычно 40–63 А на фазу, и «чередуется», чтобы избежать эффекта, при котором на первую фазу приходится большая нагрузка. ^{[ нужна цитата ]}

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

звезда (Y) – звезда (Y) используется для малого тока и высокого напряжения.
Дельта (Δ) – Дельта (Δ) используется для больших токов и низких напряжений.
Дельта (Δ) – звезда (Y) применяется для повышающих трансформаторов, т.е. на электростанциях.
Звезда (Y) – Дельта (Δ) используется для понижающих трансформаторов, т.е. в конце передачи.

В Северной Америке иногда используется питание по схеме «треугольник» с высоким плечом , когда одна обмотка трансформатора, подключенного по треугольнику, питающего нагрузку, имеет центральное отвод, а этот центральный отвод заземлен и подключен как нейтраль, как показано на второй схеме. Эта установка создает три различных напряжения: Если напряжение между центральным отводом (нейтралью) и каждым из верхних и нижних отводов (фазным и противофазным) составляет 120 В (100%), напряжение на фазной и противофазной линиях составляет 240 В (200%), а напряжение от нейтрали до «высокой ветви» составляет ≈ 208 В (173%). ^[15]

Причиной подключения источника питания по схеме треугольника обычно является питание больших двигателей, требующих вращающегося поля. Однако для рассматриваемых помещений также потребуются «обычные» североамериканские источники питания 120 В, два из которых выводятся (сдвинуто по фазе на 180 градусов) между «нейтралью» и любой из центральных фазовых точек.

Сбалансированные схемы

В идеально сбалансированном случае все три линии имеют одинаковые нагрузки. Исследуя схемы, мы можем получить взаимосвязи между напряжением и током линии, а также напряжением и током нагрузки для нагрузок, соединенных звездой и треугольником.

В сбалансированной системе каждая линия будет производить одинаковые величины напряжения при фазовых углах, равноудаленных друг от друга. С V ₁ в качестве эталона и V ₃ с отставанием V ₂ с отставанием V ₁ , используя обозначение угла , и V _LN - напряжение между линией и нейтралью, мы имеем: ^[20]

{\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)

Напряжение, воспринимаемое нагрузкой, будет зависеть от подключения нагрузки; для случая звезды подключение каждой нагрузки к фазному (фазному) напряжению дает: ^[20]

{\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle (-\theta ),\\[2pt]I_{2}&={\frac {V_{2}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle \left(-120^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\frac {V_{3}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle \left(120^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}

где Z _total — это сумма импедансов линии и нагрузки ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), а θ — фаза общего импеданса ( Z _total ).

Разность фаз между напряжением и током каждой фазы не обязательно равна 0 и зависит от типа импеданса нагрузки Z _y . Индуктивные и емкостные нагрузки приводят к тому, что ток либо отстает, либо опережает напряжение. Однако относительный фазовый угол между каждой парой линий (1–2, 2–3 и 3–1) по-прежнему будет составлять –120°.

Применяя закон Кирхгофа (KCL) к нейтральному узлу, сумма трехфазных токов составляет общий ток в нейтральной линии. В сбалансированном случае:

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

Дельта (Δ)

В схеме треугольника нагрузки подключаются поперек линий, поэтому нагрузки видят линейные напряжения: ^[20]

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

(Φ _v1 — это сдвиг фазы для первого напряжения, который обычно принимается равным 0 °; в этом случае Φ _v2 = -120 ° и Φ _v3 = -240 ° или 120 °.)

Дальше:

{\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(30^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{23}&={\frac {V_{23}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(-90^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{31}&={\frac {V_{31}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(150^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}

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

Относительные углы сохраняются, поэтому I ₃₁ лаг I ₂₃ лага I ₁₂ по 120°. Расчет линейных токов с использованием KCL в каждом узле треугольника дает:

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

и аналогично для каждой другой строки:

{\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(\phi _{I_{23}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(-120^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(\phi _{I_{31}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(120^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}

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

Проверка векторной диаграммы или преобразование векторной записи в комплексную запись показывает, как разница между двумя фазными напряжениями приводит к линейному напряжению, которое больше в √ 3 раза . Поскольку конфигурация треугольника соединяет нагрузку между фазами трансформатора, она обеспечивает разность междуфазных напряжений, которая в √ в 3 раза превышает напряжение между фазой и нейтралью, подаваемое на нагрузку в конфигурации звезда. Поскольку передаваемая мощность составляет V ² /Z, полное сопротивление в схеме треугольника должно быть в 3 раза больше, чем в схеме звезда, чтобы передавать ту же мощность.

Однофазные нагрузки

За исключением системы треугольника с высоким плечом и системы треугольника с заземлением по углу, однофазные нагрузки могут быть подключены к любым двум фазам или нагрузка может быть подключена от фазы к нейтрали. ^[22] Распределение однофазной нагрузки между фазами трехфазной системы уравновешивает нагрузку и позволяет наиболее экономно использовать проводники и трансформаторы.

В симметричной трехфазной четырехпроводной системе «звезда» три фазных проводника имеют одинаковое напряжение по отношению к нейтрали системы. Напряжение между линейными проводниками в √ 3 раза превышает напряжение между фазным проводом и нейтралью: ^[23]

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

Все токи, возвращающиеся из помещений потребителя к питающему трансформатору, имеют общий нейтральный провод. Если нагрузки распределены равномерно по всем трем фазам, сумма обратных токов в нулевом проводе равна примерно нулю. Любая несбалансированная фазовая нагрузка на вторичной стороне трансформатора приведет к неэффективному использованию мощности трансформатора.

Если нейтраль питания повреждена, фазное напряжение 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 междуфазного напряжения.

Треугольник с высоким плечом обеспечивает соотношение фазы и нейтрали $V LL = 2 В LN$ , однако нагрузка LN возлагается на одну фазу. ^[15] На странице производителя трансформатора рекомендуется, чтобы нагрузка LN не превышала 5% мощности трансформатора. ^[24]

Поскольку √ 3 ≈ 1,73, определение $V LN$ за 100 % дает $V LL$ $\approx 100 % \times 1,73 = 173 %$ . Если $V LL$ было установлено равным 100%, то $V LN \approx 57,7%$ .

Несбалансированные нагрузки

Когда токи в трех проводах под напряжением трехфазной системы не равны или не имеют точного угла фазы 120 °, потери мощности больше, чем в идеально сбалансированной системе. Метод симметричных составляющих применяется для анализа неуравновешенных систем.

Нелинейные нагрузки

При линейных нагрузках нейтраль проводит ток только из-за дисбаланса между фазами. Газоразрядные лампы и устройства, в которых используется выпрямительный конденсатор, такие как импульсные источники питания , компьютеры, офисное оборудование и т.п., создают гармоники третьего порядка , которые синфазны на всех фазах питания. Следовательно, такие гармонические токи добавляются в нейтраль в схеме «звезда» (или в заземленном (зигзагообразном) трансформаторе в системе «треугольник»), что может привести к тому, что нейтральный ток 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, высокий пусковой момент и высокий КПД. Такие двигатели применяются в промышленности для многих целей. Трехфазный двигатель более компактен и дешевле, 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 отопительные нагрузки, такие как электрические котлы или системы отопления, могут быть подключены к трехфазным системам. Аналогичным образом можно подключить и электрическое освещение.

Частота мерцания линии в свете вредна для высокоскоростных камер , используемых при трансляции спортивных мероприятий для замедленных повторов. Его можно уменьшить, равномерно распределив источники света, работающие на частоте сети, по трем фазам так, чтобы освещаемая область освещалась всеми тремя фазами. Эта техника была успешно применена на Олимпийских играх 2008 года в Пекине. ^[27]

Выпрямители могут использовать трехфазный источник для создания шестиимпульсного выхода постоянного тока. ^[28] Выходной сигнал таких выпрямителей намного более плавный, чем выпрямленный однофазный, и, в отличие от однофазных, не падает до нуля между импульсами. Такие выпрямители можно использовать для зарядки аккумуляторов, процессов электролиза , таких как производство алюминия , или 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 компонентов фильтрации при одновременном улучшении качества получаемого постоянного тока.

Одним из примеров трехфазной нагрузки является электродуговая печь , используемая в сталеплавильном производстве и при переработке руд.

Во многих странах Европы электроплиты обычно рассчитаны на трехфазное питание с постоянным подключением. Отдельные отопительные агрегаты часто подключаются между фазой и нейтралью, чтобы обеспечить подключение к однофазной цепи, если трехфазная недоступна. ^[29] Другими обычными трехфазными нагрузками в быту являются безрезервуарные системы водяного отопления и накопительные нагреватели . В домах в Европе и Великобритании стандартизировано номинальное напряжение 230 В между любой фазой и землей. (Существующее напряжение в Великобритании по-прежнему составляет около 240 В.) Большинство групп домов питаются от трехфазного уличного трансформатора, так что отдельные помещения с потреблением выше среднего могут питаться от второй или третьей фазы.

Фазовые преобразователи

Фазовые преобразователи используются, когда трехфазное оборудование должно работать от однофазного источника питания. Они используются, когда трехфазное питание недоступно или стоимость не оправдана. Такие преобразователи также могут позволять изменять частоту, обеспечивая контроль скорости. Некоторые железнодорожные локомотивы используют однофазный источник для привода трехфазных двигателей, питаемых через электронный привод. ^[30]

Вращающийся фазовый преобразователь представляет собой трехфазный двигатель со специальными пусковыми устройствами и коррекцией коэффициента мощности , который создает сбалансированное трехфазное напряжение. 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. Внешний маховик иногда находится на одном или обоих концах вала.

Трехфазный генератор может приводиться в движение однофазным двигателем. Эта комбинация двигатель-генератор может выполнять функцию преобразователя частоты, а также преобразования фазы, но требует двух машин со всеми их затратами и потерями. Метод мотор-генератора также может формировать источник бесперебойного питания при использовании в сочетании с большим маховиком и двигателем постоянного тока с батарейным питанием; такая комбинация будет обеспечивать почти постоянную мощность по сравнению с временным падением частоты, которое наблюдается при работе резервной генераторной установки, пока не сработает резервный генератор.

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

В преобразователях частоты и цифровых фазовых преобразователях используются силовые электронные устройства для синтеза сбалансированного трехфазного источника питания из однофазного входного питания.

Тестирование

Проверка чередования фаз в цепи имеет большое практическое значение. Два источника трехфазного питания нельзя подключать параллельно, если они не имеют одинаковой последовательности фаз, например, при подключении генератора к распределительной сети под напряжением или при параллельном включении двух трансформаторов. В противном случае соединение будет вести себя как короткое замыкание, и потечет избыточный ток. Направление вращения трехфазных двигателей можно изменить, поменяв местами любые две фазы; может оказаться непрактичным или вредным проверять машину путем кратковременного включения двигателя для наблюдения за его вращением. Последовательность фаз двух источников можно проверить, измерив напряжение между парами клемм и наблюдая, 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, можно использовать инструменты для проверки вращения фаз 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. Другой шаблон 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, индуцированные остаточным магнетизмом, когда вал двигателя вращается вручную. Загорается лампа или другой индикатор, показывающий последовательность напряжений на клеммах для данного направления вращения вала. ^[31]

Альтернативы трехфазному

Электроэнергия с расщепленной фазой: Используется, когда трехфазное питание недоступно, и позволяет подавать в два раза большее нормальное рабочее напряжение для мощных нагрузок.
Двухфазная электроэнергия: Используются два напряжения переменного тока со сдвигом фаз между ними на 90 электрических градусов. Двухфазные цепи могут быть соединены двумя парами проводников или могут быть объединены двумя проводами, при этом для цепи потребуется всего три провода. Токи в общем проводнике увеличивают ток в отдельных фазах в 1,4 раза ( ), поэтому общий проводник должен быть больше. Двухфазные и трехфазные системы можно соединить между собой с помощью трансформатора Скотта-Т , изобретенного Чарльзом Ф. Скоттом . ^[32] Очень ранние машины переменного тока, особенно первые генераторы на Ниагарском водопаде , использовали двухфазную систему, и некоторые остатки двухфазных систем распределения все еще существуют, но трехфазные системы вытеснили двухфазную систему для современных установок. ${\sqrt {2}}$
Моноциклическая мощность: Асимметричная модифицированная двухфазная энергосистема, использовавшаяся General Electric примерно в 1897 году, которую отстаивали Чарльз Протеус Стейнмец и Элиху Томсон . Эта система была разработана, чтобы избежать нарушения патентных прав. В этой системе генератор наматывался однофазной обмоткой полного напряжения, предназначенной для осветительных нагрузок, и обмоткой малой доли (обычно 1/4 сетевого напряжения), вырабатывающей напряжение, квадратурное с основными обмотками. Намерение состояло в том, чтобы использовать эту дополнительную обмотку «силового провода» для обеспечения пускового крутящего момента асинхронных двигателей, при этом основная обмотка обеспечивает питание осветительных нагрузок. После истечения срока действия патентов Вестингауза на симметричные двухфазные и трехфазные системы распределения электроэнергии моноциклическая система вышла из употребления; его было трудно анализировать, и он длился недостаточно долго для разработки удовлетворительного учета энергии.
Системы высокого фазового порядка: Были построены и испытаны для передачи энергии. Такие линии электропередачи обычно используют шесть или двенадцать фаз. Линии электропередачи с высоким порядком фаз позволяют передавать немного меньшую, чем пропорционально более высокую мощность, через заданный объем без затрат на преобразователь высокого напряжения постоянного тока (HVDC) на каждом конце линии. Однако для них требуется соответственно больше единиц оборудования.
ОКРУГ КОЛУМБИЯ: Исторически использовался переменный ток, поскольку его можно было легко преобразовать в более высокое напряжение для передачи на большие расстояния. Однако современная электроника может повышать напряжение постоянного тока с высокой эффективностью, а в постоянном токе отсутствует скин-эффект , что позволяет сделать провода передачи легче и дешевле, и поэтому постоянный ток высокого напряжения обеспечивает меньшие потери на большие расстояния.

Цветовые коды

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

Смотрите также

Примечания

^ Для фаз существует множество систем маркировки, некоторые из которых имеют дополнительное значение, например: H1, H2, H3 ; А, Б, С ; Р, С, Т ; У, В, Вт ; Р, Й, Б .
^ Также заземленный проводник.
^ Также земля или заземляющий проводник.
^ abcd В Австралии и Новой Зеландии активные проводники могут быть любого цвета, кроме зеленого/желтого, зеленого, желтого, черного или голубого. Желтый цвет больше не разрешен в редакции правил проводки ASNZS 3000 2007 года. 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 проводке зданий согласно AS/NZS 3000: 2007.
^ В Канаде проводник высокой ноги в системе «дельта» с высокой ветвью всегда отмечен красным.
^ Международная стандартная зелено-желтая маркировка проводов защитного заземления была введена, чтобы уменьшить риск путаницы монтажниками с цветовой слепотой . Примерно от 7% до 10% мужчин не могут четко отличить красный от зеленого, что вызывает особую озабоченность в старых схемах, где красный обозначает провод под напряжением, а зеленый обозначает защитное заземление или защитное заземление.
^ В Европе все еще существует множество установок со старыми цветами, но с начала 1970-х годов во всех новых установках используется зелено-желтое заземление в соответствии со стандартом IEC 60446 . (Например, фаза/нейтраль и земля, немецкий: 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. красный.
^ Обратите внимание, что хотя Китай официально использует фазу 1: желтый, фазу 2: зеленую, фазу 3: красный, нейтральный: синий, землю: зеленый/желтый, это не строго соблюдается, и существуют значительные местные различия.
^ См. Пол Кук: Гармонизированные цвета и буквенно-цифровая маркировка. IEE проводка имеет значение
^ В США провод с зелено-желтой полосой может обозначать изолированное заземление . ^{[ нужна ссылка ]} Сегодня в большинстве стран провод с зелено-желтой полосой можно использовать только для защитного заземления (безопасного заземления) и никогда нельзя отсоединять или использовать для каких-либо других целей.
^ С 1975 года Национальный электротехнический кодекс США не определяет окраску фазных проводов. Во многих регионах общепринятой практикой является обозначение проводников 120/208 В (звезда) как черных, красных и синих, а проводников 277/480 В (звезда или треугольник) как коричневых, оранжевых и желтых. В системе «треугольник» 120/240 В с верхней ветвью 208 В верхняя ветвь (обычно фаза B) всегда отмечена оранжевым цветом, обычно фаза A имеет черный цвет, а фаза C — красный или синий. Местные правила могут вносить поправки в NEC. Национальный электротехнический кодекс США содержит требования к цвету заземленных проводников, заземления и трехфазных систем с заземленным треугольником, в результате чего одна незаземленная ветвь имеет более высокий потенциал напряжения относительно земли, чем две другие незаземленные ветви.
^ Должно быть высокая ножка, если она есть.

Внешние ссылки

История и график работы в сфере переменного тока