Многофазная система

Многофазная система (термин, придуманный Сильванусом Томпсоном ) — это средство распределения переменного тока (AC) электрической энергии , в котором используется более одной фазы переменного тока , что относится к значению смещения фазы (в градусах) между переменным током в нескольких проводящих проводах; фазы также могут относиться к соответствующим клеммам и проводникам, как это указано в цветовых кодах . Многофазные системы имеют два или более электрических проводника под напряжением , по которым течет переменный ток с определенной фазой между волнами напряжения в каждом проводнике. В ранних системах использовались 4-проводные двухфазные сети с углом фазы 90°. ^[1] но в современных системах почти повсеместно используется трехфазное напряжение с фазовым углом 120° (или 2π/3 радиан).

Многофазные системы особенно полезны для передачи мощности электродвигателям , вращение которых зависит от переменного тока. Трехфазное питание используется в промышленности и для передачи электроэнергии . По сравнению с однофазной двухпроводной системой трехфазная трехпроводная система передает в три раза больше мощности при том же размере проводника и напряжении, используя всего в 1,5 раза больше проводников, что делает ее в два раза более эффективной в использовании проводников. .

Системы с более чем тремя фазами часто используются для систем выпрямления и преобразования энергии и изучались для передачи энергии.

Количество фаз

На заре коммерческой электроэнергетики в некоторых установках использовались двухфазные четырехпроводные системы для двигателей. Главным их преимуществом было то, что конфигурация обмоток была такой же, как и у однофазного двигателя с конденсаторным пуском, а благодаря использованию четырехпроводной системы концептуально фазы были независимыми и их было легко анализировать с помощью математических инструментов, доступных в то время. ^[2]

Двухфазные системы также могут быть реализованы с использованием трех проводов (два «горячих» плюс общая нейтраль). Однако это вносит асимметрию; падение напряжения в нейтрали приводит к тому, что фазы расходятся не точно на 90 градусов.

Двухфазные системы были заменены трехфазными системами. Переход от двух к трем фазам изначально был мотивирован созданием более идеального вращающегося поля для двигателей переменного тока: Михаил Доливо-Добровольский подсчитал, что для простых конфигураций обмоток того времени колебания магнитного поля можно уменьшить с 40% до 15%. ^{[ нужна ссылка ]}. Это менее важно в современных машинах, которые создают почти идеальное вращающееся поле с помощью синусоидально распределенных обмоток , но трехфазные системы сохраняют и другие преимущества.

Двухфазное питание с углом между фазами 90 градусов можно получить из трехфазной системы с использованием трансформатора, подключенного по Скотту , который также может производить трехфазную мощность от двухфазного входа.

Многофазная система должна обеспечивать определенное направление вращения фаз, поэтому напряжения зеркального отображения не учитываются при определении порядка фаз. Трехпроводная система с двумя фазными проводами, расположенными на расстоянии 180 градусов друг от друга, по-прежнему остается только однофазной. Такие системы иногда называют расщепленными фазами .

Моторы

Трехфазная электрическая машина с вращающимися магнитными полями.

Многофазная мощность особенно полезна в двигателях переменного тока , таких как асинхронные двигатели , где она генерирует вращающееся магнитное поле . Когда трех- или более фазный источник питания завершает один полный цикл, магнитное поле двухполюсного двигателя поворачивается на 360 ° в физическом пространстве; двигателям с более чем двумя полюсами на фазу требуется больше циклов подачи питания для совершения одного физического оборота магнитного поля, и поэтому эти двигатели работают медленнее. Асинхронные двигатели, использующие вращающееся магнитное поле, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой и разработаны в трехфазной форме Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. ^[3] Раньше все коммерческие двигатели были постоянного тока, с дорогими коллекторами , требующими особого ухода щетками и характеристиками, непригодными для работы в сети переменного тока. Многофазные двигатели просты в конструкции, являются самозапускающимися и имеют меньшую вибрацию по сравнению с однофазными двигателями.

Высший фазовый порядок

Как только появится многофазная мощность, ее можно преобразовать в любое желаемое количество фаз с помощью подходящего расположения трансформаторов. Таким образом, потребность в более чем трех фазах является необычной, но использовалось большее количество фаз, чем три.

Передача электроэнергии высокого фазового порядка (HPO) часто предлагалась как способ увеличения пропускной способности в пределах полосы отвода ограниченной ширины . ^[4] Передаваемая мощность пропорциональна квадрату падения напряжения между фазой и землей, но линии передачи требуют, чтобы проводники были расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить возникновение электрической дуги как между фазой , и между фазами так . Для трехфазной сети преобладает линейное напряжение, которое в $\sqrt 3 \approx 1,7$ раза превышает линейное напряжение. Системы с более высокой фазой при одинаковом напряжении между фазой и землей имеют меньшую разницу напряжений между соседними фазами, что позволяет уменьшить расстояние между проводниками. Для шестифазных и более высокофазных энергосистем доминирующим эффектом становится напряжение между фазой и землей. ^[5]

Таким образом, шестифазная работа позволяет существующей двухцепной линии электропередачи передавать большую мощность без необходимости использования дополнительного многопроводного кабеля. требуются капитальные затраты и потери на полное сопротивление новых фазопреобразующих трансформаторов . Однако для сопряжения с обычной трехфазной сетью ^[4] Они особенно экономичны, когда альтернативой является модернизация существующей линии электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН, более 345 кВ между фазами) до стандартов сверхвысокого напряжения (СВН, более 800 кВ).

В период с 1992 по 1995 год компания New York State Electric & Gas эксплуатировала 6-фазную линию электропередачи напряжением 93 кВ протяженностью 1,5 мили, преобразованную из двухцепной трехфазной линии электропередачи напряжением 115 кВ. Основной результат заключался в том, что экономически выгодно эксплуатировать существующую двухцепную трехфазную линию напряжением 115 кВ как шестифазную на расстояниях более 23–28 миль. ^[6]^{: XVIII – XVIII}

Трехфазные линии электропередачи используют транспозицию для выравнивания потерь при передаче по всем фазам из-за небольших отклонений от идеальной геометрии. Это невозможно для линий с более высокой фазой, поскольку транспозиция может менять местами только соседние фазы, а группа диэдра на $n$ элементах совпадает с полной симметричной группой только для $n \leq3$ . Полное применение даже этой ограниченной схемы транспонирования необходимо для надлежащей защиты от замыканий на землю. ^[6]^: 45–52

конструкции многофазной генерации электроэнергии с 5, 7, 9, 12 и 15 фазами в сочетании с многофазными индукционными генераторами Были предложены (MPIG), приводимыми в движение ветряными турбинами. Асинхронный генератор производит электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее синхронной скорости . Многофазный асинхронный генератор имеет больше полюсов, а значит и меньшую синхронную скорость. Поскольку скорость вращения ветряной турбины может быть слишком низкой для значительной части ее работы по выработке однофазной или даже трехфазной мощности переменного тока, более высокие порядки фаз позволяют системе улавливать большую часть энергии вращения в виде электроэнергии. . ^{[ сомнительно – обсудить ]}^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Первая многофазная система: взгляд назад на двухфазное питание для распределения переменного тока, журнал IEEE Power and Energy Magazine (том: 2, выпуск: 2, март-апрель 2004 г.) [1]
^ Террелл Крофт, Справочник американских электриков, шестое издание , McGraw Hill, 1948, стр. 54–57.
^ Ион Болдеа, Сайед Абу Насар, Справочник индукционной машины - CRC Press, 2002, стр. 2
^ Jump up to: ^а ^б Лонго, Вито (1 июля 2011 г.). "Высокая фаза что?" . Мир передачи и распределения . Архивировано из оригинала 28 июля 2016 года.
^ Дорацио, TF (25 апреля 1990 г.). Передача с высоким порядком фаз . Техническая конференция по Южному ярусу. Бингемтон, Нью-Йорк: IEEE. стр. 31–32. дои : 10.1109/STIER.1990.324628 .
^ Jump up to: ^а ^б «Демонстрация передачи с высоким порядком фаз» (PDF) . CERC-Reactors.com . Государственная электроэнергетическая и газовая компания штата Нью-Йорк.

Дальнейшее чтение

Томпсон, СП (1900). Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . Нью-Йорк: Спон и Чемберлен.

[1] Первая многофазная система: взгляд назад на двухфазное питание для распределения переменного тока, журнал IEEE Power and Energy Magazine (том: 2, выпуск: 2, март-апрель 2004 г.) [1]

[2] Террелл Крофт, Справочник американских электриков, шестое издание , McGraw Hill, 1948, стр. 54–57.

[3] Ион Болдеа, Сайед Абу Насар, Справочник индукционной машины - CRC Press, 2002, стр. 2

[TDWorld-4] Jump up to: ^а ^б Лонго, Вито (1 июля 2011 г.). "Высокая фаза что?" . Мир передачи и распределения . Архивировано из оригинала 28 июля 2016 года.

[5] Дорацио, TF (25 апреля 1990 г.). Передача с высоким порядком фаз . Техническая конференция по Южному ярусу. Бингемтон, Нью-Йорк: IEEE. стр. 31–32. дои : 10.1109/STIER.1990.324628 .

[NYTrial-6] Jump up to: ^а ^б «Демонстрация передачи с высоким порядком фаз» (PDF) . CERC-Reactors.com . Государственная электроэнергетическая и газовая компания штата Нью-Йорк.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]