Введение

Электрическая система распределения электроэнергии
электрические системы с фазовым сдвигом 90°

Двухфазная электрическая система была полифазной системой распределения переменного тока, распространенной в начале 20-го века. В ней использовались две цепи, фазы напряжения в которых отличались на четверть цикла, то есть на 90°. Обычно использовались четыре провода – по два для каждой фазы. В некоторых случаях применялись три провода, при этом общий провод имел проводник большего диаметра. Некоторые ранние двухфазные генераторы имели два полных ротора и обмотки возбуждения, физически смещенные относительно друг друга для обеспечения двухфазного питания. Генераторы на Ниагарском водопаде, установленные в 1895 году, были самыми большими в мире на тот момент и представляли собой двухфазные машины. В конечном итоге трехфазные системы заменили первоначальные двухфазные системы для передачи и использования электроэнергии. Действующие двухфазные распределительные системы до сих пор используются в центре Филадельфии, где многие коммерческие здания постоянно подключены к двухфазной сети, а также в Хартфорде, штат Коннектикут.

Сравнение с однофазным источником

Преимущество двухфазного электрического питания над однофазным заключалось в том, что оно позволяло создавать простые, самозапускающиеся электродвигатели. В ранние годы развития электротехники было проще анализировать и проектировать двухфазные системы с полностью разделенными фазами. Удобный математический инструмент для описания случаев неуравновешенной нагрузки для полифазных энергосистем появился только после изобретения метода симметричных компонентов в 1918 году. Вращающееся магнитное поле, создаваемое двухфазной системой, позволяло электродвигателям развивать крутящий момент с нулевой скорости, что было невозможно в однофазном индукционном двигателе (без дополнительных средств запуска). Индукционные двигатели, рассчитанные на двухфазную работу, используют схожую конфигурацию обмоток с конденсаторными однофазными двигателями. Однако в двухфазном индукционном двигателе импедансы обеих обмоток идентичны. Двухфазные цепи также обладают преимуществом в виде постоянной суммарной мощности, потребляемой идеальной нагрузкой, в то время как мощность в однофазной цепи пульсирует с частотой, вдвое превышающей линейную, из-за нулевых пересечений напряжения и тока.

Сравнение с трехфазным источником энергии

Трехфазный электрический ток требует меньшей массы проводника при том же напряжении и общей мощности по сравнению с двухфазной четырехпроводной цепью с той же несущей способностью. Он вытеснил двухфазную систему для коммерческого распределения электроэнергии, однако двухфазные цепи все еще встречаются в некоторых системах управления. Двухфазные цепи обычно используют две отдельные пары токопроводящих проводников. Альтернативно, можно использовать три провода, но общий проводник несет векторную сумму фазных токов, что требует проводника большего сечения. Векторная сумма сбалансированных трехфазных токов, однако, равна нулю, что позволяет исключить нейтральные провода. В системах распределения электроэнергии требование всего трех проводников вместо четырех обеспечивало значительную экономию затрат на распределительные провода из-за стоимости самих проводников и их монтажа. В то время как двухфазные и трехфазные цепи имеют постоянную суммарную мощность при идеальной нагрузке, практические устройства, такие как двигатели, могут испытывать пульсации мощности в двухфазных системах. Эти пульсации мощности, как правило, вызывают повышенный механический шум в ламинациях трансформаторов и двигателей из-за магнитострикции и крутильных колебаний валов генераторов и двигателей. Двухфазное питание можно получить из трехфазного источника, используя два трансформатора в соединении Скотта: первичная обмотка одного трансформатора подключается к двум фазам источника питания. Вторая обмотка подключается к средней точке первой обмотки и рассчитана на 86,6% от фазного напряжения в трехфазной системе. Вторичные обмотки трансформаторов будут иметь две фазы, сдвинутые по времени на 90 градусов, а сбалансированная двухфазная нагрузка будет равномерно распределена по трем фазам питания.