Введение

Средства распределения переменного тока электрической мощности, распределение электрической мощности.

Полифазная система (термин, предложенный Сильванусом Томпсоном) – это способ распределения переменного тока (AC) электрической мощности, использующий более одной фазы переменного тока. Фаза относится к значению сдвига фаз (в градусах) между переменными токами в нескольких проводниках; под фазами также могут пониматься соответствующие клеммы и проводники, например, в цветовой маркировке. Полифазные системы состоят из двух или более токоведущих проводников, по которым передаются переменные токи с определенным сдвигом фаз между волнами напряжения в каждом проводнике. Первые системы использовали двухфазные четырехпроводные сети с фазовым углом 90°, но современные системы практически повсеместно применяют трехфазное напряжение с фазовым углом 120° (или 2π/3 радиан). Полифазные системы особенно эффективны для питания электродвигателей, работающих на переменном токе. Трехфазная мощность используется в промышленности и для передачи электроэнергии. По сравнению с однофазной двухпроводной системой, трехфазная трехпроводная система передает в три раза больше мощности при тех же размерах проводников и напряжении, используя всего в 1,5 раза больше проводников, что делает ее в два раза более эффективной с точки зрения использования проводников. Системы с числом фаз, превышающим три, часто применяются в выпрямителях и системах преобразования мощности, а также изучались для передачи электроэнергии.

Количество этапов

В первые дни коммерческой электроэнергии некоторые установки использовали двухфазные четырехпроводные системы для двигателей. Главным преимуществом этих систем было то, что конфигурация обмотки была аналогична однофазному двигателю с конденсаторным пуском, а использование четырехпроводной системы делало фазы концептуально независимыми и удобными для анализа доступными в то время математическими методами. Двухфазные системы также могут быть реализованы с использованием трех проводов (два фазных и один общий нейтральный). Однако это вносит асимметрию: падение напряжения в нейтральном проводе приводит к тому, что фазы оказываются не точно сдвинутыми на 90 градусов. Двухфазные системы были заменены трехфазными. Переход от двух к трем фазам изначально был обусловлен созданием более идеального вращающегося магнитного поля для двигателей переменного тока: Михаил Доливо-Добровольский вычислил, что для простых обмоток того времени колебания магнитного поля можно уменьшить с 40% до 15%. 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 фазовым сдвигом в 90 градусов можно получить из трехфазной системы с помощью трансформатора, соединенного по схеме Скотта, который также может генерировать трехфазную мощность из двухфазного источника. Полифазная система должна обеспечивать определенное направление вращения фаз, поэтому напряжения, являющиеся зеркальным отражением, не учитываются при определении порядка фаз. Трехпроводная система с двумя фазными проводниками, сдвинутыми на 180 градусов друг относительно друга, по-прежнему является однофазной. Такие системы иногда называют системами с разделенными фазами.

Двигатели

Полифазное питание особенно полезно в двигателях переменного тока, таких как асинхронный двигатель, где оно создает вращающееся магнитное поле. Когда трехфазное или многофазное питание завершает один полный цикл, магнитное поле двухполюсного двигателя вращается на 360° в физическом пространстве; двигателям с более чем двумя полюсами на фазу требуется больше циклов питания для завершения 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 трехфазном исполнении Михаилом Долива-Добровольским в 1889 году. Ранее все коммерческие двигатели были двигателями постоянного тока, с дорогими коллекторами, требующими частого обслуживания щетками и характеристиками, не подходящими для работы в сети переменного тока. Полифазные двигатели просты в изготовлении, они самозапускающиеся и имеют меньшую вибрацию по сравнению с однофазными двигателями.

Высший порядок фазы

После того, как доступна многофазная мощность, её можно преобразовать в любое желаемое число фаз с помощью соответствующей схемы трансформаторов. Таким образом, потребность в большем количестве фаз, чем три, встречается редко, но системы с числом фаз, превышающим три, использовались. В период с 1992 по 1995 год компания New York State Electric & Gas эксплуатировала 6-фазную линию электропередачи напряжением 93 кВ протяженностью 2,4 км, преобразованную из двухцепной 3-фазной линии электропередачи 115 кВ. Основным результатом было то, что экономически целесообразно использовать существующую двухцепную 3-фазную линию 115 кВ в качестве 6-фазной линии на расстояниях более 37–45 км. Были предложены многофазные конструкции генерации электроэнергии с 5, 7, 9, 12 и 15 фазами в сочетании с многофазными индукционными генераторами (MPIG), приводимыми в действие ветряными турбинами. Индукционный генератор вырабатывает электрическую мощность, когда его ротор вращается быстрее синхронной скорости. Многофазный индукционный генератор имеет большее количество полюсов и, следовательно, более низкую синхронную скорость. Поскольку скорость вращения ветряной турбины может быть слишком низкой для существенной части её работы, чтобы генерировать однофазную или даже трехфазную мощность переменного тока, использование большего числа фаз позволяет системе улавливать большую долю вращательной энергии в виде электрической энергии. Передача мощности высокого порядка (HPO) часто предлагается как способ увеличения пропускной способности передачи в пределах ограниченной полосы отвода земли. Требуемое расстояние между проводниками определяется напряжениями между фазами, а в шестифазной системе напряжение между соседними фазами такое же, как между фазой и нейтралью. Однако напряжение между не соседними фазовыми проводниками увеличивается с ростом разницы между фазовыми углами проводников. Проводники можно расположить таким образом, чтобы не соседние фазы располагались на большем расстоянии друг от друга, чем соседние фазы. Это позволяет существующей двухцепной линии электропередачи передавать больше мощности с минимальными изменениями в существующей кабельной инфраструктуре. Это особенно экономично, когда альтернативой является модернизация существующей линии передачи сверхвысокого напряжения (EHV, более 345 кВ между фазами) до стандарта сверхвысокого напряжения (UHV, более 800 кВ). В отличие от этого, в трехфазной системе напряжение между фазами в 1,732 раза больше напряжения между фазой и нейтралью.