Трехфазные системы питания

Что такое двухфазные системы питания?

Двухфазные энергосистемы достигают высокого КПД и низкий риск безопасности за счет разделения общего напряжения на меньшие части и питания нескольких нагрузок на этих меньших напряжениях при одновременном потреблении токов на уровнях, типичных для системы полного напряжения.

Между прочим, этот метод работает так же хорошо для систем питания постоянного тока, как и для однофазных систем переменного тока. Такие системы обычно называют трехпроводными . системы, а не двухфазные потому что понятие «фаза» ограничивается AC.

Но из нашего опыта работы с векторами и комплексными числами мы знаем, что напряжения переменного тока не всегда складываются, как мы думаем, если они не совпадают по фазе друг с другом.

Этот принцип, применяемый к энергосистемам, может быть использован для создания энергосистем с еще большим КПД проводников и меньшей опасностью поражения электрическим током, чем с расщепленной фазой.

Примеры

Два источника напряжения, не совпадающих по фазе на 120 °

Предположим, что у нас есть два источника переменного напряжения, подключенных последовательно, как и в системе с расщепленной фазой, которую мы видели раньше, за исключением того, что каждый источник напряжения был сдвинут по фазе на 120 ° друг с другом:(рисунок ниже)

Пара источников 120 В перем. тока, фазированных на 120 °, аналогично разделенной фазе.

Поскольку каждый источник напряжения составляет 120 В, и каждый нагрузочный резистор подключен непосредственно параллельно своему соответствующему источнику, напряжение на каждой нагрузке должно тоже быть 120 вольт. Учитывая ток нагрузки 83,33 А, каждая нагрузка все равно должна рассеивать 10 киловатт мощности.

Однако напряжение между двумя «горячими» проводами не составляет 240 вольт (120 ∠ 0 ° - 120 ∠ 180 °), потому что разность фаз между двумя источниками не равна 180 °. Вместо этого напряжение:

Условно мы говорим, что напряжение между «горячими» проводниками составляет 208 вольт (округляя в большую сторону), и, следовательно, напряжение в энергосистеме обозначено как 120/208.

Если мы посчитаем ток через «нейтральный» проводник, мы обнаружим, что он не ноль даже при сбалансированном нагрузочном сопротивлении. Закон Кирхгофа говорит нам, что токи, входящие и выходящие из узла между двумя нагрузками, должны быть нулевыми:(рисунок ниже)

Нейтральный провод проводит ток в случае пары фазированных источников на 120 °.

Выводы и выводы

Итак, мы обнаруживаем, что «нейтральный» провод имеет полный ток 83,33 А, как и каждый «горячий» провод.

Обратите внимание, что мы по-прежнему передаем 20 кВт общей мощности двум нагрузкам, при этом «горячий» провод каждой нагрузки, как и раньше, выдерживает 83,33 А.

При одинаковом количестве тока через каждый «горячий» провод, мы должны использовать медные проводники одинакового сечения, поэтому мы не снизили стоимость системы по сравнению с системой с разделением фаз 120/240.

Тем не менее, мы добились повышения безопасности, потому что общее напряжение между двумя «горячими» проводниками на 32 вольт ниже, чем в системе с расщепленной фазой (208 вольт вместо 240 вольт).

Три источника напряжения, не совпадающих по фазе на 120 °

Тот факт, что нейтральный провод пропускает ток 83,33 А, открывает интересную возможность:поскольку он все равно пропускает ток, почему бы не использовать этот третий провод в качестве еще одного «горячего» проводника, запитав другой нагрузочный резистор третьим источником на 120 В, имеющим фазовый угол. 240 °?

Таким образом, мы могли бы передать больше мощность (еще 10 кВт) без дополнительных проводов. Давайте посмотрим, как это может выглядеть:(рисунок ниже)

Если третья нагрузка смещена под углом 120 ° к двум другим, токи будут такими же, как и для двух нагрузок.

Расчеты SPICE для трехфазной системы

Полный математический анализ всех напряжений и токов в этой цепи потребует использования сетевой теоремы, самой простой из которых является теорема суперпозиции.

Я избавлю вас от долгих, затяжных вычислений, потому что вы должны быть в состоянии интуитивно понять, что три источника напряжения с тремя разными фазовыми углами подадут 120 вольт каждый на сбалансированную триаду нагрузочных резисторов.

Для доказательства этого мы можем использовать SPICE для выполнения математических расчетов:(Рисунок ниже, список SPICE:многофазная система питания 120/208)

Схема SPICE:три нагрузки 3-Ф, фазированные под углом 120 °.

 120/208 многофазная система питания v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1,44 r2 2 4 1,44 r3 3 4 1,44 .ac lin 1 60 60 .print ac v (1,4) v (2,4) v (3,4). print ac v (1,2) v (2,3) v (3,1). print ac i (v1) i (v2 ) i (v3) .end 

 НАПРЯЖЕНИЕ НА КАЖДОЙ НАГРУЗКЕ частота v (1,4) v (2,4) v (3,4) 6.000E + 01 1.200E + 02 1.200E + 02 1.200E + 02 НАПРЯЖЕНИЕ МЕЖДУ «ГОРЯЧИМИ» ПРОВОДНИКАМИ частота v (1,2) v (2,3) v (3,1) 6.000E + 01 2.078E + 02 2.078E + 02 2.078E + 02 ТОК ЧЕРЕЗ КАЖДЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ частота i (v1) i (v2) i (v3 ) 6.000E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 

Конечно, мы получаем 120 вольт на каждом нагрузочном резисторе, с (приблизительно) 208 вольт между любыми двумя «горячими» проводниками и токами в проводниках, равными 83,33 ампера. (Рисунок ниже)

При таком токе и напряжении каждая нагрузка будет рассеивать 10 кВт мощности.

Обратите внимание, что в этой цепи нет «нейтрального» проводника, чтобы обеспечить стабильное напряжение для всех нагрузок в случае размыкания одной из них.

Здесь мы имеем ситуацию, аналогичную нашей схеме питания с расщепленной фазой без «нейтрального» проводника:если одна из нагрузок выйдет из строя, падение напряжения на оставшейся (их) нагрузке (ах) изменится.

Чтобы обеспечить стабильность напряжения нагрузки в случае очередного размыкания нагрузки, нам нужен нейтральный провод для соединения узла источника и узла нагрузки:

Схема SPICE с аннотациями результатов моделирования:три нагрузки 3-Φ, фазированные под углом 120 °.

Пока нагрузки остаются сбалансированными (равное сопротивление, равные токи), нейтральный провод вообще не должен пропускать ток. Он нужен на тот случай, если один или несколько нагрузочных резисторов выйдут из строя (или отключатся с помощью размыкающего переключателя).

Полифазная схема

Эта схема, которую мы анализировали с тремя источниками напряжения, называется многофазной . схема. Префикс «поли» просто означает «более одного», как в « поли . теизм »(вера в более чем одно божество),« поли гон »(геометрическая форма, состоящая из нескольких отрезков прямой:например, пятиугольник и шестиугольник ) и « поли атомный »(вещество, состоящее из нескольких типов атомов).

Поскольку все источники напряжения находятся под разными фазовыми углами (в данном случае три разных фазовых угла), это « поли фаза ».

В частности, это трехфазная схема . , которые используются преимущественно в крупных системах распределения электроэнергии.

Трехфазная система против однофазной системы

Однофазная система

Давайте рассмотрим преимущества трехфазной системы электроснабжения перед однофазной системой с эквивалентным напряжением нагрузки и мощностью. Однофазная система с тремя нагрузками, подключенными напрямую параллельно, будет иметь очень высокий общий ток (83,33 умножить на 3, или 250 ампер (рисунок ниже))

Для сравнения, три нагрузки по 10 кВт в системе 120 В переменного тока потребляют 250 А.

Для этого потребуется медный провод сечением 3/0 ( очень большой!), примерно по 510 фунтов за тысячу футов, и со значительным ценником. Если бы расстояние от источника до груза составляло 1000 футов, нам потребовалось бы более полутонны медного провода для выполнения этой работы.

Двухфазная система

С другой стороны, мы могли бы построить двухфазную систему с двумя нагрузками по 15 кВт, 120 В. (Рисунок ниже)

Система с разделением фаз потребляет половину тока 125 А при 240 В переменного тока по сравнению с системой на 120 В переменного тока.

У нас ток вдвое меньше, чем при простой параллельной схеме, что является большим улучшением.

Мы могли бы обойтись без использования медного провода калибра 2 с общей массой около 600 фунтов, из расчета около 200 фунтов на тысячу футов с тремя участками по 1000 футов каждый между источником и нагрузками. Однако мы также должны учитывать повышенную угрозу безопасности, связанную с наличием в системе 240 вольт, даже если каждая нагрузка получает только 120 вольт.

В целом существует большая вероятность поражения электрическим током.

Трехфазная система

Когда мы сравниваем эти два примера с нашей трехфазной системой (рисунок выше), преимущества очевидны.

Во-первых, токи в проводниках немного меньше (83,33 ампер против 125 или 250 ампер), что позволяет использовать гораздо более тонкий и легкий провод. Мы можем использовать провод калибра 4 с плотностью около 125 фунтов на тысячу футов, что составит 500 фунтов (четыре участка по 1000 футов каждый) для нашей примерной схемы.

Это обеспечивает значительную экономию затрат по сравнению с системой с разделением фаз, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что максимальное напряжение в системе ниже (208 против 240).

Остается ответить на один вопрос:как вообще мы можем получить три источника переменного напряжения, фазовые углы которых разнесены точно на 120 °?

Очевидно, что мы не можем отводить по центру обмотку трансформатора или генератора переменного тока, как мы это делали в системе с расщепленной фазой, поскольку это может дать нам только формы волны напряжения, которые либо совпадают по фазе, либо не совпадают по фазе на 180 °.

Возможно, мы могли бы придумать способ использования конденсаторов и катушек индуктивности для создания фазовых сдвигов на 120 °, но тогда эти фазовые сдвиги также будут зависеть от фазовых углов наших импедансов нагрузки (замена резистивной нагрузки емкостной или индуктивной нагрузкой изменится. все!).

Лучший способ получить фазовые сдвиги, которые мы ищем, - это создать его у источника:сконструировать генератор переменного тока (генератор переменного тока), обеспечивающий мощность таким образом, чтобы вращающееся магнитное поле проходило через три набора проволочных обмоток, каждый набор разнесены на 120 ° по окружности машины, как показано на рисунке ниже.

(a) Однофазный генератор переменного тока, (b) Трехфазный генератор переменного тока.

Вместе шесть «полюсных» обмоток трехфазного генератора переменного тока соединены так, чтобы образовать три пары обмоток, каждая пара вырабатывает переменное напряжение с фазовым углом 120 °, смещенным от любой из двух других пар обмоток.

Межсоединения между парами обмоток (как показано для однофазного генератора переменного тока:перемычка между обмотками 1a и 1b) для простоты на чертеже трехфазного генератора не показаны.

В нашем примере схемы мы показали три источника напряжения, соединенные вместе в конфигурации «Y» (иногда называемой конфигурацией «звезда»), с одним выводом каждого источника, привязанным к общей точке (узлу, к которому мы подключили «нейтраль». дирижер).

Обычный способ изобразить эту схему подключения - нарисовать обмотки в форме буквы «Y», как показано на рисунке ниже.

Конфигурация «Y» генератора.

Конфигурация «Y» - не единственный доступный нам вариант, но, вероятно, поначалу ее легче всего понять. Подробнее об этом мы поговорим позже в этой главе.

ОБЗОР:

• однофазный Энергосистема - это система, в которой имеется только один источник переменного напряжения (одна форма волны напряжения источника).
• разделенная фаза Энергосистема - это система, в которой есть два источника напряжения, сдвинутых по фазе на 180 ° друг от друга, питающие две последовательно соединенные нагрузки. Преимуществом этого является возможность иметь более низкие токи в проводниках при сохранении низкого напряжения нагрузки по соображениям безопасности.
• многофазный В энергосистеме используются несколько источников напряжения, находящихся под разными углами фаз друг от друга (работает много «фаз» формы волны напряжения). Многофазная система питания может обеспечивать большую мощность при меньшем напряжении с проводниками меньшего сечения, чем однофазные или двухфазные системы.
• Источники сдвинутого по фазе напряжения, необходимые для многофазной энергосистемы, создаются в генераторах переменного тока с несколькими наборами обмоток проводов. Эти наборы обмоток расположены по окружности вращения ротора под желаемым углом (-ами).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист по многофазным энергосистемам