Трёхфазные системы питания: основы и преимущества

Что такое система с расщепленной фазой?

Системы с расщепленной фазой повышают эффективность проводов и снижают риски безопасности, деля общее напряжение на более низкие уровни. Каждая нагрузка работает при пониженном напряжении, но токи остаются типичными для полновольтной системы.

Хотя термин «фаза» строго относится к переменному току, тот же принцип применим к постоянному току. Их обычно называют трёхпроводными системами, а не с расщепленной фазой.

Поскольку переменнотоковые напряжения, сдвинутые по фазе, не складываются арифметически, мы можем использовать это поведение для создания систем питания с ещё большей эффективностью проводов и меньшими рисками удара, чем при расщепленной фазе.

Примеры

Два источника напряжения со сдвигом 120°

Рассмотрим два источника переменного напряжения, соединённых последовательно как в системе с расщепленной фазой, но каждый источник сдвинут на 120° относительно другого:

 

Пара источников 120 В с фазовым сдвигом 120°, аналогично split-phase.

 

Каждый источник выдаёт 120 В, и каждый нагрузочный резистор напрямую параллелен своему источнику. Следовательно, напряжение на каждой нагрузке 120 В, и при токе нагрузки 83,33 А каждая рассеивает 10 кВт.

Напряжение между двумя «линейными» проводниками не 240 В (120° – 180°), потому что разность фаз 120°. Вместо этого линейное напряжение:

 

 

Номинально говорим, что напряжение между линейными проводниками 208 В (округлённо), поэтому система называется 120/208.

Расчёт тока в нулевом проводнике показывает, что он не нулевой даже при сбалансированных нагрузках. Закон Кирхгофа для токов требует, чтобы токи, входящие и выходящие из узла между двумя нагрузками, компенсировали друг друга:

 

 

Нулевой проводник несёт полные 83,33 А, как и каждый линейный проводник.

 

Выводы

Хотя нулевой проводник всё ещё несёт тот же ток, что и линейные, общая переданная мощность остаётся 20 кВт (10 кВт на нагрузку). Поскольку линейное напряжение всего 208 В — на 32 В ниже, чем 240 В в split-phase — безопасность улучшается без изменения стоимости проводов, так как требуется та же сечение меди.

Три источника сдвинутых на 120°

Ток в нулевом проводнике подсказывает, что его можно использовать как дополнительный линейный проводник. Добавление третьего 120-В источника, сдвинутого на 240°, позволяет четвёртой нагрузке разделить те же три проводника:

 

С третьей нагрузкой, сдвинутой на 120° к другим двум, токи остаются такими же, как для двух нагрузок.

 

SPICE-расчёт для трёхфазной системы

Хотя полный сетевой анализ использует теорему суперпозиции, интуитивный результат: три 120-В источника сдвинутых на 120° выдают 120 В на каждую сбалансированную нагрузку.

SPICE подтверждает это:

 

SPICE-схема: три 3-фазные нагрузки со сдвигом 120°.

 

120/208 polyphase power system
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

VOLTAGE ACROSS EACH LOAD
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
VOLTAGE BETWEEN “HOT” CONDUCTORS
freq v(1,2) v(2,3) v(3,1)
6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
CURRENT THROUGH EACH VOLTAGE SOURCE
freq i(v1) i(v2) i(v3)
6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Результаты показывают 120 В на каждой нагрузке, ~208 В между любыми двумя линейными проводниками и 83,33 А в каждом проводнике. Каждая нагрузка рассеивает 10 кВт.

В схеме нет нулевого проводника для стабильности напряжения. Если одна нагрузка откроется, оставшиеся увидят изменённые напряжения. Добавление нулевого проводника гарантирует стабильную работу при сбалансированных нагрузках, и он не несёт тока, пока нагрузка не отключится или не выйдет из строя.

 

SPICE-схема с аннотациями результатов: три 3-фазные нагрузки со сдвигом 120°.

 

Многофазная цепь

То, что мы рассмотрели — три источника напряжения с разными фазовыми углами — называется многофазной цепью. Префикс «поли» означает «более одного», как в «политеизм» или «полигон». В системах питания он обозначает несколько фазово сдвинутых волн напряжения.

Конкретно, трёхфазная цепь — самая распространённая форма многофазной системы, питающая крупномасштабные распределительные сети.

Трёхфазная система против однофазной

Однофазная система

Три одинаковые нагрузки на однофазной 120-В системе потребляют суммарно 250 А (83,33 А × 3). Для этого тока нужен провод 3/0 AWG (≈510 фунтов/1000 футов). На 1000 футов потребуется более полутонны меди.

 

Для сравнения, три нагрузки 10 кВт на 120 В системе потребляют 250 А.

 

Система с расщепленной фазой

Система с расщепленной фазой может сократить ток вдвое. Две нагрузки 15 кВт, 120 В потребляют 125 А при линейном напряжении 240 В, позволяя использовать медь 2 AWG (≈200 фунтов/1000 футов). Однако наличие 240 В вводит более высокий риск удара.

 

Split-phase система потребляет половину тока 125 А при 240 В по сравнению с 120 В системой.

 

Трёхфазная система

По сравнению с предыдущими, сбалансированная трёхфазная система использует только 83,33 А на проводнике. Медь 4 AWG (≈125 фунтов/1000 футов) достаточно, сокращая материаловые затраты, при этом максимальное напряжение 208 В — ниже, чем 240 В в split-phase.

Главный вопрос — как получить три источника переменного напряжения, сдвинутых на 120°. В отличие от split-phase, использующего средний отвод, трёхфазный альтернатор размещает три комплекта обмоток на 120° вокруг ротора, создавая нужный фазовый сдвиг непосредственно в источнике.

На рисунке ниже шесть полюсных обмоток образуют три пары; каждая пара выдаёт 120-В волну переменного тока, сдвинутую на 120° относительно других. Обмотки обычно соединяют в конфигурацию «Y» (звезда), соединяя один конец каждой обмотки в общий нулевой узел.

 

(а) Однофазный альтернатор, (b) Трёхфазный альтернатор.

 

Конфигурация альтернатора Y.

 

Резюме

• Однофазная система имеет один источник переменного напряжения.
• Расщепленная фаза использует два источника 180° вне фазы, снижая токи проводников при низких нагрузочных напряжениях.
• Многофазная система использует несколько источников с разными фазовыми углами, доставляя больше мощности при более низком напряжении и с меньшими проводниками.
• Фазово сдвинутые источники создаются в альтернаторах с несколькими комплектами обмоток, распределёнными вокруг ротора.

Связанные рабочие листы

• Polyphase Power Systems Worksheet