Простая физика
Ссылка на
страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для
дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела
Чтобы понять, почему мы используем три фазы для передачи электроэнергии из одного места в другое, а не какое-то другое число, например, 1, 2 или 4, нам нужно понять часть истории того, как вырабатывалась и использовалась электроэнергия.
Электроэнергия вырабатывается вращающимися машинами и, хотя первыми нагрузками были в основном лампы, очень скоро нагрузкой, потребляющей больше всего энергии, также стала вращающаяся машина — двигатель. Электричество стало способом приведения в действие многих двигателей от одного большого генератора. Это позволило развиваться экономической специализации: были созданы компании, которые специализировались на выработке электроэнергии, в то время как другие компании, которые были крупными потребителями электроэнергии, могли сосредоточить свою основную экспертизу на использовании электроэнергии, например: на переработке бревен в пиломатериалы или прокатке стальных слитков в листы или перемещении людей и грузов.
Вначале и генераторы, и двигатели могли работать как машины постоянного или переменного тока, и каждая система предоставляла в основном ту же услугу, что и другая, с относительно небольшими различиями. В течение нескольких десятилетий обе системы использовались одновременно, но в конечном итоге победила система переменного тока, в основном по следующим причинам:
1. Переменный ток можно было передавать на большие расстояния более эффективно, чем постоянный ток, что позволяло генераторам подключаться к гораздо большему количеству потребителей.
2. Предохранители защиты переменного тока были меньше и дешевле предохранителей постоянного тока, поскольку в переменном токе естественное нулевое пересечение переменного напряжения значительно помогает гасить ток короткого замыкания.
3. Переключатели для переменного тока также меньше, проще и дешевле, чем переключатели постоянного тока для той же номинальной мощности, поскольку нулевое пересечение переменного напряжения значительно помогает функции переключения.
4. Асинхронные двигатели переменного тока более надежны, чем двигатели постоянного тока (у двигателей постоянного тока были щетки и коммутаторы, которые постоянно изнашивались; у асинхронных двигателей переменного тока их не было.)
Примечание: Недостатком асинхронного двигателя переменного тока является то, что его скорость нельзя было легко изменять — он должен работать на скорости, близкой к постоянной, которая задается частотой источника переменного тока. Однако скорость двигателя постоянного тока можно было довольно легко изменять. В настоящее время очень легко управлять скоростью двигателя переменного тока с помощью силовой электроники, например: приводов с переменной скоростью, но когда все это происходило, транзисторы еще даже не были изобретены!
Теперь представим, что мы живем в 1900 году (никаких транзисторов, никаких компьютеров!) и нам дали задание спроектировать систему питания переменного тока (с синусоидальным напряжением) для передачи электроэнергии от генератора к асинхронному двигателю переменного тока; какими желательными характеристиками она должна обладать?
1. Постоянная мощность. Двигатель должен обеспечивать свою нагрузку мощностью с регулируемой пользователем скоростью с плавным крутящим моментом и, следовательно, плавной мощностью; вал не должен генерировать импульсы мощности. Двигатель постоянного тока делает это легко; однако характер мощности, обеспечиваемой двигателем переменного тока, зависит от источника переменного тока, как мы узнаем далее.
2. Пусковой момент. Двигатель должен обеспечивать достаточный крутящий момент для запуска двигателя из состояния покоя.
3. Простота.
Давайте начнем с однофазного переменного тока.
Это действительно очень просто, однако это не обеспечивает постоянную мощность. Мощность, вырабатываемая валом двигателя, пульсирует: она идет от нуля до пика, вдвое превышающего среднее значение, а затем обратно к нулю, и это происходит дважды за каждый цикл питания переменного тока! Это не очень хорошо для привода этих массивных циркулярных пил для древесины и сталепрокатных станов.
Пусковой крутящий момент также не хорош: он фактически равен нулю. Если двигатель не может запустить вращение нагрузки, то это серьезная проблема, и ее можно решить, только усложнив двигатель и добавив дополнительные компоненты, например: двигатели с разделенной обмоткой и конденсаторы.
Двухфазный переменный ток:
Двухфазные асинхронные двигатели могут обеспечивать как хороший пусковой крутящий момент, так и постоянную мощность на валу, если вторая фаза смещена на 1/4 цикла (90 градусов) относительно первой фазы. Но эта мощность не может быть эффективно передана всего двумя проводниками к нагрузке; требуется третий проводник для возврата нейтрального тока к общему проводу двух источников переменного тока (звезда). Более того, этот нейтральный проводник должен будет проводить ток, который на 50% выше тока, протекающего в каждом фазном проводнике! Можно уменьшить этот нейтральный ток до нуля, но только установив сдвиг фаз на 180 градусов; но тогда это приведет к пульсации мощности. Поэтому эта система требует компромисса: более плавная мощность требует более сильного нейтрального тока, и чтобы получить какое-либо снижение пульсации мощности, мы должны запустить третий проводник (нейтраль).
Трехфазный переменный ток:
Если каждая фаза смещена на 1/3 цикла (120 градусов) относительно других фаз, то мы получаем все необходимые нам характеристики. Мощность постоянна (для сбалансированной системы). Пусковой момент на асинхронном двигателе обеспечивается естественным образом и просто без дополнительных компонентов. Нейтральный проводник в сбалансированной системе проводит нулевой ток, поэтому он может быть очень маленького размера или вообще не устанавливаться (но только если нагрузка будет оставаться сбалансированной в любое время). Для передачи той же мощности при том же падении напряжения и тех же потерях мощности в кабеле количество проводникового материала, требуемого для трехфазного тока, на самом деле меньше, чем для двухфазного.
Четырехфазный переменный ток:
Если каждая фаза смещена на 1/4 цикла (90 градусов) относительно других фаз, то мы получаем все необходимые нам характеристики, как и для трехфазного тока. Но зачем иметь дополнительный источник напряжения и дополнительные кабели без какой-либо выгоды? Трехфазный ток уже дает нам все необходимые нам характеристики, поэтому мы можем остановиться только на трех, нам не нужно добавлять дополнительную сложность.
Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry
