Проста фізика
Посилання на сторінку сайту Магазину
Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті
для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу
Щоб зрозуміти, чому ми використовуємо три фази для передачі електроенергії з одного місця в інше, а не якесь інше число, наприклад, 1, 2 або 4, нам потрібно зрозуміти частину історії того, як вироблялася та використовувалася електроенергія.
Електроенергія виробляється машинами, що обертаються і, хоча першими навантаженнями були в основному лампи, дуже скоро навантаженням, що споживає найбільше енергії, також стала машина, що обертається - двигун. Електрика стала способом приведення в дію багатьох двигунів одного великого генератора. Це дозволило розвиватися економічної спеціалізації: були створені компанії, які спеціалізувалися на виробленні електроенергії, тоді як інші компанії, які були великими споживачами електроенергії, могли зосередити свою основну експертизу на використанні електроенергії, наприклад: на переробці колод у пиломатеріали або прокатці сталевих зливків у листи.
Спочатку і генератори, і двигуни могли працювати як машини постійного чи змінного струму, і кожна система надавала переважно ту ж послугу, що й інша, з відносно невеликими відмінностями. Протягом кількох десятиліть обидві системи використовувалися одночасно, але зрештою перемогла система змінного струму, переважно з таких причин:
1. Змінний струм можна було передавати на великі відстані ефективніше, ніж постійний струм, що дозволяло генераторам підключатися до значно більшої кількості споживачів.
2. Запобіжники захисту змінного струму були меншими і дешевшими запобіжників постійного струму, оскільки в змінному струмі природний нульовий перетин змінної напруги значно допомагає гасити струм короткого замикання.
3. Перемикачі для змінного струму також менші, простіші і дешевші, ніж перемикачі постійного струму для тієї ж номінальної потужності, оскільки нульове перетин змінної напруги значно допомагає функції перемикання.
4. Асинхронні двигуни змінного струму більш надійні, ніж двигуни постійного струму (у двигунів постійного струму були щітки та комутатори, які постійно зношувалися; у асинхронних двигунів змінного струму їх не було.)
Примітка: Недоліком асинхронного двигуна змінного струму є те, що його швидкість не можна було легко змінювати - він повинен працювати на швидкості, близькі до постійної, яка задається частотою джерела змінного струму. Однак швидкість двигуна постійного струму можна було легко змінювати. В даний час дуже легко керувати швидкістю двигуна змінного струму за допомогою силової електроніки, наприклад: приводів зі змінною швидкістю, але коли все це відбувалося, транзистори ще навіть не були винайдені!
Тепер уявімо, що ми живемо в 1900 році (жодних транзисторів, ніяких комп'ютерів!) і нам дали завдання спроектувати систему живлення змінного струму (з синусоїдальною напругою) для передачі електроенергії від генератора до асинхронного двигуна змінного струму; які бажані характеристики вона повинна мати?
1. Постійна потужність. Двигун повинен забезпечувати своє навантаження потужністю з регульованою користувачем швидкістю з плавним моментом, що крутить, і, отже, плавною потужністю; Вал не повинен генерувати імпульси потужності. Двигун постійного струму робить це легко; проте характер потужності, що забезпечується двигуном змінного струму, залежить від джерела змінного струму, як ми дізнаємося далі.
2. Пусковий момент. Двигун повинен забезпечувати достатній момент, що крутить, для запуску двигуна зі стану спокою.
3. Простота.
Почнемо з однофазного змінного струму.
Це справді дуже просто, проте це не забезпечує постійну потужність. Потужність, що виробляється валом двигуна, пульсує: вона йде від нуля до піку, що вдвічі перевищує середнє значення, а потім назад до нуля, і це відбувається двічі за кожен цикл живлення змінного струму! Це не дуже добре для приводу цих масивних циркулярних пилок для деревини та сталепрокатних станів.
Пусковий момент, що крутить, також не хороший: він фактично дорівнює нулю. Якщо двигун не може запустити обертання навантаження, то це серйозна проблема, і її можна вирішити лише ускладнивши двигун і додавши додаткові компоненти, наприклад: двигуни з розділеною обмоткою і конденсатори.
Двофазний змінний струм:
Двофазні асинхронні двигуни можуть забезпечувати як хороший пусковий момент, що крутить, так і постійну потужність на валу, якщо друга фаза зміщена на 1/4 циклу (90 градусів) відносно першої фази. Але ця потужність не може бути ефективно передана лише двома провідниками до навантаження; потрібен третій провідник для повернення нейтрального струму до загального дроту двох джерел змінного струму (зірка). Більш того, цей нейтральний провідник повинен проводити струм, який на 50% вище струму, що протікає в кожному фазному провіднику! Можна зменшити цей нейтральний струм до нуля, але встановивши тільки зрушення фаз на 180 градусів; Але тоді це призведе до пульсації потужності. Тому ця система вимагає компромісу: більш плавна потужність вимагає сильнішого нейтрального струму, і щоб отримати якесь зниження пульсації потужності, ми повинні запустити третій провідник (нейтраль).
Трифазний змінний струм:
Якщо кожна фаза зміщена на 1/3 циклу (120 градусів) щодо інших фаз, ми отримуємо всі необхідні нам характеристики. Потужність стала (для збалансованої системи). Пусковий момент на асинхронному двигуні забезпечується природним чином просто без додаткових компонентів. Нейтральний провідник у збалансованій системі проводить нульовий струм, тому він може бути дуже маленького розміру або взагалі не встановлюватися (але якщо навантаження залишатиметься збалансованим у будь-який час). Для передачі тієї ж потужності при тому ж падінні напруги і тих же втратах потужності в кабелі кількість провідникового матеріалу, необхідного трифазного струму, насправді менше, ніж для двофазного.
Чотирифазний змінний струм:
Якщо кожна фаза зміщена на 1/4 циклу (90 градусів) щодо інших фаз, ми отримуємо всі необхідні нам характеристики, як і для трифазного струму. Але навіщо мати додаткове джерело напруги та додаткові кабелі без будь-якої вигоди? Трифазний струм вже дає нам всі необхідні нам характеристики, тому ми можемо зупинитися лише на трьох, нам не потрібно додавати додаткову складність.
Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry
