Чому трифазна потужність? Чому б не більша кількість фаз?

Чи є причина, поза історичними причинами, що три фази стали домінуючим числом фаз?

Мені відомо про переваги перед однією фазою та двома фазами, а саме - зменшеною кількістю необхідного провідника, а також тим, що мотори можуть забезпечити крутний момент при застоюванні (і менше пульсації).

Це пояснюється виключно зменшенням віддачі, лише невеликим збільшенням плавності застосування крутного моменту, ціною підвищеної складності (збільшення кількості проводів (хоча і меншої CSA)).

Щоб було зрозуміло, всі фази розподіляються рівномірно, тобто п’ять фаз, розділених на 72 градуси.

На додаток до відповіді PlasmaHH, промисловість використовує майже виключно трифазну потужність, оскільки індукційний двигун потребує щонайменше трифазного живлення для запуску та роботи у відомому напрямку. Однофазні індукційні двигуни вимагають втрат, ненадійності та дорогих хитрощів, щоб зробити те саме (додаткові обмотки, втрати обмотки, перемикач, чутливий до швидкості, конденсатори тощо).

Сітка постачання базується на трьох фазах, оскільки це є найбільш ефективною з точки зору генерації та постачання. Наприклад, використання 9-фазної сітки вимагатиме виконання 9 проводів для всієї розподільної мережі, не рентабельно.

Згадані двигуни вищого порядку не використовують лінійні фази. Для більш точного керування крокові двигуни використовують більше фаз. Поліфазні випрямлячі високого порядку розроблені часто з більшою кількістю "фаз", щоб зменшити пульсацію, але фази створюються локально шляхом фазового зсуву лінійного входу якимось способом, або прямим зсувом LC, або за допомогою мотор-генератора.

Коли ви маєте однофазний розподіл потужності, вам потрібна одна фаза і одне повернення, обидва несуть один і той же струм.

Якщо ви замість цього використовуєте симетричну трифазну потужність, ви використовуєте три фази з третьою частиною поточної несучої здатності, і ви можете позбутися нейтралі. Це просто економить гроші у міді. Якщо тепер додати більше фаз, ви не зможете зберегти більше міді, а лише додасте складність.

Якщо ви маєте асиметричну трифазну потужність, ви не зможете позбутися нейтралі, але це не потрібно мати змогу обробляти весь комбінований струм усіх трьох фаз у відповідь. Знову якусь мідь врятували. Додавання більшої кількості фаз, однак, настільки не зменшить необхідну для нейтралі мідь.

Так, так, врешті-решт, це практично не коштує практично без виграшу в середньому додатку. Так ви знайдете лише більше трьох фаз для дуже особливих речей.

Три - найменша кількість фаз, однаково розташованих навколо кола, і які можна використовувати для створення обертового магнітного поля в заданому напрямку.

Будь-які фази просто вимагають більше проводів і більше обмоток в індукційному двигуні.

Дві фази можуть задавати обертове магнітне поле, якщо вони розташовані на відстані 90 градусів (" квадратура "). Прийоми, що генерують квадратуру, як конденсатори для роботи , використовуються з індукційними двигунами, які працюють на однофазному живленні.

Двофазна потужність, виявляється, не має переваг. Двигуни плавніше працюють на трьох фазах , а врівноважений двофазний потребує чотирьох провідників, тоді як для трифазних потрібно лише три. Тобто, ми можемо зв’язати трифазний генератор з трифазним індукційним двигуном за допомогою рівно трьох проводів. Можливий двопровідний двопровідний, але це не буде врівноваженим. Два з провідників будуть нести фази, а третій провідник виконує роль нейтралі. Це означає, що один провід повинен обробляти більше струму, оскільки він виступає як зворотний для двох інших. Три провідники під трьома фазами несуть однаковий струм: вони врівноважені.

З усіх цих причин три фази є оптимальним. Якщо дано, що електроенергія використовується для індукційних двигунів, більше трьох фаз є марнотратними, а значить, менше трьох.

Однак використовуються двофазні системи, а також фазові системи вищого порядку, такі як шести- і дванадцятифазні , як і раніше, оскільки мають деякі особливі переваги.

Доповнення до інших відповідей:

Основна мета полягає в тому, щоб мати принаймні три фази, щоб ваш мотор запускався в очікуваному напрямку. Для однофазних індукційних двигунів необхідні деякі обхідні шляхи (наприклад, встановлення додаткової проводки за допомогою конденсатора, який використовується під час запуску). Це було правильно пояснено в попередніх відповідях.

Чому б не більше? Просто - це не потрібно і це генерує витрати. Це не тільки проблема проводів (тому використання міді, ізоляції), але і проблема конструкції. Чи можете ви уявити вежу для повітряних ліній, що має дев'ять фаз? Ну, напевно, можна - іноді можна зустріти вежі, що містять дві трифазні лінії, а то й більше:

(фото з Вікіпедії)

Основна проблема тут - забезпечити належну ізоляційну відстань між провідниками та провідниками та землею (або конструкцією вежі), що вимагає великого використання матеріалів.

Крім того, якщо у вас більше фаз, шанс невдачі вищий. Звичайно, у цьому випадку (скажімо - розбитий провідник) загальна асиметрія буде нижчою, але ризик необхідності відключення всієї лінії буде вище.

Побудувати генератор для більшої кількості фаз також складно. Як правило, гідрогенератори мають малу швидкість, і це багато полюсних пар, тому було б нормально не давати 24 полюсних пари, а одну або дві (наприклад, на 12 фаз), але це складно для теплових генератор-турбінних агрегатів. Зазвичай є одна полюсна пара, іноді дві. Це призводить до швидкості 3000 об / хв (для мережі 50 Гц). Статору необхідно отримати потужність від такої машини з найменшим можливим ризиком, тому менша кількість фаз означає менший шанс короткого замикання в свою чергу. Введення більшої кількості фаз вимагало б значно дорожчої конструкції статора.

Зауважте також, що навіть якщо сьогодні не проблема мати перетворювач частоти силової електроніки, також множувати фази, виправляти тощо, це була проблема лише 30 років тому, і більше звичайно. Тоді люди вирішили скористатися трьома фазами, а тепер переключитися неможливо.

Чому лише 3 фази? Ну а якщо нам потрібно більше фаз, ми можемо легко перетворити 3 фази в 6-фазну / 12-фазну тощо, використовуючи трансформатор, провідний для цього. Основне застосування більшої кількості фаз полягає в меншій напрузі пульсації в банку повного випрямленого конденсатора. Я ніколи не бачив жодного, але дізнався про них від давнього викладача в університеті, займаючись електротехнікою.

Також скажемо, що у нас була дельта-конфігурація з 3-х узгоджених резисторів, підключених до 3-фазного з'єднання. Потужність, яка використовується з часом, буде ідентичною резистору з постійним струмом, оскільки коли одна фаза становить 0%, то інші фази становитимуть 66,66% та 33,33%, якщо я правильно пам'ятаю. Цей взаємозв'язок також означає, що потужність від однієї фази повернеться до інших фаз. Чи не 3 фаза дивовижна!

Отже, підводячи підсумок, немає необхідності в додаткових фазах, оскільки ви можете легко перетворити його на більше фаз у вашому кінці. Зазвичай це не робиться, хоча 3 фаза вже приголомшлива.

Сподіваюсь, це допомагає.

Три фази мають дуже важливу властивість: якщо подивитися на потужність (V ^ 2 / R) через усі три фази і підсумувати їх, ця потужність КОНСТАНТНА протягом усього циклу. Це означає, що трифазні двигуни можуть працювати при постійній потужності, а генератори бачать постійне навантаження. 2 фаза недостатня для отримання цього взаємозв'язку.

Можна використати більш високу кількість фаз, але це коштує дорожче, і в більшості ситуацій це не дасть додаткової переваги. 3 фазу вибирають, оскільки це мінімальна кількість проводів з хорошими властивостями.

Багато інших відповідей помилково стверджують, що для надійного запуску двигуна або повороту в певному напрямку та використання постійної потужності вам потрібно 3 фази. Насправді це можна зробити з двома фазами, на відстані 90 ° одна від одної. Ви все одно отримуєте визначений напрямок та постійну потужність потужності протягом циклу.

Однак для такої двофазної системи знадобиться мінімум три дроти, але струм через три дроти не буде симетричним для навантаження постійної потужності. Тож якщо вам все-таки потрібні три дроти, який найкращий спосіб використовувати ці три дроти максимально ефективно та гнучко? Відповідь - трифазна система, яку ми фактично використовуємо. Замість однієї загальної та двох «гарячих» ліній на 90 ° поза фазою, у вас є три симетричні гарячі лінії, кожна на 120 ° поза фазою від двох інших. Зверніть увагу, що середня напруга (і струм для збалансованого навантаження) завжди дорівнює 0 для симетричної 3-фазної системи. Це не стосується двофазної системи.

Більше фаз не дає додаткових бажаних властивостей, тому просто додасть складності та вартості.

Напруга, безумовно, знаходиться між двома провідниками. Якщо у вас один провідник, у вас немає напруг. Ні напруги, ні живлення, нічого не відбувається. Не страшно корисно.

Якщо у вас два провідники, у вас є одна пара (2C2), яка дозволяє отримати одну напругу. Ми називаємо це однофазним. Тепер ми можемо насправді зробити щось, що є істотною перевагою перед наявністю лише одного провідника. Але ви можете зробити лише одне ; не можливі зміни в тому, як навантаження можна підключити. По-іншому, напруга має лише один вимір: це позитивне, або негативне. Одна поширена проблема полягає в тому, що якщо підключити однофазний двигун безпосередньо до лінії змінного струму, у вас немає гарантії того, яким способом він буде обертатися, чи взагалі.

Якщо у вас три провідники, у вас є три пари (3C2), що дозволяє три напруги. Ми називаємо це трифазним. Тепер ми можемо зробити три речі в різний час . Наприклад, у вас можуть бути три електромагніти, розташовані по колу, і вмикати їх усі в послідовності. Тепер ми можемо гарантувати, що мотор буде обертатися, і в якому напрямку. Це істотна перевага перед однофазним. По-іншому, тепер у нас є два виміри напруги; він представлений вектором у двовимірному просторі. Існують лише два можливі чіткі розташування провідників ((3-1)!), Що відповідає двом можливим напрямкам обертання.

Якщо розширити це на чотири провідники, у вас є шість пар (4C2), тому наступним кроком є ​​шестифазна напруга. Які переваги мали б шестифазні порівняно з трифазними? Ну, тепер є (4-1)! = 6 можливих чітких розташувань провідників, це означає, що якщо ви намагаєтеся змусити щось обертатися в площині, ви можете підключити речі таким чином, що не відповідає цьому. Тож якби у вас був шестимоточний індукційний двигун, можна було б підключити його таким чином, який би жахливо вібрував і обертався з половиною нормальної швидкості, а не просто вибирав той чи інший напрямок. Це не плюс.

Але припустимо, що ваш ротор мав три ступені свободи обертання замість одного. Завдяки шестифазному та відповідному механічному розташуванню магнітних полюсів, ви можете викликати обертання (кочення, нахил та похитування) у плаваючому сферичному роторі з фіксованим положенням. Оскільки такого, наскільки мені відомо, не існує, це насправді не кваліфікується як корисна програма. (Можливо, в середовищі нульового тяжіння, де магнітні полюси обходять якесь тіло? Але тоді, як вони всі підключені до тієї ж шестифазної лінії змінного струму?) Звичайно, у чотиривимірному просторі, де ми могли б мати така система і все ще переводить усі три напрямки обертання на інший навантаження поза нашим сферичним розташуванням статора / ротора, це розташування може бути корисним.

Тим часом, ще в просторі 3 + 1, я працюю у світі промислової енергетичної електроніки, і я бачив системи, які використовують тип трансформаторів фазового зсуву, про які говорили інші відповіді. Що стосується номенклатури, ніхто, з яким я говорив, не описав би використання трансформатора фазового зсуву, щоб генерувати ще три фази змінного струму поза фази, щоб створити "шестифазний". (На мою математику, у вас було б п'ятнадцятифазний, але це все ще не використовується мовою.) Запускаючи трифазний випрямляч у кришку, ви отримуєте шість імпульсів струму за цикл. Для такої системи ви отримаєте дванадцять імпульсів, так що така система буде називатися дванадцять імпульсною.

(Взагалі, дванадцять імпульсний випрямляч - це два шестиімпульсних випрямлячі. Якщо у вас є два приводи мотора, ви можете з'єднати їхні шини постійного струму безпосередньо між собою і подати кожен за допомогою іншого трифазного набору. Або ви можете отримати автономний випрямляч для одного набору і подає його вхід постійного струму в решту приводу.)

Якщо ви порівнюєте шестиімпульсний випрямляч з випрямлячем з дванадцятьма імпульсами, з однаковими навантаженнями, кожен імпульс струму повинен бути меншим, щоб компенсувати, що їх буде більше, що рухають однаковий навантаження. Це робить загальний струм, що виходить за межі лінії, трохи більше схожий на синусоїду, тобто гармоніки зменшуються. Пульсація на кришках також нижча, але я ніколи не знав, щоб хтось страшенно переймався цим.

Більше вдосконалення гармонік можна було б мати із вісімнадцять-імпульсною системою та трьома випрямлячами. (36-фазний!) При більш високих напругах і потужностях можуть існувати навіть більші кількості паралельних випрямлячів. У цьому документі на лінії напруги VFD середньої напруги посилається на 54-імпульсний випрямляч напругою 11 кВ!

TL; DR

Трифазна потужність дає нам один обертальний ступінь свободи, який є межею корисного в тривимірному просторі.

Ще одна проста причина: Додатковими фазами будуть "дві подібні" до існуючих. Якщо говорити інакше: будь-яка додаткова фаза буде просто лінійною комбінацією напруг серед існуючих трьох проводів - векторний простір, що охоплюється синусом і косинусом, просто двовимірний.

Іншим аспектом проблеми є питання геометрії провідника для ліній електропередач високого напруження. З трьома лініями проблеми індуктивності та індукованих перехресних струмів зводяться до мінімуму та легше фільтруються, ніж якби існували додаткові кратні провідники. Витрати продовжують зростати швидше, ніж вигоди з більшою кількістю диригентів.

Ліонель Бартольд, засновник Power Technologies, Inc., це добре пояснив:

" Чому трифазна потужність? Чому б не 6 або 12? "

Він каже, що, хоча він розробив системи більш високої фази, вони не практичні через, як ви кажете, зменшення віддачі, особливо що стосується більшої кількості трансформаторів, необхідних на підстанціях. Коли ви подвоюєте кількість фаз, вам також доведеться подвоїти кількість обладнання на підстанціях.