Двухфазная электрическая сеть

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Упрощённый рисунок двухфазного генератора переменного тока и график двухфазного напряжения

Двухфазные электрические сети применялись в начале XX века в электрических распределительных сетях переменного тока. В них применялись два контура, напряжения в которых были сдвинуты по фазе друг относительно друга на \frac {\pi}{2} или на 90 градусов. Обычно в контурах использовались четыре линии — по две на каждую фазу. Реже применялся один общий провод, имевший больший диаметр, чем два других провода. Некоторые из наиболее ранних двухфазных генераторов имели по два полноценных ротора с обмотками, физически повёрнутыми на 90 градусов.

Впервые идеи использования двухфазного тока для создания вращающего момента были высказаны Домиником Араго в 1827 году. Практическое применение было описано Николой Тесла в его патентах от 1888 года, примерно тогда же им была разработана конструкция двухфазного электродвигателя. Далее эти патенты были проданы компании Вестингауза, которая начала развивать двухфазные сети с США. Позднее эти сети были вытеснены трёхфазными, теория которых разрабатывалась русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, работавшим в Германии в компании AEG. Однако, благодаря тому, что в патентах Теслы содержались общие идеи использования многофазных цепей, компании Вестингауза некоторое время удавалось сдерживать их развитие с помощью патентных судебных процессов[1].

Преимуществом двухфазных сетей было то, что они допускали простой, мягкий пуск электрических двигателей. На заре электротехники эти сети с двумя отдельными фазами были более просты для анализа и разработки.[2] Тогда ещё не был создан метод симметричных составляющих (он был изобретён в 1918 году), который впоследствии дал инженерам удобный математический инструментарий для анализа несимметричных режимов нагрузки многофазных электрических систем.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое в двухфазных системах, позволяло электромоторам создавать вращающий момент от нулевой частоты вращения мотора, что не было возможным в однофазных асинхронных электромоторах (без специальных пусковых средств). Асинхронные двигатели, разработанные для двухфазных систем, имеют ту же конфигурацию обмоток, что и однофазные двигатели с пусковым конденсатором.

Для трёхфазной электрической сети требуются линии с меньшей массой проводящих материалов (как правило, металлов) при том же самом напряжении и большей передаваемой мощности, в сравнении с двухфазной четырёхпроводной системой.[3] Двухфазные линии были вытеснены трёхфазными в электрических распределительных сетях, однако они до сих пор используются в некоторых системах управления.

Передаваемая мгновенная активная мощность в трёхфазных и двухфазных электрических сетях постоянна при симметричной нагрузке. Однако в однофазных сетях мгновенная активная мощность колеблется с частотой, в два раза бо́льшей частоты напряжения в линии. Эти пульсации мощности приводят к повышенному шуму и механическим вибрациям в электрооборудовании с намагничивающимися материалами из-за магнитострикционного эффекта, а также к вращательным вибрациям валов электродвигателей.

Схема трансформатора Скотта

Двухфазные контуры обычно используют две отдельные пары токонесущих проводников. Могут использоваться и три проводника, однако по общему проводу течёт векторная сумма фазных токов, и поэтому общий провод должен иметь больший диаметр. В отличие от этого, в трёхфазных сетях при симметричной нагрузке векторная сумма фазных токов равна нулю, и поэтому в этих сетях возможно использовать три линии одинакового диаметра. Для электрических распределительных сетей требование трёх проводящих линий лучше, чем требование четырёх, поскольку это даёт значительную экономию в стоимости проводящих линий и в расходах по их установке.

Двухфазное напряжение может быть получено от трёхфазного источника путём соединения однофазных трансформаторов по так называемой схеме Скотта. Симметричная нагрузка в такой трёхфазной системе в точности эквивалентна симметричной трёхфазной нагрузке.

Двухфазный электрический ток[править | править вики-текст]

Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол \frac {\pi}{2}, или на 90 °:

i_1 = I_m \sin \omega t;

i_2 = I_m \sin ( \omega t - \frac {\pi}{2} ).

Если две катушки индуктивности расположить в пространстве так, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны и систему катушек питать двухфазным током, то в системе создастся два магнитных потока:

\Phi_1 = \Phi_m \sin \omega t;

\Phi_2 = \Phi_m \sin ( \omega t - \frac {\pi}{2} ).

Так как магнитные потоки пространственно расположены под углом 90 ° друг к другу, поэтому результирующий магнитный поток будет равен их геометрической сумме:

\Phi_0 = \sqrt {\Phi_m \sin (\omega t )^2 + \Phi_m \sin (\omega t - \frac {\pi}{2} )^2}.

Но \Phi_m \sin (\omega t - \frac {\pi}{2} ) = - \Phi_m \cos \omega t, поэтому \Phi_0 = \sqrt {\Phi_m \sin (\omega t )^2 + (- \Phi_m \sin (\omega t - \frac {\pi}{2} )^2)}, или \Phi_0= \Phi_m

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Ржонсницкий Б. Н. Никола Тесла — 1959. — 224 с., — 40 000 экз.
  2. Thomas J. Blalock The first polyphase system — a look back at two-phase power for ac distribution, in IEEE Power and Energy Magazine, March-April 2004, ISSN 1540-7977 pg. 63
  3. Terrell Croft and Wilford Summers (ed), American Electricans' Handbook, Eleventh Edition, McGraw Hill, New York (1987) ISBN 0-07-013932-6 page 3-10, figure 3-23

Ссылки[править | править вики-текст]

  • Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition,McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07-020974-X
  • Edwin J. Houston and Arthur Kennelly, Recent Types of Dynamo-Electric Machinery, copyright American Technical Book Company 1897, published by P.F. Collier and Sons New York, 1902