Почему трехфазное питание? Почему не большее количество фаз?

Есть ли причина, помимо исторических причин, что три фазы стали доминирующим числом фаз?

Я знаю о преимуществах по сравнению с одной фазой и двумя фазами, а именно: уменьшенное количество необходимого проводника и то, что двигатели могут обеспечивать крутящий момент при остановке (и меньшую пульсацию).

Это происходит исключительно из-за уменьшения отдачи при небольшом увеличении плавности приложения крутящего момента за счет увеличения сложности (увеличение числа проводов (хотя и меньшего размера CSA)).

Чтобы было ясно, все фазы распределены равномерно, то есть пять фаз разделены на 72 градуса.

В дополнение к ответу PlasmaHH, промышленность использует почти исключительно трехфазную энергию, поскольку для запуска и работы в известном направлении асинхронному двигателю требуется как минимум трехфазное питание. Однофазные асинхронные двигатели требуют хитрости с потерями, ненадежных и дорогих трюков, чтобы сделать то же самое (дополнительные обмотки, обмотки с потерями, чувствительный к скорости переключатель, конденсаторы и т. Д.).

Сетка снабжения основана на трех фазах, так как она является наиболее эффективной с точки зрения генерации и доставки. Например, для использования 9-фазной сетки потребуется 9 проводов для всей распределительной сети, что не будет экономически эффективным.

Упомянутые двигатели более высокого порядка не используют линейно генерируемые фазы. Для более точного управления шаговые двигатели используют больше фаз. Многофазные выпрямители высокого порядка часто разработаны с большим количеством «фаз», чтобы уменьшить пульсацию, но фазы генерируются локально путем сдвига фазы линейного входа с помощью некоторых средств, либо прямого сдвига LC, либо с помощью мотор-генераторной установки.

Когда у вас есть однофазное распределение мощности, вам нужна одна фаза и одно возвращение, оба несущие одинаковый ток.

Если вы вместо этого теперь используете симметричную трехфазную мощность, вы используете три фазы с одной третью несущей способности и можете избавиться от нейтрали. Это просто экономит немного денег в меди. Если вы теперь добавите больше фаз, вы больше не сможете экономить медь, а только добавите сложность.

Если у вас есть асимметричная трехфазная мощность, вы не можете избавиться от нейтрали, но она не должна быть в состоянии справиться со всем объединенным током всех трех фаз в ответ. Опять немного меди сохранено. Однако добавление большего количества фаз не уменьшит количество меди, необходимой для нейтрали.

Так что да, в конце концов, это больше затрат практически без выгоды в среднем приложении. Таким образом, вы найдете только более трех этапов для совершенно особых вещей.

Три - это наименьшее количество фаз, которые равномерно распределены по кругу и которые могут быть использованы для создания вращающегося магнитного поля в заданном направлении.

Любые дополнительные фазы требуют большего количества проводов и большего количества обмоток в асинхронном двигателе.

Две фазы могут создавать вращающееся магнитное поле, если они находятся на расстоянии 90 градусов друг от друга (« квадратура »). Трюки, генерирующие квадратуры, такие как конденсаторы , используются с асинхронными двигателями, которые работают от однофазного питания.

Двухфазная мощность оказывается лишенной преимуществ. Двигатели работают более плавно на трех фазах , а сбалансированная двухфазная требует четырех проводников, тогда как трехфазная требует только трех. То есть мы можем связать трехфазный генератор с трехфазным асинхронным двигателем, используя ровно три провода. Трехпроводное двухфазное возможно, но оно не будет сбалансированным. Два из проводников будут нести фазы, а третий проводник действует как нейтраль. Это означает, что один провод должен обрабатывать больше тока, поскольку он действует как возврат для двух других. Все три проводника под тремя фазами несут одинаковый ток: они сбалансированы.

По всем этим причинам три фазы представляют собой оптимум. Если задано, что электричество используется для асинхронных двигателей, более трех фаз бесполезно, а значит меньше трех.

Однако использовались двухфазные системы, а фазовые системы более высокого порядка, такие как шести- и двенадцатиперстные , продолжают использоваться, потому что они имеют некоторые особые преимущества.

Дополнение к другим ответам:

Основная цель состоит в том, чтобы наличие как минимум трех фаз позволяло вашему двигателю запускаться в ожидаемом направлении. Для однофазных асинхронных двигателей необходимы некоторые обходные пути (например, прокладка дополнительной проводки с использованием конденсатора, используемого при запуске). Это было правильно объяснено в предыдущих ответах.

Почему не больше? Просто - это не нужно, и это порождает затраты. Это не только проблема проводов (поэтому использование меди, изоляции), но и проблема строительства. Можете ли вы представить башню для воздушных линий с девятью фазами? Ну, возможно, вы можете - иногда можно встретить башни, которые содержат две трехфазные линии, или даже больше:

(фотография из Википедии)

Основной проблемой здесь является обеспечение надлежащего изолирующего расстояния между проводниками и проводниками и землей (или конструкцией башни), что требует широкого использования материалов.

Также, если у вас больше фаз, вероятность неудачи выше. Конечно, в этом случае (скажем, оборванный проводник) общая асимметрия будет ниже, но риск необходимости отключения всей линии будет выше.

Построить генератор для большего количества фаз также сложно. Как правило, гидрогенераторы с малой скоростью имеют много пар полюсов, поэтому было бы неплохо дать не 24 пары полюсов, а одну или две (например, для 12 фаз), но это сложно для тепловых генераторов-турбин. Обычно есть одна пара полюсов, иногда две. Это приводит к скорости 3000 об / мин (для сети 50 Гц). Статор должен получать энергию от такой машины с наименьшим возможным риском, поэтому меньшее количество фаз означает меньшую вероятность короткого замыкания в повороте. Введение большего количества фаз потребовало бы гораздо более дорогой конструкции статора.

Также обратите внимание, что даже если сегодня нет проблем с преобразователем частоты силовой электроники, а также с умножением фаз, выпрямлением и т. Д., Это было проблемой только 30 лет назад, и, конечно, еще больше. Тогда люди решили использовать три этапа, и теперь невозможно переключиться.

Почему только 3 фазы? Хорошо, если нам нужно больше фаз, мы можем легко преобразовать 3 фазы в 6 фаз / 12 фаз и т. Д., Используя трансформатор, подключенный для этого. Основное применение большего количества фаз заключается в уменьшении пульсаций напряжения в полностью заряженной конденсаторной батарее. Я никогда не видел ни одного, но узнал о них от древнего лектора в университете, занимаясь электротехникой.

Также допустим, что у нас была треугольная конфигурация из 3 согласованных резисторов, подключенных к 3-фазному соединению. Используемая со временем мощность будет идентична резистору с питанием от постоянного тока, потому что когда одна фаза равна 0%, две другие фазы будут на 66,66% и 33,33%, если я правильно помню. Это соотношение также означает, что мощность одной фазы будет возвращаться вниз по другим фазам. Разве это не 3 фазы удивительно!

Подводя итог, нет необходимости в дополнительных фазах, потому что вы можете очень легко преобразовать их в большее количество фаз в конце. Это обычно не делается, хотя 3-й этап уже потрясающий.

Надеюсь это поможет.

Три фазы имеют очень важное свойство: если вы посмотрите на мощность (V ^ 2 / R) на всех трех фазах и суммируете их, эта мощность ПОСТОЯННА на протяжении всего цикла. Это означает, что трехфазные двигатели могут работать с постоянной мощностью, а генераторы видят постоянную нагрузку. 2 фазы недостаточно, чтобы получить эти отношения.

Можно использовать более высокое число фаз, но это стоит дороже, и в большинстве случаев не дает никаких дополнительных преимуществ. 3 фазы выбраны потому, что это минимальное количество проводов с хорошими свойствами.

Во многих других ответах ошибочно указывается, что вам нужно 3 фазы для надежного запуска или вращения двигателя в определенном направлении, а также для использования постоянной мощности. На самом деле, это можно сделать с двумя фазами на 90 ° друг от друга. Вы по-прежнему получаете определенное направление и постоянное энергопотребление в течение цикла.

Однако такая двухфазная система потребует минимум трех проводов, но ток через эти три провода не будет симметричным для нагрузки постоянной мощности. Так что, если вам все равно нужны три провода, как лучше всего использовать эти три провода максимально эффективно и гибко? Ответ - трехфазная система, которую мы на самом деле используем. Вместо одной общей и двух «горячих» линий на 90 ° не в фазе, у вас есть три симметричные горячие линии, каждая на 120 ° не в фазе от двух других. Обратите внимание, что среднее напряжение (и ток для сбалансированной нагрузки) всегда равно 0 для симметричной 3-фазной системы. Это не относится к двухфазной системе.

Дополнительные фазы не дают вам никаких дополнительных желательных свойств, поэтому просто добавят сложность и стоимость.

Напряжение определенно находится между двумя проводниками. Если у вас есть один проводник, у вас нет напряжения. Нет напряжения, нет питания, ничего не происходит. Не очень полезно.

Если у вас два проводника, у вас есть одна пара (2C2), которая учитывает одно напряжение. Мы называем это однофазным. Теперь мы можем реально добиться успеха, что является существенным преимуществом по сравнению с одним проводником. Но вы можете сделать только одну вещь; нет возможных изменений в способе подключения нагрузки. Другими словами, есть только одно измерение напряжения: оно положительное или отрицательное. Одна из распространенных проблем заключается в том, что если вы подключите однофазный двигатель непосредственно к линии переменного тока, у вас нет гарантии, каким образом он будет вращаться или вообще будет вращаться.

Если у вас три провода, у вас есть три пары (3C2), что позволяет использовать три напряжения. Мы называем это трехфазным. Теперь мы можем сделать три вещи, в разное время . Например, вы можете иметь три электромагнита, расположенных по кругу, и включать их все по очереди. Теперь мы можем гарантировать, что двигатель будет вращаться и в каком направлении. Это существенное преимущество перед однофазным. Другими словами, теперь у нас есть два измерения напряжения; он представлен вектором в двухмерном пространстве. Есть только два возможных различных расположения проводников ((3-1)!), Что соответствует двум возможным направлениям вращения.

Если вы продлите это до четырех проводников, у вас будет шесть пар (4C2), поэтому следующим шагом будет шестифазное напряжение. Какие преимущества будет иметь шестифазный по сравнению с трехфазным? Ну, теперь есть (4-1)! = 6 возможных различных расположений проводников, что означает, что, если вы пытаетесь заставить что-то вращаться в плоскости, вы можете соединить вещи способом, который не согласуется с этим. Таким образом, если бы у вас был асинхронный двигатель с шестью обмотками, можно было бы подключить его таким образом, который бы ужасно вибрировал и вращался с половиной нормальной скорости, а не просто выбирал одно или другое направление. Это не плюс.

Но предположим, что ваш ротор имел три степени свободы вращения вместо одной. При шестифазном и соответствующем механическом расположении магнитных полюсов вы можете вызывать вращение (крен, наклон и рыскание) в плавающем сферическом роторе фиксированного положения. Поскольку, насколько мне известно, такой вещи не существует, это не может считаться полезным приложением. (Может быть, в среде с нулевой гравитацией, где магнитные полюсы вращаются вокруг какого-то тела? Но тогда как они все подключены к одной и той же шестифазной линии переменного тока?) Конечно, в четырехмерном пространстве, где мы могли бы такая система и все же переводить все три направления вращения на какую-то другую нагрузку за пределами нашего сферического расположения статор / ротор, это расположение может быть полезным.

Между тем, в пространстве 3 + 1 я работаю в области промышленной силовой электроники, и я видел системы, которые используют трансформаторы с фазовым сдвигом, о которых упоминали другие ответы. С точки зрения номенклатуры, никто из тех, с кем я говорил, не описал бы использование трансформатора с фазовым сдвигом для генерации еще трех несинфазных цепей переменного тока, которые создают «шестифазный». (По моей математике у вас было бы пятнадцать фаз, но этот язык все еще не использовался.) При трехфазном подключении через выпрямитель к крышке вы получаете шесть импульсов тока за цикл. Для системы такого типа вы получили бы двенадцать импульсов, поэтому такую ​​систему назвали бы двенадцатью импульсами.

(Как правило, двенадцатимпульсный выпрямитель - это два шестиимпульсных выпрямителя. Если у вас два электропривода, вы можете напрямую соединить их шины постоянного тока и питать каждый с различным трехфазным набором. Или вы можете получить автономный выпрямитель для одного комплекта и подает свой вход постоянного тока в оставшийся привод.)

Если вы сравниваете шестиимпульсный выпрямитель с двенадцатимпульсным выпрямителем с одинаковыми нагрузками, то каждый импульс тока должен быть меньше, чтобы компенсировать увеличение количества из них, приводящих одну и ту же нагрузку. Это делает общий ток вне линии более похожим на синусоидальную волну, то есть гармоники уменьшаются. Пульсация на колпачках также ниже, но я никогда не знал, чтобы кто-то был сильно обеспокоен этим.

Большие улучшения гармоник могут быть достигнуты с восемнадцати импульсной системой и тремя выпрямителями. (36-фазный!) При более высоких напряжениях и мощностях может существовать еще большее количество параллельных выпрямителей. В этом документе по линии ЧРП среднего напряжения упоминается 54-импульсный выпрямитель на 11 кВ!

TL; DR

Трехфазная мощность дает нам одну степень свободы вращения, которая является пределом того, что полезно в трехмерном пространстве.

Еще одна простая причина: дополнительные фазы будут «похожи» на две. Другими словами: любая дополнительная фаза будет просто линейной комбинацией напряжений между существующими тремя проводами - векторное пространство, охватываемое синусом и косинусом, является просто двумерным.

Другим аспектом проблемы является вопрос геометрии проводников для высоковольтных линий электропередачи. С тремя линиями проблемы индуктивности и индуцированных токов перекрестных помех сводятся к минимуму и легче фильтруются, чем если бы было дополнительное множество проводников. Затраты продолжают расти быстрее, чем выгоды с большим количеством проводников.

Лайонел Бартольд, основатель Power Technologies, Inc., хорошо объяснил это:

« Почему 3 фазы питания? Почему не 6 или 12? »

Он говорит, что, хотя он разработал системы с более высокой фазой, они не практичны из-за, как вы говорите, уменьшения отдачи, особенно в отношении всех дополнительных трансформаторов, необходимых на подстанциях. Когда вы удваиваете количество фаз, вы также должны удваивать количество оборудования на подстанциях.