Двухфазный ток. Двухфазная электрическая сеть: особенности, преимущества и недостатки

Что такое двухфазная электрическая сеть. Как она устроена. В чем ее отличия от однофазной и трехфазной сетей. Каковы преимущества и недостатки двухфазных сетей. Где они применяются сегодня.

Что представляет собой двухфазная электрическая сеть?

Двухфазная электрическая сеть — это система распределения электроэнергии, в которой используются два контура переменного тока, сдвинутых по фазе на 90 градусов относительно друг друга. Такие сети применялись в начале XX века на заре развития электроэнергетики.

Основные характеристики двухфазной сети:

• Два контура переменного тока
• Фазовый сдвиг между контурами 90°
• Обычно 4 провода (по 2 на каждую фазу)
• Реже 3 провода (с общим нулевым проводом увеличенного сечения)

В двухфазных генераторах часто использовались два отдельных ротора, повернутых на 90° относительно друг друга. Это обеспечивало необходимый фазовый сдвиг между контурами.

История возникновения двухфазных электрических сетей

Идея использования двухфазного тока для создания вращающего момента была впервые предложена французским физиком Домиником Араго в 1827 году. Однако практическое применение двухфазные системы получили значительно позже.

Ключевые этапы развития двухфазных сетей:

1. 1888 год — Никола Тесла описывает принципы двухфазных систем в своих патентах
2. Конец 1880-х — Тесла разрабатывает конструкцию двухфазного электродвигателя
3. 1890-е годы — компания Westinghouse начинает развивать двухфазные сети в США
4. Начало XX века — широкое применение двухфазных систем в электроэнергетике
5. 1910-1920-е годы — постепенное вытеснение двухфазных сетей трехфазными

Таким образом, эпоха расцвета двухфазных электрических сетей пришлась на конец XIX — начало XX века. В этот период они активно конкурировали с другими системами электроснабжения.

Преимущества двухфазных электрических сетей

По сравнению с однофазными системами двухфазные сети обладали рядом существенных преимуществ:

• Возможность плавного пуска электродвигателей
• Создание вращающегося магнитного поля
• Более высокий пусковой момент двигателей
• Меньшие пульсации мощности
• Простота анализа и проектирования на раннем этапе развития электротехники

Важным преимуществом было то, что двухфазные двигатели могли создавать вращающий момент при нулевой скорости ротора. Это было невозможно для однофазных асинхронных двигателей без специальных пусковых устройств.

Недостатки и ограничения двухфазных сетей

Несмотря на преимущества, двухфазные системы имели ряд существенных недостатков по сравнению с трехфазными:

• Необходимость в 4 проводах для передачи энергии
• Больший расход проводникового материала
• Меньшая передаваемая мощность при том же напряжении
• Несимметричность системы при использовании 3 проводов
• Значительный ток в нейтральном проводе

Из-за этих ограничений двухфазные сети постепенно были вытеснены более эффективными трехфазными системами. Трехфазные сети позволяли передавать больше мощности при меньших потерях и затратах на проводниковые материалы.

Сравнение двухфазных и трехфазных электрических сетей

Основные различия между двухфазными и трехфазными системами:

Параметр	Двухфазная система	Трехфазная система
Число фаз	2	3
Фазовый сдвиг	90°	120°
Число проводов	3 или 4	3 или 4
Симметричность	Несимметричная	Симметричная
Ток в нейтрали	Значительный	Отсутствует при симметричной нагрузке
Передаваемая мощность	Меньше	Больше

Трехфазные системы оказались более эффективными и экономичными для передачи электроэнергии на большие расстояния. Это стало ключевым фактором их повсеместного внедрения.

Современное применение двухфазных электрических систем

Несмотря на то, что в энергетике двухфазные сети практически не используются, они нашли применение в некоторых специализированных областях:

• Системы управления электроприводами
• Сервоприводы и шаговые двигатели
• Авиационные электрические системы
• Лабораторное и измерительное оборудование
• Некоторые типы сварочного оборудования

В этих сферах двухфазные системы используются благодаря простоте управления и хорошим динамическим характеристикам двухфазных двигателей. Однако их применение ограничено специальными задачами.

Преобразование трехфазного тока в двухфазный

Для питания двухфазных устройств от трехфазной сети используется схема трансформатора Скотта. Она позволяет получить двухфазное напряжение со сдвигом фаз 90° из трехфазного источника.

Особенности схемы Скотта:

• Использует два однофазных трансформатора
• Первичные обмотки подключаются к трехфазной сети
• Вторичные обмотки формируют двухфазное напряжение
• Обеспечивает симметричную нагрузку трехфазной сети

Схема Скотта позволяет эффективно согласовать трехфазные и двухфазные системы. Она применяется, например, для питания железных дорог с двухфазной тяговой сетью от трехфазных линий электропередачи.

Двухфазная электрическая сеть | это… Что такое Двухфазная электрическая сеть?

Упрощённый рисунок двухфазного генератора переменного тока и график двухфазного напряжения

Двухфазные электрические сети применялись в начале 20-го века в электрических распределительных сетях переменного тока. В них применялись два контура, напряжения в которых были сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90 градусов. Обычно в контурах использовались 4 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 соответствующего 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.

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.

См. также

• Двухфазный двигатель

Примечания

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

• 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

Двухфазная электрическая сеть — Wikiwand

• ВведениеДвухфазная электрическая сеть
• Двухфазный электрический ток
• См. также
• Примечания
• Ссылки

Двухфа́зные электри́ческие се́ти применялись в начале XX века в электрических распределительных сетях переменного тока.

Упрощённая схема двухфазного генератора переменного тока и график двухфазного напряжения.
H{\displaystyle H} — внешнее постоянное магнитное поле.

В них применялись два контура, напряжения в которых были сдвинуты по фазе друг относительно друга на π2{\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} (90 электрических 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, пространственно повёрнутыми на 90°.

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 предложен в 1918 году), который впоследствии дал инженерам удобный математический инструмент для анализа несимметричных режимов нагрузки многофазных электрических систем.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое в двухфазных системах, позволяло электромоторам создавать вращающий момент при остановленном роторе электродвигателя, что невозможно в однофазных асинхронных электромоторах (без применения специальных пусковых средств). Асинхронные двигатели, применяемые в двухфазных системах, 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 в большинстве применений впоследствии были вытеснены трёхфазными в электрических распределительных сетях, однако они до сих пор используются в некоторых системах управления, в сервоприводах.

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 большей 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 электрических проводников. Но могут использоваться и три проводника, однако по общему проводу двух фазных контуров 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 использование трёх проводников удобнее, чем использование четырёх, поскольку это даёт 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.

В некоторых странах (например, в Японии) схему Скотта используют для питания железных дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока промышленной частоты. В этом случае в контактной сети чередуются только две фазы, а не три. На двухпутных дорогах пути разных направлений могут на всём протяжении питаться каждый от своей фазы двухфазной сети, что позволяет избавиться от чередования фаз по ходу следования поезда и устройства нейтральных вставок (хотя это усложняет работу станций). В России такая система не получила распространения.

2-фазный и 3-фазный — нулевой список недостатков

David
Etukudo

Предоставлено CyberPower

2-фазное и 3-фазное электричество являются распространенными конфигурациями передачи электроэнергии из одного места в другое. Хотя обе они являются системами переменного тока, каждая из них имеет функции, подходящие для определенных приложений. В этой статье мы предоставим обзор каждого типа фазы, сравним двухфазное и трехфазное питание и рассмотрим часто задаваемые вопросы.

2-фазная система питания

2-фазная система распределения электроэнергии была разработана в начале 20-го ^-го -го века как усовершенствование однофазной системы. Как правило, эта система обеспечивает питание с использованием двух цепей с разницей фаз напряжения 90° между ними. В результате он обеспечивает постоянную мощность на валу при идеальной нагрузке и хороший пусковой момент для работы асинхронного двигателя. Это сводит к минимуму разрушительную пульсирующую мощность и потребность в дополнительных пусковых средствах, характерных для однофазных энергосистем. Вначале двухфазное питание использовало два провода на фазу (один под напряжением, один нейтраль), что в сумме составляло четыре провода. В целях экономии проводки она превратилась в трехпроводную систему с одной нейтралью для возврата тока от нагрузки. Однако этот нейтральный провод должен быть больше, так как по нему проходит более 50% тока, протекающего в каждом из фазных проводов.

Предоставлено: EEP

Это ограничение сделало 2-фазную систему менее популярной, особенно с появлением 3-фазного источника питания.

3-фазное питание

3-фазное питание — это система с самым высоким уровнем внедрения для промышленного использования благодаря нескольким желательным характеристикам. Во-первых, по трем проводникам течет переменный ток одинакового напряжения и частоты, но с разницей фаз 120°. В результате он может обеспечить большую мощность, чем 2-фазная конфигурация, для оборудования с более высокими требованиями, такого как 3-фазные двигатели. Кроме того, он также имеет преимущество плавной выходной мощности и хорошего пускового момента для двигателей. Примечательно, что трехфазная система является единственной конфигурацией питания, которая может работать без нейтрали. В целях предосторожности в большинстве трехфазных систем используется четыре провода, включая нейтраль, а не трехпроводная конфигурация без нейтрали.

Предоставлено: Hyperphysics

2-фазное и 3-фазное электричество

2-фазное и 3-фазное электричество обеспечивают хороший пусковой момент для двигателей и более плавную выходную мощность двигателей по сравнению с однофазными системами. Обе системы также могут иметь в своей настройке три или четыре провода. Однако между обеими конфигурациями есть некоторые различия, как показано в таблице ниже.

2-фазный	3-фазный
Имеет только два проводника, поэтому мощность передачи обычно не превышает 10 кВт.	Возможность передачи большей мощности благодаря наличию трех проводников. Как правило, он устанавливается, когда потребление электроэнергии объектом превышает 10 кВт.
Поскольку проводники сдвинуты по фазе на 90°, система разбалансирована. Таким образом, в нейтрали всегда присутствует значительный ток.	Разность фаз 120° обеспечивает сбалансированную систему. В результате ток в нейтрали отсутствует при правильной работе.
Хотя двухфазное электричество обеспечивает более плавную выходную мощность, чем однофазное, остается вероятность пульсаций мощности.	Трехфазное электричество полностью исключает возможность пульсаций напряжения. Таким образом, это идеальный вариант для запуска двигателей.
Как правило, дороже из-за стоимости материала счетчика и проводника.	При использовании 3-фазной сети дешевле передавать ту же мощность при тех же перепадах напряжения, что и в 2-фазной системе.
Невозможно использовать 2-фазный ток для обслуживания 3-фазной системы распределения электроэнергии.	Соединение Скотта между двумя трансформаторами может преобразовывать 3-фазный ток в 2-фазную систему.

2-фазное и 3-фазное

Часто задаваемые вопросы о 2-фазном и 3-фазном

Из-за сходства между 2-фазным и 3-фазным электричеством часто возникают вопросы о них, которые рассматриваются в этом разделе. .

В чем разница между двухфазным и трехфазным двигателем?

Основное различие между 2-фазным и 3-фазным двигателем заключается в том, что генератор 2-фазного двигателя имеет две обмотки, расположенные под углом 90° друг к другу. В то время как расположение трех обмоток трехфазного двигателя с интервалом 120°. Из-за этого двухфазный двигатель остается склонным к пульсациям мощности, тогда как отдача от трехфазного двигателя более плавная.

Может ли трехфазный двигатель работать от двухфазной сети?

В некоторых случаях да. Если одна фаза выходит из строя при работе трехфазного двигателя, он все равно будет работать с двухфазным питанием, но с меньшей эффективностью. Однако использование двухфазного источника питания для запуска трехфазного двигателя не сработает, поскольку цепь статора не будет создавать вращающееся магнитное поле.

Почему нет двухфазного двигателя?

Несмотря на то, что как 2-фазная, так и 3-фазная система имеют постоянную общую мощность для идеальной нагрузки, 2-фазные двигатели испытывают пульсации мощности. Это происходит из-за дисбаланса магнитного поля. В результате увеличивается механический шум и крутильные колебания в двигателе. Как правило, 2-фазные системы были заменены 3-фазными системами в большинстве приложений.

Почему 3 фазы? Почему не двухфазный? Почему не 4 фазы?

Возможно, вы просто знаете ответ или где-то подсчитывали… но все же время от времени я слышу о дискуссиях о ..

• Почему наши системы электроснабжения трехфазные?
• Почему не двухфазный?
• Почему не 4-фазный?
• …..
• Да разве это важно?

Очевидно, что трехфазный кабель использует меньше проводников, чем четырехфазный, но больше, чем двухфазный.

• Это чисто экономический компромисс?
• Является ли это очевидным аргументом «электрических гуру» прошлых лет, когда один «случайно» выиграл, а другой проиграл? Наша электрическая система может быть основана на том, кто лучше спорит!

Итак, я решил провести фундаментальный математический анализ напряжения, мощности тока и энергии. Анализ дает некоторые «очевидные» математические расчеты, чтобы развеять мифы и недоразумения.

https://ideology.atlassian.net/l/cp/Zu0Yzw5c

Думаю, можно с уверенностью сказать, что уже слишком поздно начинать какое-либо стоящее обсуждение, не говоря уже о том, чтобы влиять на какие-либо решения, если кажется, что мы сделали что-то не так. !

Но эта тема, вероятно, обычно не обсуждается или не рассматривается просто потому, что «это то, что есть! Даже если бы мы должны были, мы не можем изменить это сейчас!»

Упрощенный взгляд, с которого я начинаю, всегда звучит так: «Если это не сломано, не чините это!». Я думаю, что этот анализ показывает, что она не нарушена и на самом деле является лучшей производительностью И самой низкой стоимостью передачи энергии по проводу

Итог

1. Двухфазные системы могут передавать вдвое больше мощности, чем однофазные … после все двойное количество проводов!
2. Как однофазные, так и двухфазные системы не имеют постоянного потока мощности и передачи энергии в течение цикла.
3. Трехфазные системы переносят трехфазное питание как однофазное… очевидно, 3 провода!
4. Трехфазные системы имеют постоянный поток мощности и передачу энергии на протяжении всего цикла.

Таким образом, трехфазное питание имеет смысл!

Какой сюрприз! К счастью, мы десятилетиями поступаем правильно….

• Компоненты последовательности. Три трехфазных значения в сумме равны нулю?

  4 сентября 2022 г.

• Прекратите использовать 81R .. его не существует!

  17 июля 2022 г.

• Развеять (иррациональный) страх или неуверенность по поводу использования GOOSE и всего, что связано с IEC 61850.

  ..

  7 июля 2022 г.

• Авторское право… мы действительно должны заморачиваться?

  29 мая 2022 г.

• Что происходит при взломе системы управления одним из крупнейших в мире объектов критической энергетической инфраструктуры?

  17 июля 2018 г.

• История и будущее IEC 61850

  31 июля 2017 г.