Трехфазный мотор в однофазную сеть: Включение 3-х фазного двигателя в однофазную сеть, от теории к практике

Трехфазная электроэнергия является распространенным методом передачи электроэнергии. Это тип многофазной системы, в основном используемый для питания двигателей и многих других устройств. Трехфазная система использует меньше проводящего материала для передачи электрической энергии, чем эквивалентные однофазные, двухфазные или системы постоянного тока при одном и том же напряжении.

В трехфазной системе три проводника цепи несут три переменных тока (одинаковой частоты), которые достигают своих мгновенных пиковых значений в разное время.Принимая один проводник в качестве эталона, два других тока задерживаются во времени на одну треть и две трети одного цикла электрического тока. Эта задержка между «фазами» обеспечивает постоянную передачу мощности в течение каждого цикла тока, а также позволяет создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателе.

Трехфазные системы могут иметь или не иметь нейтральный провод. Нейтральный провод позволяет трехфазной системе использовать более высокое напряжение, в то же время поддерживая однофазные приборы низкого напряжения.В ситуациях распределения высокого напряжения обычно не требуется иметь нейтральный провод, так как нагрузки могут быть просто подключены между фазами (фазово-фазовое соединение).

Трехфазный имеет свойства, которые делают его очень желательным в электроэнергетических системах. Во-первых, фазные токи имеют тенденцию взаимно компенсировать друг друга, суммируя до нуля в случае линейной сбалансированной нагрузки. Это позволяет устранить нейтральный проводник на некоторых линиях; все фазные проводники несут одинаковый ток и поэтому могут быть одинакового размера для сбалансированной нагрузки.Во-вторых, передача мощности в линейную сбалансированную нагрузку постоянна, что помогает снизить вибрации генератора и двигателя. Наконец, трехфазные системы могут создавать магнитное поле, которое вращается в заданном направлении, что упрощает конструкцию электродвигателей. Три — самый низкий фазовый порядок, чтобы продемонстрировать все эти свойства.

Большинство бытовых нагрузок однофазные. Обычно трехфазное питание либо вообще не поступает в домашние дома, либо там, где оно происходит, оно распределяется на главном распределительном щите.

На электростанции электрический генератор преобразует механическую энергию в набор переменных электрических токов, по одному от каждой электромагнитной катушки или обмотки генератора. Токи являются синусоидальными функциями времени, все на одной частоте, но смещены во времени, чтобы дать разные фазы. В трехфазной системе фазы разнесены на равные, что дает фазовое разделение на одну треть цикла. Частота питания обычно составляет 50 Гц в Азии, Европе, Южной Америке и Австралии, и 60 Гц в США и Канаде (но для получения более подробной информации см. Раздел «Сетевые системы питания»).

Выходная мощность генераторов варьируется от сотен вольт до 30000 вольт. На электростанции трансформаторы «повышают» это напряжение до еще одного, пригодного для передачи.

После многочисленных дальнейших преобразований в передающей и распределительной сети мощность, наконец, преобразуется в стандартное напряжение сети (, то есть , «домашнее» напряжение). Возможно, на данный момент мощность уже разделена на одну фазу, или она все еще может быть трехфазной.Если понижение напряжения является трехфазным, выход этого трансформатора обычно соединен звездой со стандартным напряжением сети (120 В в Северной Америке и 230 В в Европе и Австралии), являющимся напряжением нейтрали фазы. Другая система, обычно встречающаяся в Северной Америке, — иметь вторичную соединенную треугольником с центральным отводом на одной из обмоток, питающих землю и нейтраль. Это позволяет обеспечить трехфазное напряжение 240 В, а также три разных однофазных напряжения (120 В между двумя фазами и нейтралью, 208 В между третьей фазой (известной как верхняя ветвь) и нейтралью и 240 В между любыми двумя фазами). быть доступным из того же источника.

Однофазные нагрузки могут быть подключены к трехфазной системе, либо путем подключения через два проводника под напряжением (межфазное соединение), либо путем подключения между проводником фазы и нейтралью системы, которая либо подключена к центр вторичной обмотки Y (звезда) питающего трансформатора или соединен с центром одной обмотки дельта-трансформатора (система Highleg Delta). Однофазные нагрузки должны быть равномерно распределены между фазами трехфазной системы для эффективного использования трансформатора питания и проводов питания.

Напряжение между линиями трехфазной системы в 3 раза больше напряжения линии к нейтрали. В тех случаях, когда напряжение между цепью и нейтралью является стандартным напряжением использования (например, в системе 240 В / 415 В), отдельные однофазные потребители или нагрузки могут быть подключены к отдельной фазе источника питания. Если напряжение между цепью и нейтралью не является обычным напряжением, например, в системе 347/600 В, однофазные нагрузки должны подаваться отдельными понижающими трансформаторами.В многоквартирных жилых зданиях в Северной Америке, освещение и удобные розетки могут быть подключены к линии-нейтрали, чтобы обеспечить распределение напряжения 120 В (рабочее напряжение 115 В) и нагрузки большой мощности, такие как кухонное оборудование, отопление помещений, водонагреватели или кондиционер может быть подключен к двум фазам для получения напряжения 208 В. Эта практика достаточно распространена, чтобы однофазное оборудование на 208 В было легко доступно в Северной Америке. Попытки использовать более распространенное оборудование на 120/240 В, предназначенное для трехпроводного однофазного распределения, могут привести к плохим характеристикам, так как нагревательное оборудование на 240 В будет давать только 75% его номинальной мощности при работе на 208 В.

Если иным образом используется трехфазная система при низком напряжении, она все равно может быть разделена на однофазные сервисные кабели через соединения в сети питания или может быть доставлена ​​на главный распределительный щит (панель выключателя) в помещении клиента. При подключении электрической цепи от одной фазы к нейтрали обычно подается стандартное однофазное напряжение страны (120 В переменного тока или 230 В переменного тока) в цепь.

Сетка передачи электроэнергии организована таким образом, что каждая фаза несет одинаковую величину тока из основных частей системы передачи.Все токи, которые возвращаются из помещения потребителя к последнему трансформатору питания, имеют общий нейтральный провод, но трехфазная система гарантирует, что сумма возвращаемых токов равна приблизительно нулю. Разностная разводка первичной стороны этого питающего трансформатора означает, что на стороне высокого напряжения сети не требуется нейтрали.

Если нейтраль питания трехфазной системы с подключенными к линии-нейтрали нагрузками нарушена, обычно баланс напряжения на нагрузках больше не будет поддерживаться.Слегка нагруженные фазы могут воспринимать до 3 (три) напряжения, равного номинальному, вызывая перегрев и выход из строя многих типов нагрузок. Например, если несколько домов подключены к общему трансформатору на улице, каждый дом может быть подключен к одной из трех фаз. Если на трансформаторе разрывается нейтральное соединение, все оборудование в доме может быть повреждено из-за перенапряжения. Такие события трудно отследить, если не осознавать такую ​​возможность. При индуктивной и / или емкостной нагрузке все фазы могут пострадать, особенно с возможностью возникновения резонансов.Консервативный дизайн распределения примет эту проблему во внимание, чтобы гарантировать, что нейтральные соединения так же надежны, как и любые фазовые соединения.

Вращающееся магнитное поле трехфазного двигателя

Наиболее важным классом трехфазной нагрузки является электродвигатель. Трехфазный асинхронный двигатель имеет простую конструкцию, высокий стартовый крутящий момент и высокую эффективность. Такие двигатели применяются в промышленности для насосов, вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, конвейерных приводов и многих других видов моторного оборудования.Трехфазный двигатель будет более компактным и менее дорогим, чем однофазный двигатель того же класса напряжения и номинальной мощности; и однофазные двигатели переменного тока мощностью более 10 л.с. (7,5 кВт) встречаются редко. Трехфазные двигатели также будут меньше вибрировать и, следовательно, будут работать дольше, чем однофазные двигатели той же мощности, что и в тех же условиях.

В крупных кондиционерах и т. Д. Оборудование использует трехфазные двигатели из соображений эффективности, экономичности и долговечности.

Нагревательные резистивные нагрузки, такие как электрические котлы или отопление помещений, могут быть подключены к трехфазным системам.Электрическое освещение также может быть подключено аналогичным образом. Эти типы нагрузок не требуют характеристики вращающегося магнитного поля трехфазных двигателей, но используют преимущество более высокого напряжения и уровня мощности, обычно связанного с трехфазным распределением. Флуоресцентные системы освещения также выигрывают от уменьшения мерцания, если соседние светильники питаются от разных фаз.

Большие выпрямительные системы могут иметь трехфазные входы; Результирующий постоянный ток легче фильтровать (сглаживать), чем выход однофазного выпрямителя.Такие выпрямители могут использоваться для зарядки аккумуляторов, процессов электролиза, таких как производство алюминия, или для работы двигателей постоянного тока.

Интересным примером трехфазной нагрузки является электродуговая печь, используемая при выплавке стали и при переработке руд.

В большинстве стран Европы печи рассчитаны на трехфазную подачу. Обычно отдельные нагревательные элементы подключаются между фазой и нейтралью, чтобы обеспечить подключение к однофазному источнику питания. Во многих регионах Европы единственным доступным источником энергии является однофазное питание.

Иногда преимущества трехфазных двигателей делают целесообразным преобразование однофазной мощности в трехфазную. Мелкие клиенты, такие как жилые или фермерские дома, могут не иметь доступа к трехфазному источнику питания или могут не захотеть оплачивать дополнительные расходы на трехфазное обслуживание, но могут по-прежнему использовать трехфазное оборудование. Такие преобразователи могут также позволять изменять частоту, позволяя регулировать скорость. Некоторые локомотивы переходят на многофазные двигатели, приводимые в действие такими системами, даже несмотря на то, что поступающий в локомотив почти всегда постоянный или однофазный ток.

Поскольку однофазная мощность падает до нуля в каждый момент, когда напряжение пересекает ноль, а трехфазная мощность непрерывно обеспечивает мощность, любой такой преобразователь должен иметь способ накапливать энергию в течение необходимой доли секунды.

Одним из способов использования трехфазного оборудования в однофазном источнике питания является вращающийся фазовый преобразователь, по существу трехфазный двигатель со специальными пусковыми устройствами и коррекцией коэффициента мощности, который создает сбалансированные трехфазные напряжения. При правильной конструкции эти вращающиеся преобразователи могут обеспечить удовлетворительную работу трехфазного оборудования, такого как станки, на однофазном источнике питания.В таком устройстве накопление энергии осуществляется за счет механической инерции (эффект маховика) вращающихся компонентов. Внешний маховик иногда встречается на одном или обоих концах вала.

Вторым методом, который был популярен в 1940-х и 50-х годах, был метод, который получил название «метод трансформатора». В тот период времени конденсаторы были дороже по сравнению с трансформаторами. Таким образом, автотрансформатор использовался для подачи большей мощности через меньшее количество конденсаторов. Этот метод работает хорошо и имеет сторонников, даже сегодня.Использование метода преобразования имен отделило его от другого распространенного метода — статического преобразователя, поскольку оба метода не имеют движущихся частей, что отделяет их от вращающихся преобразователей.

Другой часто используемый метод — это устройство, называемое статическим фазовым преобразователем. Этот метод работы трехфазного оборудования обычно используется для нагрузок двигателя, хотя он обеспечивает только 2/3 мощности и может вызвать перегрев нагрузок двигателя и в некоторых случаях перегрев. Этот метод не будет работать, когда задействованы чувствительные схемы, такие как устройства с ЧПУ, или при нагрузках индукционного и выпрямительного типа.

Созданы некоторые устройства, которые создают имитацию трехфазной из трехпроводных однофазных источников питания. Это делается путем создания третьей «субфазы» между двумя проводниками под напряжением, что приводит к разделению фаз на 180 ° — 90 ° = 90 °. Многие трехфазные устройства будут работать в этой конфигурации, но с меньшей эффективностью.

Преобразователи частоты (также называемые твердотельными инверторами) используются для обеспечения точного управления скоростью и крутящим моментом трехфазных двигателей. Некоторые модели могут питаться от однофазного источника питания.ЧРП работают путем преобразования напряжения питания в постоянный ток, а затем преобразования постоянного тока в подходящий трехфазный источник для двигателя.

Цифровые фазовые преобразователи — это новейшая разработка в технологии фазовых преобразователей, которая использует программное обеспечение в мощном микропроцессоре для управления твердотельными компонентами силовой коммутации. Этот микропроцессор, называемый процессором цифрового сигнала (DSP), контролирует процесс преобразования фазы, постоянно настраивая модули ввода и вывода преобразователя для поддержания сбалансированной трехфазной мощности при любых условиях нагрузки.

• Трехпроводное однофазное распределение полезно, когда трехфазное питание недоступно, и позволяет удвоить нормальное рабочее напряжение, подаваемое для мощных нагрузок.
• Двухфазная мощность, как и трехфазная, обеспечивает постоянную передачу мощности на линейную нагрузку. Для нагрузок, которые соединяют каждую фазу с нейтралью, предполагая, что нагрузка является одинаковой потребляемой мощностью, двухпроводная система имеет ток нейтрали, который больше, чем ток нейтрали в трехфазной системе.Также двигатели не являются полностью линейными, что означает, что, несмотря на теорию, двигатели, работающие на трехфазном двигателе, как правило, работают более плавно, чем на двухфазном. Генераторы на Ниагарском водопаде, установленные в 1895 году, были крупнейшими генераторами в мире в то время и представляли собой двухфазные машины. Истинное двухфазное распределение мощности по сути устарело. Системы специального назначения могут использовать двухфазную систему управления. Двухфазная мощность может быть получена из трехфазной системы с использованием компоновки трансформаторов, называемых трансформатором Скотта-Т.
• Моноциклическая мощность была названа в честь асимметричной модифицированной двухфазной системы питания, используемой General Electric в 1897 году (отстаиваемой Чарльзом Протеем Штайнметцем и Элиу Томсоном; по сообщениям, такое использование было предпринято во избежание нарушения патента). В этой системе генератор наматывался на однофазную обмотку полного напряжения, предназначенную для освещения нагрузок, и на небольшую (обычно четверть линейного напряжения) обмотку, которая создавала напряжение в квадратуре с основными обмотками. Предполагалось использовать эту дополнительную обмотку «силовой провод» для обеспечения пускового момента для асинхронных двигателей, а основная обмотка обеспечивает питание для осветительных нагрузок.После истечения срока действия патентов Westinghouse на симметричные двухфазные и трехфазные системы распределения энергии, моноциклическая система вышла из употребления; это было трудно проанализировать и не продлилось достаточно долго, чтобы обеспечить удовлетворительное измерение энергии.
• Были построены и испытаны системы высокого порядка для передачи энергии. Такие линии электропередачи используют 6 или 12 фаз и методы проектирования, характерные для линий электропередачи сверхвысокого напряжения. Линии передачи высокого фазового порядка могут обеспечивать передачу большей мощности через заданную линию отвода без использования преобразователя HVDC на каждом конце линии.

Многофазная система — это средство распределения электроэнергии переменного тока. Многофазные системы имеют три или более электрических проводников под напряжением, несущих переменные токи с определенным временным сдвигом между волнами напряжения в каждом проводнике. Многофазные системы особенно полезны для передачи энергии на электродвигатели. Наиболее распространенным примером является трехфазная система питания, используемая для большинства промышленных применений.

Один цикл напряжения трехфазной системы

В первые годы коммерческой электроэнергетики некоторые установки использовали двухфазные четырехпроводные системы для двигателей.Основным их преимуществом было то, что конфигурация обмотки была такой же, как и для однофазного двигателя с пусковым конденсатором, и, с помощью четырехпроводной системы, концептуально фазы были независимыми и их было легко анализировать с помощью математических инструментов, доступных в то время. , Двухфазные системы были заменены трехфазными системами. Двухфазный источник питания с фазами 90 градусов может быть получен из трехфазной системы с использованием соединенного Скоттом трансформатора.

Многофазная система должна обеспечивать определенное направление поворота фазы, поэтому напряжения зеркального отображения не учитываются в порядке фаз.Трехпроводная система с двумя фазовыми проводниками на расстоянии 180 градусов — все еще только однофазная Такие системы иногда называют разделенной фазой.

Многофазное питание особенно полезно в двигателях переменного тока, таких как асинхронный двигатель, где оно генерирует вращающееся магнитное поле. Когда трехфазное питание завершает один полный цикл, магнитное поле двухполюсного двигателя поворачивается на 360 ° в физическом пространстве; Для двигателей с большим количеством пар полюсов требуется больше циклов питания, чтобы завершить один физический оборот магнитного поля, и поэтому эти двигатели работают медленнее.Никола Тесла и Михаил Доливо-Добровольский изобрели первые практичные асинхронные двигатели, использующие вращающееся магнитное поле — ранее все коммерческие двигатели были с постоянным током, с дорогими коммутаторами, щетками с высоким уровнем обслуживания и характеристиками, непригодными для работы в сети переменного тока. Многофазные двигатели просты в конструировании, имеют автоматический запуск и мало вибрируют.

Были использованы более высокие номера фаз, чем три. Обычной практикой для выпрямительных установок и в преобразователях HVDC является обеспечение шести фаз с разнесением фаз по 60 градусов для уменьшения генерации гармоник в системе питания переменного тока и для обеспечения более плавного постоянного тока.Экспериментальные линии электропередачи высокого порядка были построены с 12 фазами. Это позволяет применять правила проектирования сверхвысокого напряжения (EHV) при более низких напряжениях и позволит увеличить передачу мощности в той же ширине коридора линии электропередачи.

Резиденции и малые предприятия обычно снабжаются одной фазой, взятой из одной из трех фаз полезности. Индивидуальные клиенты распределяются между тремя фазами, чтобы сбалансировать нагрузки. Однофазные нагрузки, такие как освещение, могут быть подключены от фазы под напряжением к нейтрали цепи, что позволяет сбалансировать нагрузку в большом здании по трем фазам питания.Смещение фазы напряжения между линией и нейтралью составляет 120 градусов; напряжение между любыми двумя проводами под напряжением всегда в 3 раза больше между проводом под напряжением и нейтралью. См. Статью «Сетевые системы питания» для получения списка однофазных распределительных напряжений по всему миру; трехфазное межфазное напряжение будет в 3 раза больше этих значений.

В Северной Америке жилые многоквартирные дома могут иметь напряжение 120 В (от линии к нейтрали), 208 В (от линии к линии). Основные однофазные приборы, такие как духовки или варочные панели, предназначенные для двухфазной системы на 240 Вольт, обычно используемые в односемейных домах, могут не работать должным образом при подключении к 208 Вольт; нагревательные приборы будут развивать только 3/4 своей номинальной мощности, а электродвигатели не будут работать правильно при пониженном напряжении на 13%.