Трифазна електроенергія

Трифазна електроенергія є поширеним способом передачі електроенергії. Це різновид багатофазної системи, що в основному використовується для живлення двигунів та багатьох інших пристроїв. Трифазна система використовує менше провідного матеріалу для передачі електроенергії, ніж еквівалентні однофазні, двофазні або постійні струми при тій самій напрузі .

У трифазній системі три провідники ланцюга несуть три змінні струми (однакової частоти), які досягають своїх миттєвих пікових значень у різний час. Взявши один провідник за еталонний, інші два струми затримуються в часі на третину і дві третини одного циклу електричного струму. Ця затримка між "фазами" має наслідком постійну передачу потужності протягом кожного циклу струму, а також дає можливість створювати обертове магнітне поле в електродвигуні.

Трифазні системи можуть мати або не мати нульовий провід. Нейтральний провід дозволяє трифазній системі використовувати більш високу напругу, підтримуючи однофазні електроприлади нижчої напруги. У ситуаціях розподілу високої напруги зазвичай не використовується нульовий провід, оскільки навантаження можна просто підключити між фазами (фазово-фазне з'єднання).

Трифазна має властивості, які роблять її дуже бажаною в електроенергетичних системах. По-перше, фазні струми, як правило, вимикають один одного, підсумовуючи до нуля у випадку лінійного збалансованого навантаження. Це дає можливість усунути нульовий провідник на деяких лініях; всі фазні провідники несуть однаковий струм і тому можуть мати однакові розміри для збалансованого навантаження. По-друге, передача потужності в лінійне збалансоване навантаження є постійною, що допомагає зменшити вібрації генератора та двигуна. Нарешті, трифазні системи можуть створювати магнітне поле, яке обертається в заданому напрямку, що спрощує конструкцію електродвигунів. Три - це найнижчий фазовий порядок, щоб проявити всі ці властивості.

Більшість побутових навантажень є однофазними. Зазвичай трифазне живлення або взагалі не надходить у побутові будинки, або там, де воно потрапляє, воно розподіляється на головному розподільному щиті.

На електростанції електричний генератор перетворює механічну потужність у набір змінних електричних струмів, по одному від кожної електромагнітної котушки або обмотки генератора. Струми є синусоїдальними функціями часу, всі з однаковою частотою, але зміщені в часі, щоб отримати різні фази. У трифазній системі фази розташовані однаково, даючи фазовий поділ на третину циклу. Частота живлення, як правило, становить 50 Гц в Азії, Європі, Південній Америці та Австралії та 60 Гц в США та Канаді (але докладніше див. В розділі Мережеві системи живлення).

Генератори виходять при напрузі, яка коливається від сотень вольт до 30000 вольт. На електростанції трансформатори "збільшують" цю напругу до ще однієї, придатної для передачі.

Після численних подальших перетворень в мережі передачі та розподілу потужність остаточно трансформується до стандартної напруги мережі (тобто "побутової" напруги). Можливо, на даний момент потужність вже була розділена на однофазну, а може все ще трифазна. Там, де зниження трифазне, вихід цього трансформатора зазвичай є зіркою, підключеною до стандартної напруги мережі (120 В у Північній Америці та 230 В у Європі та Австралії), яка є фазою нейтральною напругою. Ще однією системою, яку часто зустрічають у Північній Америці, є наявність дельти, з'єднаної вторинною частиною з центральним краном на одній з обмоток, що подає землю і нейтраль. Це дозволяє отримати трифазну напругу 240 В, а також три різні однофазні напруги (120 В між двома фазами і нейтраллю, 208 В між третьою фазою (відомою як високий ніж) і нейтраллю і 240 В між будь-якими двома фазами) бути доступними з тієї ж поставки.

Однофазні навантаження

Однофазні навантаження можуть бути підключені до трифазної системи, або шляхом підключення через два струмопровідних провідника (міжфазне з'єднання), або шляхом підключення між фазним провідником і нейтраллю системи, яка або підключена до центру Y (зірка) вторинної обмотки живлячого трансформатора, або підключений до центру однієї обмотки дельта-трансформатора (система Highleg Delta). Однофазні навантаження слід розподіляти рівномірно між фазами трифазної системи для ефективного використання живлячого трансформатора та живильних провідників.

Напруга між лініями трифазної системи в 3 рази перевищує лінію до нейтральної напруги. Якщо напруга від лінії до нейтралі є стандартною напругою утилізації (наприклад, в системі 240 В/415 В), окремі однофазні споживачі або навантаження можуть бути підключені до іншої фази живлення. Якщо напруга від лінії до нейтралі не є загальною напругою утилізації, наприклад, в системі 347/600 В, однофазні навантаження повинні подаватися за допомогою окремих понижуючих трансформаторів. У багатоквартирних житлових будинках у Північній Америці розетки для освітлення та зручності можна підключити до лінії нейтралі, щоб подати напругу розподілу 120 В (напруга утилізації 115 В) та великі навантаження, такі як кухонне обладнання, опалення приміщення, водонагрівачі, або кондиціонер можна підключити через дві фази, щоб отримати 208 В. Ця практика є досить поширеною, щоб однофазне обладнання 208 В було легко доступне в Північній Америці. Спроби використовувати більш розповсюджене обладнання 120/240 В, призначене для трипровідного однофазного розподілу, можуть призвести до поганих показників, оскільки опалювальне обладнання на 240 В дасть лише 75% свого рейтингу при роботі на 208 В.

Якщо трифазний при низькій напрузі використовується інакше, він все одно може бути розділений на однофазні службові кабелі через з'єднання в мережі живлення або може бути доставлений на головний розподільний щит (панель вимикача) в приміщенні замовника. Підключення електричної схеми від однієї фази до нейтралі, як правило, подає на ланцюг стандартну однофазну напругу (120 В або 230 В).

Мережа передачі енергії організована таким чином, що кожна фаза несе однакову величину струму від основних частин системи передачі. Усі струми, що повертаються з приміщень споживачів до останнього трансформатора живлення, мають загальний нульовий провід, але трифазна система гарантує, що сума зворотних струмів дорівнює приблизно нулю. Дельта-проводка первинної сторони цього трансформатора живлення означає, що нейтраль на стороні високої напруги мережі не потрібна.

Якщо нейтраль живлення трифазної системи з підключеними навантаженнями від лінії до нейтралі порушена, як правило, баланс напруги на навантаженнях більше не буде підтримуватися. Легко навантажені фази можуть бачити до sqrt (3) стільки напруги, скільки номінально, спричиняючи перегрів та вихід з ладу багатьох типів навантажень. Наприклад, якщо кілька будинків підключено до загального трансформатора на вулиці, кожен будинок може бути підключений до однієї з трьох фаз. Якщо на трансформаторі порушено нейтральне з'єднання, все обладнання будинку може бути пошкоджено через перенапругу. Такі події важко відстежити, якщо хтось не усвідомлює цієї можливості. При індуктивних та/або ємнісних навантаженнях всі фази можуть зазнати пошкоджень, особливо з можливістю резонансу. Консервативна конструкція розподілу враховуватиме цю проблему, щоб гарантувати, що нейтральні з'єднання є такими ж надійними, як будь-яке з фазних з'єднань.

Трифазні навантаження

Обертове магнітне поле трифазного двигуна

Найважливішим класом трифазного навантаження є електродвигун. Трифазний асинхронний двигун має просту конструкцію, по суті високий пусковий момент і високу ефективність. Такі двигуни застосовуються в промисловості для насосів, вентиляторів, повітродувок, компресорів, конвеєрних приводів та багатьох інших видів моторного обладнання. Трифазний двигун буде більш компактним і дешевшим, ніж однофазний двигун того самого класу напруги та номіналу; та однофазні двигуни змінного струму потужністю понад 10 к. с. (7,5 кВт) є рідкістю. Трифазні двигуни також будуть вібрувати менше і, отже, триватимуть довше, ніж однофазні двигуни тієї ж потужності, що використовуються за однакових умов.