Почему трехфазное электропитание? Почему не 6, 12 или больше фаз для передачи электроэнергии?

Известно, что однофазные и трехфазные системы являются наиболее распространенными конфигурациями для передачи, распределения и конечного использования электроэнергии. Хотя обе системы служат в качестве основных структур питания, трехфазные системы предлагают явные преимущества по сравнению с однофазными.

Заметим, что многофазные системы (например, 6-фазные, 12-фазные и т.д.) находят специфическое применение в силовой электронике — особенно в выпрямительных цепях и преобразователях частоты (VFDs) — где они эффективно снижают пульсации в импульсном постоянном токе. Достижение многофазных конфигураций (например, 6, 9 или 12 фаз) исторически требовало сложных методов сдвига фаз или мотор-генераторных установок, но эти подходы остаются экономически нецелесообразными для крупномасштабной передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния.

Почему трехфазная, а не однофазная система питания?

Основное преимущество трехфазной системы перед однофазной или двухфазной заключается в том, что мы можем передавать больше (постоянной и равномерной) мощности.

Мощность в однофазной системе

• P = V . I . CosФ

Мощность в трехфазной системе

• P = √3 . VL . IL . CosФ ... Или

• P = 3 x. VPH . IPH . CosФ

Где:

• P = Мощность в Ваттах

• VL = Линейное напряжение

• IL = Линейный ток

• VPH = Фазное напряжение

• IPH = Фазный ток

• CosФ = Коэффициент мощности

Ясно, что мощность трехфазной системы в 1,732 (√3) раза выше, чем у однофазной системы. В сравнении, двухфазная система передает на 1,141 раз больше мощности, чем однофазная конфигурация.

Ключевым преимуществом трехфазных систем является вращающееся магнитное поле (RMF), которое позволяет самозапускаться трехфазным двигателям, обеспечивая при этом постоянную мгновенную мощность и момент. В отличие от этого, однофазные системы не имеют RMF и демонстрируют пульсирующую мощность, ограничивая их производительность в приложениях двигателей.

Трехфазные системы также предлагают более высокую эффективность передачи, с меньшими потерями мощности и падением напряжения. Например, в типичной резистивной цепи:

Однофазная система

• Потери мощности в линии передачи = 18I²r ... (P = I²R)

• Падение напряжения в линии передачи = I.6r ... (V = IR)

Трехфазная система

• Потери мощности в линии передачи = 9I²r ... (P = I²R)

• Падение напряжения в линии передачи = I.3r ... (V = IR)

Как видно, падение напряжения и потери мощности в трехфазной системе на 50% ниже, чем в однофазной системе.

Двухфазные системы, подобно трехфазным, могут обеспечивать постоянную мощность, генерировать RMF (вращающееся магнитное поле) и предоставлять постоянный момент. Однако трехфазные системы передают больше мощности, чем двухфазные, благодаря дополнительной фазе. Это вызывает вопрос: почему не использовать больше фаз, таких как 6, 9, 12, 24, 48 и т.д.? Мы подробно обсудим это и объясним, как трехфазная система может передавать больше мощности, чем двухфазная система с тем же количеством проводов.

Почему не двухфазная?

Обе двухфазные и трехфазные системы могут генерировать вращающиеся магнитные поля (RMF) и обеспечивать постоянную мощность и момент, но трехфазные системы предлагают ключевое преимущество: большую мощность. Дополнительная фаза в трехфазных установках позволяет передавать мощность в 1,732 раза больше, чем в двухфазных системах с тем же размером проводников.

Двухфазные системы обычно требуют четыре провода (два фазных проводника и два нейтральных) для завершения цепей. Использование общего нейтрального провода для формирования трехпроводной системы уменьшает количество проводов, но нейтральный провод должен нести суммарные обратные токи от обеих фаз — что требует более толстых проводников (например, медных) для предотвращения перегрева. В противоположность этому, трехфазные системы используют три провода для сбалансированных нагрузок (дельта-конфигурация) или четыре провода для несбалансированных нагрузок (звездная конфигурация), оптимизируя передачу мощности и эффективность проводников.

Почему не 6-фазная, 9-фазная или 12-фазная?

Хотя многофазные системы могут уменьшить потери при передаче, они не получили широкого распространения из-за практических ограничений:

• Эффективность проводников: Трехфазные системы используют наименьшее количество проводников (3) для передачи сбалансированной мощности, тогда как 12-фазная система потребовала бы 12 проводников — что увеличивает затраты на материалы и установку в четыре раза.

• Подавление гармоник: Угол фазы 120° в трехфазных системах естественным образом компенсирует третьи гармонические токи, устраняя необходимость в сложных фильтрах, требуемых в многофазных системах.

• Сложность системы: Многофазные системы требуют переоснащения компонентов (трансформаторов, автоматических выключателей, коммутационного оборудования) и больших подстанций, что увеличивает сложность проектирования и обслуживания.

• Практические ограничения: Двигатели и генераторы с большим количеством фаз более громоздки и труднее охлаждаются, а опоры линий электропередачи должны быть выше, чтобы вместить больше проводников.

Преимущества трехфазной системы

Трехфазные системы обеспечивают оптимальный баланс:

• Они передают на 50% больше мощности, чем однофазные системы с теми же проводниками, минимизируя потери.

• Конфигурация с углом фазы 120° сбалансирована и подавляет гармоники без добавления сложности.

• Они адаптируются к как дельта- (сбалансированные нагрузки), так и звездной (несбалансированные нагрузки) конфигурациям, поддерживая различные потребности в мощности.

Многофазные системы предлагают убывающую отдачу — каждая дополнительная фаза экспоненциально увеличивает затраты, предоставляя лишь незначительные преимущества. Поэтому трехфазная технология остается глобальным стандартом для передачи электроэнергии, балансируя между эффективностью, простотой и экономической целесообразностью.