Какие бывают системы переменного тока?
Системы переменного тока могут быть однофазными, двухфазными или трехфазными в зависимости от количества фаз, которые используются для передачи электрической энергии.
Системы переменного тока классифицируют по следующим признакам:
1) по числу фаз — однофазные и многофазные,
2) по числу проводов — двухпроводные и многопроводные.
Однофазные системы
Однофазные системы переменного тока используют только одну фазу для передачи электрической энергии. Это наиболее простая система, которая используется однофазный переменный ток в таких приложениях, таких как освещение, бытовые приборы и электроинструменты.
Исторически, первые установки, работавшие на переменном токе, были однофазными. Вследствие отсутствия отвечающего различным запросам практики однофазного двигателя, однофазные установки для силовых и осветительных целей с появлением трехфазного тока не только почти перестали строить, но целый ряд существовавших однофазных установок был переделан в двух- или трехфазные.
Сейчас однофазные силовые и осветительные установки встречаются редко: в основу электрификации во всех странах положены электростанции и сети трехфазного тока, на питание от которых должны постепенно переходить и потребители всех других существующих пока отдельно установок, помимо этого до сих пор нет однофазных электродвигателей, способных конкурировать с трехфазными.
Для передачи значительных количеств энергии на большие расстояния однофазные системы не применяются: расход меди для трехфазной системы составляет 75% расхода меди, потребной для однофазной системы при том же напряжении между проводами и том же кпд передачи (тех же потерях), при одинаковых размерах однофазный генератор развивает значительно меньшую мощность, чем трехфазный.
Однофазные двигатели сложнее, дороже трехфазных и вызывают большие колебания напряжения при пуске. Поэтому несмотря на то, что однофазные цепи проще многофазных, распределение энергии однофазными системами чрезвычайно редко применяют для питания двигателей свыше 10 кВт.
Распределение однофазными цепями наиболее принято для целей освещения как в однофазных, так и в многофазных (в виде однофазных ответвлений от трехфазных сетей) установках.
Кроме того однофазные цепи применяют для электрических печей, нагревательных приборов и некоторых вспомогательных целей. Для целей же тяги однофазный ток применяется часто при электрификации железных дорог.
Однофазные установки можно (подобно установкам постоянного тока) выполнять в виде двухпроводных и трехпроводных.
Трехпроводные установки выполняются так же, как при постоянном токе, но деление напряжения при переменном токе осуществимо значительно легче, так как нулевой провод можно просто присоединить к средней точке обмотки генератора или трансформатора.
Если при этом можно ожидать больших неравномерностей в распределении нагрузки между двумя половинами трехпроводной системы, то во избежание неодинаковых падений напряжения в обеих половинах нужны изменения конструкции или схемы соединений обмоток трансформатора.
Однако (за исключением США, где они иногда применяются) трехпроводные однофазные системы практически распространения не получили.
При переменном токе для уменьшения расхода металла на проводе можно вместо увеличения числа проводов прибегать к повышению напряжения посредством трансформирования, кроме того при трехпроводной системе более целесообразен трехфазный ток.
Двухфазные системы
Двухфазные системы встречаются в настоящее время крайне редко (например, для питания электрических печей). В США они были ранее широко распространены, причем из построенных в этой стране двухфазных установок часть существует и поныне.
Двухфазные системы представляют собой сочетание двух однофазных систем, в которых ЭДС и соответственно токи сдвинуты по фазе на 90° (четверть периода).
Получить такие токи (двухфазный ток) возможно от двух имеющих общий вал генераторов, обмотки якорей которых расположены друг по отношению к другу со сдвигом на 90°. На практике их получают от одного генератора с двумя обмотками, сдвинутыми на 90°.
Подробно про устройство и принцип работы двухфазных систем переменного тока смотрите здесь: Двухфазная система переменного тока
Трехфазные системы
Трехфазные системы представляют собой сочетание трех однофазных систем, в которых ЭДС и токи (смотрите - Трехфазный переменный ток) сдвинуты друг относительно друга по фазе на 120° (треть периода).
Трехфазные системы в настоящее время наиболее распространены в силовых и осветительных установках. Их достоинства: значительная экономия металла на провода (смотрите - Мощность и потери энергии в цепи переменного тока) и одинаковая пригодность для осветительных и силовых целей благодаря наличию весьма совершенных двигателей трехфазного тока.
Преимущества трехфазных систем перед однофазными:
- Трехфазная система может передавать в три раза больше мощности, чем однофазная система с тем же напряжением и током.
- Трехфазная система использует меньше проводов для передачи той же мощности, что и однофазная система. Это позволяет сократить затраты на проводку и уменьшить потери энергии.
- Трехфазная система более надежна, чем однофазная система, поскольку она имеет три провода и три фазы, что позволяет компенсировать любые потенциальные проблемы с одной из фаз.
- Трехфазная система более проста в управлении и контроле, поскольку она имеет меньше проводов и обладает более предсказуемым поведением при изменении нагрузки.
В трехфазных системах переменного тока нагрузка распределяется между тремя фазами более равномерно, чем в однофазных системах.
Это связано с тем, что каждая фаза имеет сдвинутую на 120° фазу напряжения по отношению к другой фазе.
При использовании трехфазной системы нагрузка может быть распределена между тремя фазами таким образом, чтобы каждая фаза получала примерно одинаковую нагрузку.
Соединение обмоток генераторов и трансформаторов осуществляется по одной из следующих схем:
- Три фазы не связаны между собой (на практике вследствие сложности и большого расхода металла на провода (6 проводов) не применяется),
- Трехпроводные системы: а) обмотки генераторов и трансформаторов соединены между собой треугольником, б) соединение звездой — выбор той или иной из этих двух систем определяется тем, требуется ли в данной части сети большой ток при малом напряжении (треугольник) или же наоборот (звезда).
- Четырехпроводная система: соединение звездой с нулевым проводом. Здесь возможно использовать два различных напряжения (фазное и линейное), поэтому возможно присоединение к одной и той же сети осветительных приборов (включается между одним из фазных проводов и нулевым) и двигателей (присоединяются к трем фазным проводам), кроме того четырехпроводная система применяется там, где можно ожидать неравномерного распределения нагрузки между тремя частями (фазами) системы (нулевой провод при этом, неся разность токов, выравнивает несимметричность).
- Пятипроводная система: соединение звездой с нулевым и защитным проводами - в настоящее время это наиболее часто встречающаяся система, так как она обладает всеми преимуществами четырехпроводной системы и обеспечивает максимальную электробезопасность.
При соединении звездой все три фазы соединены в одной точке, образуя треугольник. Обычно называемая "нулевой" проводник подключается к середине соединения фаз.
При соединении треугольником каждая фаза соединена с соседней по цепочке, образуя треугольник. В этом типе соединения нулевой проводник не требуется, поскольку напряжение между любыми двумя фазами составляет полное напряжение системы.
Трансформирование в трехфазных системах осуществляется с помощью трехфазных или же однофазных трансформаторов.
Первичные и вторичные обмотки одного трехфазного трансформатора или одной трансформаторной группы, состоящей из трех однофазных трансформаторов, включают треугольником или звездой.
Иногда треугольник на первичной стороне невыгоден для выполнения трансформаторов, тогда первичные обмотки включают звездой, а вторичные — зигзагом (звезда, в которой каждая фаза состоит из двух секций, расположенных на различных сердечниках трансформатора). Подробно об этом смотрите здесь: Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов