Трёхфазное напряжение

Трёхфазное напряжение – это система электрического питания, где используются три фазные линии, сдвиг по фазе между которыми составляет 120 градусов. Это обеспечивает равномерные условия для многих приложений, и повышается эффективность.

Возникновение концепции трёхфазного напряжения

Отцом трёхфазного напряжения считают Доливо-Добровольского в России и Николу Теслу – во всем остальном мире. Все события, относящиеся к эпохе возникновения предмета спора, имели место быть в 80-е годы XIX века. Никола Тесла продемонстрировал первый двухфазный двигатель, работая на компанию, где налаживал электрические установки самого разного назначения. Заинтересованность явлением электризации шерсти домашнего кота привела учёного к великим открытиям. Прогуливаясь в парке с приятелем, Никола Тесла осознал, что сумеет реализовать на практике теорию Араго о вращающемся магнитном поле, но для этого понадобятся:

  1. Две фазы.
  2. Сдвиг между ними на угол 90 градусов.

Чтобы было понятно, насколько это великое открытие, заметим, что к тому времени ещё не был широко известен трансформатор Яблочкова, а опыты Фарадея по магнитной индукции благополучно забыли, записав лишь формулу закона. Проще говоря, мир не хотел знать, что про такие вещи, как:

  • переменный ток;
  • фаза;
  • реактивная мощность.

Генераторы (альтернаторы) и динамо спрямляли напряжение при помощи механического коммутатора. И так существовала вся скудная на тот момент отрасль электричества. Эдисон только-только начинал изобретать, и никто пока что толком не знал про лампочку накала. Кстати, у нас считают, по-прежнему, что её изобрёл Лодыгин.

Идея Теслы была тем более революционной, что никто не знал, как получить две фазы с заданным сдвигом между ними. Но молодого учёного мало интересовал этот вопрос. Он кое-что читал про обратимость электрических машин и был уверен, что легко построит генератор, соответствующим образом расположив обмотки. Что касается привода, то даже вопросов не возникало. На начало 80-х годов активно использовался пар, а демонстрационную модель можно было питать от динамо.

Изображение 3 фаз

Изображение 3 фаз

Тесла не задавался необходимостью получить определённую частоту. Он ещё не проводил исследований, и нужно было просто заставить ротор вращаться. Что и было сделано через токосъёмные кольца. На тот момент все коллекторные двигатели постоянного тока снабжались таким контактами, и неудивительно, что Тесла пришёл именно к этому выводу. Но почему он выбрал две фазы, а не три?

Преимущество трёх фаз

В один голос утверждается многими, что три фазы эффективнее двух, но в чем это заключается? Сразу лезут в голову мысли про КПД, вращающий момент и все такое. Но Тесла имел в своём блокнотике сотни конструкций, неужели же не смог бы он расставить полюса так, чтобы добиться нужных параметров? Ответ очевиден – дело не в конструкции приборов.

Сейчас напряжение 380 В передаётся всего лишь по трём проводам. Этого никак нельзя было добиться в первоначальном варианте Николы Теслы. В 1883 году Эдисон много сил потратил на то, чтобы использовать трёхжильный провод. Очевидно, он это сделал потому, что слышал о демонстрации, устроенной Николой Теслой, и понял всю опасность ситуации. В цивилизованном мире основную прибыль получает владелец патента, а зачем известному изобретателю вытаскивать на свет способного инженера в таком случае?

Логика Эдисона проста: пользователи увидят, что трёхжильные кабели более дешёвые, нежели те, что с четырьмя жилами, и откажутся от использования новинок Николы Теслы. Не сложно догадаться, что хитроумный план изобретателя цоколя для лампочек накала провалился. И с треском. А виной этому стал… Доливо-Добровольский. Или, во всяком случае, он этому весьма способствовал. Система Николы Теслы для создания двух фаз требовала наличия четырёх проводов. В то время, как Доливо-Добровольский предлагал передать больше энергии посредством только трёх.

Все дело здесь в симметрии. Линейные напряжения 380 В в каждый момент имеют альтернативу для выбора. Так например, ток с первой фазы может утечь на вторую или третью. В зависимости от того, где имеется подходящий потенциал. В результате получается баланс. А если объединить две фазы системы Николы Тесла, то получится некий винегрет. Как следствие, нейтраль в системе Доливо-Добровольского можно убрать, если нагрузка симметричная. А это как раз часто и имеет место быть на практике.

В результате между проводами получается больший вольтаж, что снижает по каждому из них проходящий ток при той же мощности. А линий иногда удаётся использовать всего три. Точнее говоря, это касается многих предприятий. Очевидны выгоды и при создании местных подстанций: нейтраль вторичной обмотки заземляется тут же, и не нужно тянуть лишний провод от самой гидроэлектростанции. Указанные причины и являются преимуществами сетей трёхфазного напряжения. Именно поэтому они сегодня являются доминирующими. В то же время провода Теслы легко модернизируются на три фазы.

Почему победил не Эдисон

Часто можно встретить мнение, что система Теслы была лучше, поэтому Эдисон и проиграл. Сложно сказать, сколько именно долларов потерял последний, но Николу он обвёл по современным меркам на 4,5 млн. долларов. Инфляция – что поделаешь! Авторы склонны считать, что Эдисон получил своё. Потому что Никола Тесла мог доказать и преимущества постоянного тока. Например, последний меньше склонен коронировать на проводах, потому что амплитуда не имеет резких выбросов.

Читайте также:  Аналоговый сигнал

Сегодня доказано, что постоянный ток на дальние расстояния передавать выгоднее. Это исключает из рассмотрения реактивные сопротивления сети – индуктивность и ёмкость. Что значительно снижает реактивную мощность, гуляющую туда сюда. В переводе на русский – XXI век может стать вторым рождением постоянного тока. По крайней мере для передачи его на дальние расстояния. Но смешно как раз то, что Эдисон не смоге передавать свою энергию. Мог бы Тесла ему помочь? Да, конечно, и тогда приборы постоянного тока сегодня использовались столь же широко, как и переменного. Для коллекторных двигателей это лучше – растут КПД и крутящий момент.

Что же получается? А то, что постоянный ток как раз-таки выгодно передавать. А Эдисон попросту не смог найти правильного решения, потому что пытался взять задачу нахрапом. Нужно же было зайти с тыла и посмотреть. Но Эдисон был чистым практиком и не мог найти столь ухищрённых решений, как преобразователи. А ведь – и авторы сказали об этом вначале – все генераторы середины XIX века имели встроенный коммутатор для спрямления. Оставалось только их подключить к линии, а на приёмной стороне провести преобразование. И все! Никола блестяще наказал Эдисона, и это ещё раз доказывает наличие в мире некой силы, управляющей ходом истории.

Но почему же был избран переменный ток? Ввиду наличия мощного средства для его передачи. Речь, конечно же, идёт о трансформаторе. Впервые сконструированный ещё в 1831 году (а может и раньше) Майклом Фарадеем этот незаменимый элемент современной техники остался без заслуженного внимания. Интерес к нему вернул лишь Генрих Румкорф пятнадцатью годами позже, использовав динамо для получения разряда в искровом промежутке. А повышающий трансформатор значительно усиливал эффект. Это прямиком открыло учёным путь к постановке опытов, но сама суть преобразования не получила заслуженного внимания.

Вместо этого учёные упорно бились над постоянным током. Создавая для него двигатели, приборы освещения и, конечно же, генераторы. Совершенно удивительно то, что зная об обратимости электрических машин, никто не придумал раньше, как создать униполярный мотор, который сегодня можно найти во многих ручных миксерах и блендерах. Фактически все двигатели бытового назначения однофазные. И лишь малая толика их работает на постоянном токе. Но если бы победил Эдисон, все могло бы быть иначе.

Читайте также:  Датчик температуры

Имеется и ещё одно неявное преимущество. У постоянного тока выше предел безопасности. То есть можно было бы сделать промышленные сети безвредным для людей. Нужно рассмотреть этот вопрос более подробно, потому что доводы эти не столь очевидны неискушённому читателю.

Смещение и генерация 3-фазного напряжения

Смещение и генерация 3-фазного напряжения

Почему постоянный ток безопаснее

Прожжённые электрики говорят, что удар током 220 В не очень опасен, главное – не попасть под линейное трёхфазное напряжение. Оно выше примерно в корень из трёх раз (около 1,7). Линейным называется напряжение между двумя фазами. За счёт сдвига между ними в 120 градусов и получается столь любопытный эффект. Невежды иногда спрашивают, какая разница в этом случае относительно того, если бы сдвиг был 90 градусов. Ответ уже был дан вначале – три фазы образуют полностью симметричную систему. Со сдвигом 90 их для этого понадобилось бы четыре.

В результате каждым линейным напряжением можно питать по одному полюсу, что существенно упрощает их размножение, когда требуется достичь большой мощности. Например, в тяговых двигателях пароходов, где нужно очень плавно изменять усилие и приходится применять регуляторы скорости вращения вала. Очень много случаев, когда трёх и даже шести полюсов бывает мало. Это только коллекторному двигателю пылесоса достаточно двух.

Итак, между фазами имеется целых 308 В. Но это было бы совершенно безопасным, если повысить частоту линии передач до 700 Гц. Тесла установил, что примерно с этого значения ярко проявляет себя скин-эффект, и ток не проникает глубоко в тело. Следовательно, не может нанести существенных повреждений человеку. Сам он демонстрировал языки молний на теле при гораздо больших напряжениях и говорил, что это даже полезно для здоровья, потому что здорово очищает кожу.

Как бы то ни было, частота 700 Гц (или выше) не была пущена в обиход, потому что при этом существенно увеличивались потери трансформаторов. На момент принятия решения о номиналах первой ГЭС переменного тока не было наработок по изготовлению электротехнических материалов. Подробнее об этом вопросе можно прочитать в теме электронных трансформаторов. Нет надобности дублировать информацию. По причине отсутствия нужных материалов потери на перемагничивание сильно росли с увеличением частоты. Понятно, что это не проблема для сегодняшнего уровня технологии.

Но встаёт другая проблема – экранирование. В годы первых попыток передачи энергии ничего не знали об излучении. Радио как раз делало первые шаги в 90-х годах XIX века. Но на самом деле рост частоты сопровождается резким повышением выброса энергии в пространство. И провода нужно было экранировать, а это очень дорого. И требует наличия мощных диэлектриков. Не факт, что современные сети могли бы решить эту проблему.

Самое смешное, что Тесла предлагал передавать энергию через эфир. Для чего и построил свою башню Ворденклиф. Но… промышленники были заинтересованы в продаже меди на изготовление проводов и на этом основании отказали учёному в финансировании. Но главное не это! Если некто подсказал человечеству, как правильно сделать генераторы, и дал возможность Тесле победить Эдисона, то не намёк ли это прямой на то, что за «грибами» Николы будущее? Ответ очевиден. Грядёт время, когда трёхфазное напряжение уйдёт в небытие или будет получаться из преобразователей, и сам Тесла даст ответ, как это сделать.

Точнее говоря, ответ дадут многочисленные патенты и идеи изобретателя. Недаром же его записи были немедленно изъяты после смерти и тщательно засекречены. Постойте-ка! Такое ещё было с Шаубергером! Поэтому рекомендуем тут же взяться за изучение кавитационных двигателей. Было бы круто, если бы машины смогли ездить на растительном масле, не загрязняя окружающую среду отвратительным дымом и гарью. Обратите внимание, что все эти секреты лежат на поверхности и только ждут желающего их раскрыть. Быть может, кто-то из читателей сумеет сделать это первым?