В Соединенных Штатах большая часть энергии, поступающей в дома людей, является однофазной. Однако электроэнергия, вырабатываемая на электростанции, является трехфазной. Это идея тех больших линий электропередачи, которые вы видите прикрепленными к высоким башням - эти линии должны передавать как большое напряжение, которое возможно на больших расстояниях, прежде чем эта мощность будет "отведена" и доставлена в районы при значительном снижении Напряжение.
Однофазного питания достаточно практически для всех бытовых приборов, в то время как промышленные установки с тяжелым оборудованием требуют трехфазного питания. Но что, если вам нужно трехфазное питание, а все, что у вас есть, - это однофазное питание, поступающее в ваш дом?
Предупреждения
Информация здесь предназначена только для академических целей, а не для обучения. Никогда не экспериментируйте и не изменяйте электрические провода у себя дома или где-либо еще, если вы не прошли специальную подготовку для этой работы.
Трехфазное питание: визуальная аналогия
Представьте себя и двух своих (явно скучающих) друзей, идущих взад и вперед с быстрой скоростью 2 метра. в секунду (около 4,5 миль в час) по дороге, идущей с севера на юг и имеющей длину 60 метров от конца до конец. Каждый из вас начинает с середины этого пути, идет к северному концу, возвращается к началу, продолжает идет к противоположному концу и снова возвращается к середине, тем самым завершая один 120-метровый «круг», или цикл. Поскольку каждый из вас идёт со скоростью 2 метра в секунду, один путь туда и обратно занимает у каждого человека ровно 60 секунд.
Предположим далее, что в начальной точке «статус» каждого из вас равен нулю. Вы получаете одну единицу статуса за каждый метр, который вы идете на север, и теряете единицу статуса за каждый метр, который вы идете на юг. Таким образом, всякий раз, когда один из вас достигает северного конца пути, этот человек имеет статус 30, в то время как любой, кто делает поворот на южном конце, имеет статус -30. Вы понимаете, что трое из вас могут максимально отделить себя друг от друга, начав 20 с интервалом в несколько секунд, потому что каждая цепь занимает 60 секунд, и вас трое, и 60, разделенное на 3, будет 20. Если вы выполните алгебру, вы обнаружите, что когда один из вас максимизировал свой «статус» до 30, достигнув северного конца, два других проходят друг друга на полпути по южной части, один направляется на север, а другой - на юг, где каждый ходок имеет статус -15. Если вы сложите значения статуса одновременно, они в сумме составят 30 + (-15) + (-15) = 0. Можно показать, что на самом деле сумма всех значений вашего статуса в любой момент времени равна 0, пока вы трое совершенно смещены, как описано.
Мощность и напряжение в цепях переменного тока
Это предлагает модель того, как выглядит трехфазная электрическая мощность, за исключением того, что "напряжение" заменен на «статус», и вместо одного цикла, происходящего каждые 60 секунд, происходит 60 циклов напряжения каждую секунду. Кроме того, вместо того, чтобы каждый человек проходил начальную точку дважды в минуту, напряжение проходит через нулевую точку 120 раз в секунду.
Из-за того, что мощность, ток и напряжение связаны математически, трехфазная мощность остается на постоянном, ненулевом уровне, даже несмотря на то, что три отдельных напряжения складываются в ноль в любой момент. Это отношения:
P = V2/Р
Здесь P - мощность в ваттах, V - напряжение в вольтах, а R - электрическое сопротивление в единицах, называемых омами. Вы можете видеть, что отрицательные напряжения вносят вклад в мощность, потому что возведение отрицательного числа в квадрат дает положительное значение. Полная мощность в трехфазной системе - это просто сумма мощности трех отдельных значений мощности каждой фазы.
Кроме того, если вы когда-нибудь задумывались, как переменный ток (AC) получил свое название, теперь у вас есть ответ. Напряжение никогда не бывает стабильным ни в однофазных, ни в трехфазных системах, и, как следствие, нет ни тока; они связаны законом Ома: V = IR, где I означает ток в амперах («амперах»).
Однофазное питание: продолжение аналогии
Чтобы расширить аналогию «приятель-ходьба-вперед-вперед» на однофазное питание, просто представьте, что двух ваших друзей зовут домой к обеду, пока вы продолжаете идти, и вот оно. То есть трехфазная мощность - это буквально три однофазных источника питания, взаимно смещенных на треть цикла (или, в тригонометрическом выражении, на 120 градусов). В однофазном источнике питания каждый раз, когда одно напряжение ненадолго становится равным нулю, выходная мощность также уменьшается. Возможно, теперь вы понимаете, почему мелкая бытовая техника, на которую не сильно влияют очень короткие перерывы в работе, мощность, может работать от однофазного источника питания, тогда как большие машины, которые работают с высокими уровнями мощности (мощности) не могу; им требуется большой и стабильный источник питания.
Все вышесказанное легче понять, просмотрев график зависимости напряжения от время для трехфазного питания (см. Ресурсы). На этом графике отдельные фазы изображены красными, пурпурными и синими линиями. Их сумма всегда равна нулю, но сумма их квадратов положительна и постоянна. Таким образом, при неизменном значении R мощность P в этих установках также постоянна благодаря соотношению P = V2/R.
Для однофазного источника питания нет напряжений, которые можно было бы суммировать, и однофазное напряжение проходит через нулевую точку 120 раз в секунду. В эти моменты мощность падает до нуля, но восстанавливается достаточно быстро, чтобы небольшие светильники, приборы и т. Д. Не испытывали заметных перебоев в работе.
Однофазное преобразование в трехфазное
Если у вас есть трехфазный двигатель в более крупном устройстве, таком как воздушный компрессор промышленного размера, и у вас нет доступа к трехфазное питание из-за того, как настроена ваша местная сеть, есть обходные пути, которые вы можете использовать, чтобы правильно получить свое оборудование питание. (Один из них - просто заменить трехфазный двигатель однофазным, но это далеко не так умно, как другие решения.)
Доступны многочисленные типы трехфазных преобразователей. Один из них, статический преобразователь, использует тот факт, что, хотя трехфазный двигатель не может запускаться от однофазного источника питания, он может продолжать работать от однофазного источника питания после запуска. Статический преобразователь делает это с помощью конденсаторов (устройств, которые могут накапливать заряд), что позволяет статическому преобразователю заменять одну из фаз, хотя и неэффективным способом, который гарантированно сокращает полезный срок службы двигателя охватывать. А вращающийся фазовый преобразователь, с другой стороны, действует как своего рода комбинация заменяющего трехфазного двигателя и независимого генератора. Это устройство включает в себя натяжной двигатель, который после того, как он приводится в движение, не поворачивает никакие движущиеся части в родительском машины, но вместо этого генерирует мощность, так что вся установка может имитировать трехфазную систему питания в разумных пределах хорошо. Наконец, частотно-регулируемый привод (VFD) использует компоненты, называемые инверторами, которые могут использоваться для создания переменного тока практически любой желаемой частоты и воспроизводить большинство условий в стандартном трехфазном двигателе.
Ни один из этих преобразователей не идеален, как и хлебный нож, который можно использовать для легкой резки мяса. Но хлебный нож лучше, чем ваши голые руки, и поэтому эти преобразователи действительно хорошо иметь под рукой, если вы часто работаете с энергоемким оборудованием и инструментами.