Двухфазная электрическая сеть

Двухфа́зные электри́ческие се́ти применялись в начале XX века в электрических распределительных сетях переменного тока.

Упрощённая схема двухфазного генератора переменного тока и график двухфазного напряжения.
${\displaystyle H}$ — внешнее постоянное магнитное поле.

В них применялись два контура, напряжения в которых были сдвинуты по фазе друг относительно друга на ${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$ (90 электрических градусов). Обычно в контурах использовались четыре линии — по две на каждую фазу. Реже применялся один общий провод, имевший больший диаметр, чем два других провода. Некоторые из наиболее ранних двухфазных генераторов имели по два полноценных ротора с обмотками, пространственно повёрнутыми на 90°.

Впервые идеи использования двухфазного тока для создания вращающего момента были высказаны Домиником Араго в 1827 году. Практическое применение было описано Николой Тесла в его патентах от 1888 года, примерно тогда же им была разработана конструкция двухфазного электродвигателя. Далее эти патенты были проданы компании Вестингауза, которая начала развивать двухфазные сети с США. Позднее эти сети были вытеснены трёхфазными, теория которых разрабатывалась русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, работавшим в Германии в компании AEG. Однако, благодаря тому, что в патентах Теслы содержались общие идеи использования многофазных цепей, компании Вестингауза некоторое время удавалось сдерживать их развитие с помощью патентных судебных процессов^[1].

Преимуществом двухфазных сетей было то, что они допускали простой, мягкий пуск электрических двигателей. На заре электротехники эти сети с двумя отдельными фазами были более просты для анализа и разработки^[2]. Тогда ещё не был создан метод симметричных составляющих (он был предложен в 1918 году), который впоследствии дал инженерам удобный математический инструмент для анализа несимметричных режимов нагрузки многофазных электрических систем.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое в двухфазных системах, позволяло электромоторам создавать вращающий момент при остановленном роторе электродвигателя, что невозможно в однофазных асинхронных электромоторах (без применения специальных пусковых средств). Асинхронные двигатели, применяемые в двухфазных системах, имеют ту же конфигурацию обмоток, что и однофазные двигатели с пусковым конденсатором.

Для трёхфазной электрической сети требуются линии с меньшей массой проводящих материалов (как правило, металлов) при том же самом напряжении и большей передаваемой мощности, в сравнении с двухфазной четырёхпроводной системой^[3]. Двухфазные линии в большинстве применений впоследствии были вытеснены трёхфазными в электрических распределительных сетях, однако они до сих пор используются в некоторых системах управления, в сервоприводах.

Передаваемая мгновенная активная мощность в трёхфазных и двухфазных электрических сетях постоянна при симметричной нагрузке. Однако в однофазных сетях мгновенная активная мощность колеблется с частотой, в два раза большей частоты напряжения в линии. Эти пульсации мощности приводят к повышенному шуму и механическим вибрациям в электрооборудовании с намагничивающимися материалами из-за магнитострикционного эффекта, а также к вращательным вибрациям валов электродвигателей.

Схема трансформатора Скотта

Двухфазные контуры обычно используют две отдельные пары электрических проводников. Но могут использоваться и три проводника, однако по общему проводу двух фазных контуров течёт векторная сумма фазных токов, и поэтому общий провод должен иметь больший диаметр. В отличие от этого, в трёхфазных сетях при симметричной нагрузке векторная сумма фазных токов равна нулю, и поэтому в этих сетях возможно использовать три линии одинакового диаметра. Для электрических распределительных сетей использование трёх проводников удобнее, чем использование четырёх, поскольку это даёт экономию в стоимости проводящих линий и в расходах по их установке.

Двухфазное напряжение может быть получено от трёхфазного источника путём соединения однофазных трансформаторов по так называемой схеме Скотта. Симметричная нагрузка в такой трёхфазной системе в точности эквивалентна симметричной трёхфазной нагрузке.

В некоторых странах (например, в Японии) схему Скотта используют для питания железных дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока промышленной частоты. В этом случае в контактной сети чередуются только две фазы, а не три. На двухпутных дорогах пути разных направлений могут на всём протяжении питаться каждый от своей фазы двухфазной сети, что позволяет избавиться от чередования фаз по ходу следования поезда и устройства нейтральных вставок (хотя это усложняет работу станций). В России такая система не получила распространения.

Двухфазный электрический ток

Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол ${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$, или на 90°:

${\displaystyle i_{1}=I_{m}\sin \omega t;}$

${\displaystyle i_{2}=I_{m}\sin(\omega t-{\frac {\pi }{2}}).}$

Если две обмотки расположить в пространстве так, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны и систему обмоток питать двухфазным синусоидальным током, то в системе создастся два магнитных потока:

${\displaystyle \Phi _{1}=\Phi _{m}\sin \omega t;}$

${\displaystyle \Phi _{2}=\Phi _{m}\sin(\omega t-{\frac {\pi }{2}}).}$

Так как магнитные потоки пространственно ориентированы под углом 90° друг к другу, результирующий магнитный поток будет равен их геометрической сумме:

${\displaystyle \Phi _{0}={\sqrt {\Phi _{m}^{2}\sin ^{2}(\omega t)+\Phi _{m}^{2}\sin ^{2}(\omega t-{\frac {\pi }{2}})}}.}$

Но ${\displaystyle \Phi _{m}\sin(\omega t-{\frac {\pi }{2}})=-\Phi _{m}\cos \omega t}$, поэтому ${\displaystyle \Phi _{0}={\sqrt {\Phi _{m}^{2}\sin ^{2}(\omega t)+(-\Phi _{m}\cos \omega t)^{2}}}}$, или ${\displaystyle \Phi _{0}=\Phi _{m}.}$

См. также

• Двухфазный двигатель

Примечания

1. Ржонсницкий Б. Н. Никола Тесла — 1959. — 224 с., — 40 000 экз.
2. Thomas J. Blalock The first polyphase system — a look back at two-phase power for ac distribution, in IEEE Power and Energy Magazine, March-April 2004, ISSN 1540-7977 pg. 63
3. Terrell Croft and Wilford Summers (ed), American Electricans' Handbook, Eleventh Edition, McGraw Hill, New York (1987) ISBN 0-07-013932-6 page 3-10, figure 3-23

Ссылки

• Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition,McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07-020974-X
• Edwin J. Houston and Arthur Kennelly, Recent Types of Dynamo-Electric Machinery, copyright American Technical Book Company 1897, published by P.F. Collier and Sons New York, 1902