Добрый день, уважаемый читатель. Не задумывался ли ты, почему мы, люди во всём мире, в большинстве своём, пользуемся трёхфазной системой передачи электрического тока. Ведь, несмотря на класс напряжения, электроэнергия передаётся только по трём проводам. Конечно, за исключением сетей 380 В, где количество проводов может быть иным.
Ведь в теории возможно создание сетей с двумя или даже большим числом фаз. Почему так вышло? Кто предложил такую систему впервые? Вопрос крайне интересный и требует подробного рассмотрения. Поехали!
Как образуются фазы?
Для начала вспомним, как же образуется переменный ток. В любом замкнутом проводнике, попавшим в переменное магнитное поле будет наводиться электродвижущая сила. Такое явление называется электромагнитная индукция и была она открыта Фарадеем в 1831 году.
Допустим, что мы будем вращать металлическую рамку в поле постоянного магнита. Из-за явления электромагнитной индукции в рамке будет возникать электродвижущая сила. При подключении к двум концам этой рамки прибора или нагрузки, электрическая цепь замкнётся и по ней будет протекать электрический ток.
Это очень простая схема работы однофазного генератора переменного тока. Казалось бы, что ещё нужно? Есть фазный и нулевой проводники, и этого вполне достаточно для организации сети переменного тока.
Зачем нужно больше фаз?
Инженеры пробовали создавать и однофазные системы передачи переменного тока. В 1883 году для питания осветительной сети Лондонского метро, французский электротехник Люсьеном Голяр применил однофазную линию напряжением в 1,5 кВ, протяжённость которой составляла 23 км. По этой линии ему удалось передать мощность 15 кВт.
В 1884 году французский учёный на выставке в Турине продемонстрировал уже работу однофазной линии напряжением 2 кВ и длиной 40 км. Мощность, передаваемая по этой линии составляла 30 кВт. Однако, у таких линий возникали проблемы при подключении электродвигателей. Оказалось, что пусковой момент для них был недостаточен.
В XIX веке работы по созданию многофазных систем проводил Никола Тесла. Он экспериментировал с двухфазными системами, при которых в магнитном поле вращались две рамки, расположенные под углом в 90° относительно друг друга.
На рисунке можно увидеть, что между синусоидами имеется сдвиг, также равный 90° или 1/4 периода. Фазой, как раз, и называют этот сдвиг, а также вывод генератора или вывод линии электропередач. Запатентовал свою систему Никола Тесла в 1888 году.
Хорошо, теперь у нас есть две фазы и казалось бы, теперь условие работы электродвигателей выполняется. Вращающееся магнитное поле есть, и двигатель будет работать.
Однако, зачем нужно больше фаз? Из рисунка патента Тесла видно, что для передачи электроэнергии требуется уже 4 проводника, что приводило к серьёзным затратам.
Трёхфазная система
Первым, кто придумал расположить обмотки генератора под углом в 120°, был российский учёный Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Оказалась, что трёхфазная система наилучшим образом подходит для передачи и потребления электрической энергии на большие расстояния. При этом, кроме создания вращающегося магнитного поля, можно было получать сразу два напряжения без применения трансформаторов.
В 1891 году Доливо-Добровольский запатентовал трёхфазный трансформатор и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором «беличья клетка», конструкция которых не претерпела существенных изменений и по сей день.
Также 1891 году на Международной выставке, которая проходила в немецком городе Франкфурт-на-Майне, была впервые продемонстрирована работа трёхфазной электрической сети переменного тока. Она состояла из генератора, воздушной линии электропередачи, длиной в 175 км и двигателя, который приводил в движение водяной насос. Этот насос обеспечивал работу искусственного водопада.
На этой выставке была наглядно продемонстрирована возможность наиболее экономически выгодно передавать на значительные расстояния электрическую энергию.
Заключение
Именно трёхфазная система позволяет с наименьшими затратами образовывать устойчивое вращающееся магнитное поле, которое требуется для надёжного запуска электродвигателей. Такая система передачи электроэнергии является наиболее стабильной и уравновешенной. Благодаря таким качествам, трёхфазная система переменного тока приобрела большое распространение.