Продолжим разбираться в особенностях американской энергосистемы. В частности, как получается, что у обычных потребителей фазное напряжение отличается от линейного в 2 раза? Ещё попытаемся ответить на вопрос — зачем нужно столько классов напряжений?
Первая часть статьи тут:
Откуда берётся фазное и линейное напряжение?
Сначала - коротко, как получается синусоида (однофазная и "трехфазная").
Как мы все прекрасно знаем, при вращении замкнутого проводника в магнитном поле, благодаря электромагнитной индукции, в нём будет наводиться электродвижущая сила и на выводах этого проводника появится напряжение. Если к выводам этого проводника подключить измерительный прибор, то можно получить график изменения напряжения во времени.
Трёхфазный генератор переменного тока, по существу, состоит из трёх генераторов переменного тока соединённых вместе и помещённых в один корпус. На нижнем рисунке вращается магнит, а обмотки закреплены неподвижно, под углом в 120°.
Если рассматривать изменение во времени графиков ЭДС, то мы получим три синусоиды.
Соответственно, трёхфазная система электрического тока состоит из трёх цепей, в которой действуют переменные ЭДС одинаковой частоты, но сдвинутые относительно друг друга на одну треть периода или на 120°. Такие отдельные цепи называют фазами.
Допустим, что обмотки генератора и трёхфазная нагрузка соединены в звезду. Соответственно, при таком подключении у нас будет два вида напряжений. Напряжение между линейным и нулевым проводами будет равняться напряжению каждой фазы на генераторе и называется фазным напряжением, а напряжение между двумя линейными проводам, будет называться линейным напряжением.
При подключении симметричной нагрузки к каждой фазе, в нулевом проводнике ток будет равен нулю. Значит, его можно сделать из проводника меньшего сечения (при подключении треугольником нулевого проводника нет). Благодаря тому, что одинаковую мощность экономически выгодно передавать в трёхфазной системе переменного тока, именно такие системы стали наиболее распространёнными.
Теперь представим две любые синусоиды в виде двух векторов, которые вращаются. Эти векторы также будут располагаться под углом в 120° относительно друг друга.
Допустим, что фазные напряжения будут Ua=Ub=220 В. Тогда для того чтобы получить значение линейного напряжения, будет недостаточно просто сложить значения этих векторов, то есть 220 В+220 В. Обязательно нужно учитывать угол смещения фаз, равный 120°.
Получаем:
Uл=√3*Uф=1,73*Uф (= 380В).
Схемы подключения трансформаторов в США
Разумеется, в США деньги считать умеют, а раз трёхфазные системы считаются более выгодными, то именно их и используют. Однако со своими особенностями.
Если на пространстве бывшего СССР привыкли к тому, что линия электропередач 6 или 10 кВ подходит к КТП, где установлен трёхфазный трансформатор, то в США, такие трансформаторы, конечно, есть, однако, практически повсеместно применяются однофазные трансформаторы. При этом соединяют их по-разному.
Первичные обмотки соединены как правило в схему "Треугольник", со сдвигом 120 гр. Заземление, как при однофазном питании, при этом не используется.
Первичка может быть с линейным напряжением - 4160 В, 8320 В, 12470 В 13200 В, 13800 В, 24940 В. Зачем столько, не знаю - видимо, так сложилось исторически.
По первичке, обмотки отдельных однофазных трансформаторов могут соединяться как звездой (открытой звездой), так и треугольником.
Можно собирать трёхфазный трансформатор из отдельных однофазных трансформаторов. Ещё есть отдельные трёхфазные трансформаторы. Само собой, что коэффициент трансформации определяет вторичное напряжение.
Тут ещё свою роль играет группа соединения обмоток трансформатора. Вторичка тоже может соединяться как звездой, так и треугольником. В разных штатах может быть разное вторичное напряжение! например, в Лас Вегасе это 122 В, а в Лос Анджелесе - 199 В.
Как американцы питаются при таких различиях напряжений - не представляю... Может, кто-то подскажет?
Звезда
Для примера рассмотрим подключение вторичных обмоток однофазных или трёхфазного трансформатора по схеме «звезда».
Теперь рассмотрим полученную векторную диаграмму.
По нашей формуле:
Uл=√3*Uф=1,73*Uф=1,73*120=207,6≈208 В
Однако, данная схема не очень распространена в США, так как для мощных потребителей, например, систем кондиционирования или электрического отопления применяется более высокое напряжение 480 В.
Соответственно:
Uф=Uл/√3=Uф/1,73=480/1,73=277,4≈277 В
Расщеплённая фаза
Теперь рассмотрим самую распространённую схему подключения — подключение однофазного трансформатора с расщеплённой фазой. Как видно из нижнего рисунка, к трансформатору подходит всего лишь один фазный провод. Другой конец первичной обмотки подключён к заземляющему контуру.
Также возможно подключение по двум проводам — фазному и нулевому проводникам.
Если мы представим синусоиды в виде двух векторов, то окажется, что они расположены прямо противоположно или под углом в 180° относительно друг друга.
При сложении этих векторов и при таком сдвиге фаз получается, что сумма напряжений в 120 В на каждой полуобмотке равна 240 В.
То есть по формуле получаем:
Uл=2*Uф=2*120=240 В
Почему такая система питания?
Конечно, для нас, жителей бывшего СССР, привыкших к тому, что дома в розетке, есть 220 В, такое разнообразие напряжений кажется избыточным. Однако для американского обывателя всё это кажется вполне нормальным.
Исторически так сложилось, что сначала в США использовался постоянный ток. Данную технологию активно внедрял Томас Эдисон. При этом применялись три провода: нулевой, положительный и отрицательный проводники.
Напряжение в 100 В им было получено экспериментально. Ведь именно такое напряжение было оптимальным для работы ламп накаливания, в которых изначально применялась угольная нить.
Напряжение было поднято до 110 В, при этом 10% Эдисон добавил для того, чтобы компенсировать потери напряжения.
Нужно отметить, что потери напряжения были значительными, а постоянный ток было трудно трансформировать. Разумеется, что и конкуренты не дремали. После того как в «войне токов» победила система переменного тока Никола Тесла, которую продвигал промышленник Джордж Вестингаусз, американцы придумали, как передавать переменный ток по трём проводам. Так и появились современные системы, в том числе и система с расщеплённой нейтралью.
У бытовых потребителей для освещения применяется напряжение 120 В, а напряжение 240 В применяют для питания более мощной техники — электроплит, кондиционеров, систем отопления и т. п. Более высокое напряжение, например: 208 В, 277 В, 480 В, используют для предприятий или для коммерческих зданий.
Статьи в тему на СамЭлектрик.ру
------------------------------------
Статья заинтересовала? Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и делитесь опытом в комментариях!
Также жду вас на блоге www.SamElectric.ru и в группе СамЭлектрик.ру в ВК!
Внимание! Автор не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!