Почему 3 фазы, а не 1 фаза?

Почему для передачи энергии используются три линии с тремя разными фазами? Почему бы не три линии все в одной фазе? Связано ли это с генераторами, используемыми для выработки энергии, или есть меньшие потери, когда фазы всех трех линий различны?

^{Мой вопрос несколько противоположен « Почему трехфазное питание? Почему не большее число фаз? » (Ср. « Почему трехфазное смещение составляет 120 градусов? »).}

Почему бы не три линии все в одной фазе?

1. Потому что тогда пути возврата нет.
2. Потому что у одной фазы нет «вращения». Трехфазный позволяет очень просто создать вращающийся двигатель с чередованием фаз, определяющим направление вращения. Поменяйте местами две фазы, и направление изменится.

Есть ли меньшие потери, когда фазы всех трех линий различны?

1. Для трехфазного распределения мощности требуется меньше меди или алюминия для передачи одинакового количества энергии по сравнению с однофазной мощностью.
2. Размер трехфазного двигателя меньше, чем у однофазного двигателя того же номинала.
3. Трехфазные двигатели запускаются самостоятельно, поскольку они могут создавать вращающееся магнитное поле. Для однофазного двигателя требуется специальная пусковая обмотка, поскольку он создает только пульсирующее магнитное поле.
4. В однофазных двигателях мощность, передаваемая в двигателях, является функцией мгновенной мощности, которая постоянно изменяется. В трехфазном режиме мгновенная мощность постоянна.
5. Однофазные двигатели более подвержены вибрации. Однако в трехфазных двигателях передаваемая мощность является равномерной на протяжении всего цикла, и, следовательно, вибрации значительно снижаются.
6. Трехфазные двигатели имеют лучшее регулирование коэффициента мощности.
7. Три фазы обеспечивают эффективное выпрямление постоянного тока с низкой пульсацией.

Рисунок 1. Результирующий постоянный ток от трехфазного выпрямителя.

8. Генераторы также получают выгоду, представляя постоянную механическую нагрузку в течение всего оборота, тем самым максимизируя мощность, а также сводя к минимуму вибрацию.

Хороший ответ от @Transistor. Чтобы добавить немного больше: -

Три фазы по своей природе сбалансированы по току и напряжению с точки зрения того, что они создают помехи. В любой момент времени (и разумно сбалансированная нагрузка) магнитная эмиссия мала, потому что все магнитные поля сводятся на нет из-за уравновешенных токов.

Баланс чистого напряжения в ближней дальней зоне имеет важное значение для снижения уровня электромагнитных помех. Это не относится к одной фазе и возвратному проводу, потому что поле чистого переменного напряжения, видимое в ближнем дальнем поле, составляет половину поля переменного тока на клемме под напряжением. Это может генерировать EMI.

Ясно, что вы можете привести аргумент, чтобы сказать, что в несбалансированных условиях будет иметь место чистое магнитное поле, но, чтобы противостоять этому, на большой линии электропередачи большой мощности, дисбаланс обычно будет всего несколько процентов максимум:

Таким образом, для сбалансированной нагрузки 30 А (на фазу) из-за баланса в 120 градусов чистая сумма трех отдельных векторов тока равна нулю.

Еще одним преимуществом является то, что при преобразовании в постоянный ток 3-фазная линия создает намного более низкое пульсирующее напряжение из-за того, что всегда есть два проводящих диода:

Я сфокусирую свой ответ на одной передаче, не объясняя, почему в целом 3-я фаза полезна, потому что другие ответы сделали это.

Передача власти - это компромисс. Компромисс между эффективностью передачи и простотой преобразования. Наиболее эффективным способом передачи электроэнергии является постоянный ток. Вот почему большинство сверхдлинных линий - это HVDC (постоянный ток высокого напряжения). Однако DC является худшим для преобразования его в HV, когда вы хотите отправить его с электростанции, и обратно в LV, когда вы хотите передать его потребителям.

AC с другой стороны очень удобно конвертировать - достаточно поставить трансформатор. Однако передача отстой. Например. AC излучает часть энергии, но это не главное. Если вы посмотрите на синусоидальный график, вы поймете, что провод переменного тока на самом деле не работает 100% времени. В то время как кабель постоянного тока несет полезный ток все время (можно считать постоянный ток как ШИМ с 100% рабочим циклом), кабель переменного тока передает ток только часть времени. Это означает, что при одинаковом пиковом напряжении (которое определяет стоимость изоляции линии) и при одинаковом пиковом токе (который определяет размер и стоимость проводников) переменный ток может передавать только часть мощности.

Здесь приходит идея многофазности. Конечно, многофазность сама по себе ничего не значит, вы можете иметь 3 фазы на 6 проводниках (3 пары полностью независимы друг от друга). Ключевым моментом здесь является разделение проводов между фазами. Это похоже на горячую койку на военном корабле - 2 моряка делят 1 койку, когда один парень просыпается и начинает свою смену, другой заканчивает свою смену и ложится спать. Смысл в том, чтобы не иметь пустой койки, просто тратя впустую пространство, и 3-фазный переменный ток работает по той же концепции: во время, когда одна фаза «отдыхает», другая фаза повторно использует один из своих проводов для передачи собственного тока. С первого взгляда неясно, потому что он очень плавный, один падает к 0, а другие поднимаются, и никогда не бывает времени, когда одна фаза в виде провода соединяется сама с собой. Но дело в том, чтобы повторно использовать время простоя проводов.

Почему 3? Поскольку 2 слишком мало, вы не можете иметь 2 фазы на 2 провода. 3 - это минимальное количество фаз, которые могут разделить все провода. Почему смещение? Потому что одна фаза на X проводниках - это то же самое, что 1 проводник в X раз толще.

Когда вы сравниваете 3-фазную систему с 1-фазной, вы можете ясно видеть, что при добавлении на 50% больше проводов вы получаете в 3 раза больше тока.

3-фазная передача использует провода ДВАЖДЫ так же эффективно, как 1-фазная. Таким образом, вы можете использовать вдвое меньше меди при строительстве линии.