náhled|377x377pixelů|Zjednodušené schéma dvojfázového generátoru Dvoufázová soustava (též dvojfázová soustava) je druh střídavé elektrické sítě používané historicky k přenosu elektrické energie. Využívá dvě střídavá napětí o stejné frekvenci, vzájemně posunutá o 90°. Byla vyvinuta na konci 19. století, v průběhu 20. století pak byla vytlačena třífázovou soustavou. Představovala první prakticky využívaný vícefázový systém pro výrobu, přenos a distribuci elektrické energie a sehrála významnou roli v počátcích elektrifikace. Její vývoj úzce souvisel se vznikem asynchronního motoru, který ke svému provozu vyžadoval rotující magnetické pole vytvářené vícefázovým napájením.

Dvoufázová soustava se začala rozšiřovat počátkem 90. let 19. století a byla použita například na světové výstavě World's Columbian Exposition v Chicagu roku 1893 nebo v první střídavé vodní elektrárně na Niagarských vodopádech uvedené do provozu roku 1895. Ve své době byla považována za jednodušší alternativu k tehdy málo prozkoumaným třífázovým soustavám, protože její jednotlivé fáze byly elektricky nezávislé a jejich chování bylo snazší analyzovat. S rozvojem teorie střídavých obvodů, zdokonalením třífázových elektromotorů a prokázáním vyšší hospodárnosti třífázového přenosu energie začala být dvoufázová soustava během 20. století postupně nahrazována soustavou třífázovou. V současnosti se již pouze výjimečně vyskytuje v historických instalacích.

Princip VeličinaVzorecJednotkaZdánlivý výkonVAČinný výkonWJalový výkonVArSdružené napětíV Dvoufázová soustava je vícefázová střídavá elektrická soustava využívající dvě sinusová napětí o stejné amplitudě a frekvenci, která jsou vůči sobě fázově posunuta o 90°. Fázový posun vzniká v důsledku vzájemného posunu cívek generátoru, a naopak v motoru v důsledku vzájemného fázového posunu vzniká točivé magnetické pole. V klasickém provedení je soustava tvořena čtyřmi živými vodiči, přičemž každá fáze napájí samostatný obvod. Rovněž je možné třívodičové provedení, kdy se jeden vodič z každé fáze spojí do společného vodiče, nejde však o střední ani nulový vodič v dnešním slova smyslu. Výhodou tohoto řešení je menší spotřeba vodičového materiálu a možnost použití třípólových vypínačů a jističů. Nevýhodou třívodičového zapojení je nerovnoměrné proudové zatížení vodičů. I při dokonale symetrickém zatížení obou fází protéká společným vodičem proud √2krát (přibližně 1,414krát) větší než proud v krajních vodičích, musí tak mít větší průřez než zbývající dva vodiče.

Hlavní výhodou dvoufázové soustavy oproti jednofázové bylo vytvoření přirozeného točivého magnetického pole. To umožňovalo přímé napájení asynchronních motorů, které se dokázaly samostatně rozběhnout bez použití pomocných rozběhových zařízení (pomocného vinutí a kondenzátor). Další výhodou byla jednodušší teoretická analýza soustavy. Obě fáze byly elektricky oddělené a jejich vzájemné působení bylo minimální. Na konci 19. století, kdy ještě neexistovaly matematické metody pro efektivní výpočty nesymetrických třífázových obvodů, představovala tato skutečnost významnou přednost. Situace se změnila až po zavedení metody symetrických složek roku 1918. Hlavní nevýhodou dvoufázové soustavy byla nižší hospodárnost přenosu elektrické energie. Pro přenos stejného výkonu při stejném napětí vyžadovala větší množství vodičového materiálu než soustava třífázová. Třífázový systém tak umožňoval dosáhnout stejného přenášeného výkonu s menší spotřebou materiálu na výrobu vedení a přístrojů. Tato výhoda byla zvláště významná u dálkových přenosů elektrické energie.

Historie

Počátky náhled|Vinutý dvojfázový elektromotor okolo roku 1893Na počátku 90. let 19. století činilo elektrotechnikům značné obtíže již samotné pochopení chování jednofázových střídavých obvodů. Situace se výrazně změnila až po zavedení komplexních čísel a operátoru j do výpočtů střídavých obvodů (tzv. symbolicko-komplexní metoda), které vypracoval Charles Proteus Steinmetz ze společnosti General Electric. Jeho práce umožnila přesný matematický popis vztahů mezi napětím a proudem ve střídavých elektrických soustavách, a to i vícefázových. Potřeba vícefázových soustav se objevila s nástupem asynchronního motoru, vyvinutého Nikolou Teslou roku 1889, který ke svému samočinnému rozběhu vyžadoval rotující magnetické pole vytvářené vícefázovým napájením. Třífázové soustavy se však zpočátku ukázaly jako teoreticky velmi složité. Změny napětí nebo proudu v jedné fázi ovlivňovaly i zbývající dvě fáze a tehdejší matematické prostředky neumožňovaly jejich chování dostatečně jednoduše analyzovat. Naproti tomu u dvoufázové soustavy byly obě fáze elektricky oddělené a vzájemně se neovlivňovaly, což bylo považováno za významnou výhodu.

První vícefázové elektrické soustavy proto nebyly třífázové, ale dvoufázové. Využívaly dvě střídavá napětí vzájemně posunutá o 90°. První dvoufázové generátory z počátku 90. let 19. století byly ve skutečnosti tvořeny dvojicí jednofázových strojů mechanicky spojených na společné hřídeli, jejichž rotory byly nastaveny tak, aby vytvářely požadovaný fázový posun. Každý generátor napájel samostatný jednofázový dvouvodičový obvod. Protože byly obě fáze elektricky zcela oddělené, neovlivňovaly se navzájem proudy ani napětí v jednotlivých obvodech. Z teoretického hlediska byla proto dvoufázová soustava podstatně jednodušší a srozumitelnější než soustava třífázová.

Rozvoj náhled|Scottovo zapojení; Y1, Y2, Y3 fáze trojfázového systému; R1, R2 - jedna fáze dvoufázového systému, R3, R4 - druhá fáze dvoufázového systému|vlevoPraktický význam dvoufázové soustavy byl demonstrován na světové výstavě World's Columbian Exposition v Chicagu roku 1893. Společnost Westinghouse zde zajistila napájení elektrárny i rozsáhlého osvětlovacího systému pomocí dvoufázové soustavy vyráběné dvojicemi spojených jednofázových generátorů. Zkušenosti získané při provozu této soustavy pravděpodobně ovlivnily rozhodnutí společnosti Westinghouse použít dvoufázové generátory také v první střídavé vodní elektrárně na Niagarských vodopádech, která byla uvedena do provozu 26. srpna 1895. Na rozdíl od starších řešení byl použit generátor tvořený jediným strojem se dvěma vzájemně proloženými vinutími. Generátor o hmotnosti 85 tun pracoval na frekvenci 25 Hz a při jmenovitém napětí 2 kV dosahoval výkonu přibližně 5 000 koňských sil (3,7 MW).

Přestože na přelomu 19. a 20. století přetrvávaly pochybnosti o praktické použitelnosti třífázové soustavy, bylo již zřejmé, že z hlediska přenosu elektrické energie na větší vzdálenosti je hospodárnější než soustava dvoufázová, protože při stejném napětí a přenášeném výkonu má o jeden vodič méně. Inženýr Charles F. Scott proto navrhl speciální transformátorové zapojení umožňující převod mezi dvoufázovou a třífázovou soustavou. Pomocí těchto transformátorů bylo napětí vyrobené v Niagaře převedeno na třífázovou soustavu o napětí 11 kV a následně přenášeno do města Buffalo ve státě New York.

Útlum Na počátku 20. století se výpočty třífázových soustav výrazně zjednodušily zavedením metody symetrických složek, původně označované jako Fortescueovy složky, kterou roku 1918 představil Charles LeGeyt Fortescue ze společnosti Westinghouse. K jejímu dalšímu rozvoji významně přispěla také Edith Clarke. Tato metoda využívá operátor a s fázovým posunem 120° a umožňuje efektivně analyzovat chování třífázových obvodů, zejména při nesymetrickém zatížení. Rozvoj teorie střídavých obvodů odstranil jednu z hlavních překážek širšího využití třífázových soustav a přispěl k jejich postupnému rozšíření.

Například původní generátory elektrárny Niagara Falls byly roku 1926 přestavěny na výrobu třífázového proudu o napětí 12 kV. Ústup dvoufázových rozvodů pokračoval po celé 20. století. Většina soustav byla postupně nahrazena standardními třífázovými rozvody, které nabízely jednodušší provoz, vyšší účinnost a lepší kompatibilitu s moderními elektrickými zařízeními. Do 21. století se dochovalo již jen několik izolovaných pozůstatků dvoufázových sítí. Ještě na počátku století byly evidovány zbytky dvoufázových rozvodů například ve Filadelfii a Hartfordu. V roce 2020 bylo zdokumentováno, že společnost PECO Energy ve staré části Filadelfie stále provozuje některé distribuční transformátory napojené na dvoufázovou třívodičovou síť o primárním napětí 4 kV a sekundárním napětí 125 V mezi fází a středním vodičem a přibližně 175 V mezi oběma fázemi.

Odkazy

Reference

Externí odkazy

Dvojfázový čtyřpólový vypínač instalovaný ve Filadelfii

Kategorie:Elektroenergetika