Вряд ли предполагал М.О. Доливо-Добровольский, открывая миру в 1889 году трехфазную систему, что она имеет столько недостатков, хотя и предпочтительнее любых других многофазных систем.

Сущность недостатков трехфазной системы напряжений кроется в ее амплитудной и фазовой несимметрии, т. е. в большинстве практических случаев напряжения фаз А, В и С в системах электроснабжения не равны друг другу, а углы сдвига между ними не равны стандартному значению, равному 120°.

Cреди крупных научных организаций, которые десятилетиями борются с амплитудной и фазовой несимметрией, можно выделить Киевский институт электродинамики, а среди ученых страны, посвятивших жизнь этой проблеме, - И. В. Жежеленко.

Не останавливаясь на причинах возникновения и основных способах нейтрализации этих явлений, отметим, что к ним в трехфазных сетях присоединились еще и неполнофазные режимы (НФР) - предельное значение обеих несимметрий, возникающее из-за обрыва одной или двух фаз сети.

Нейтрализация НФР, возникших по причине обрыва одной фазы осуществляется давно.

На практике очень редки электроустановки, которые могут смириться с НФР, поэтому появление обрыва в сети сопровождается немедленным срабатыванием устройств защиты. В большинстве отечественных устройств постоянно осуществлялся контроль трехфазного напряжения, наличия напряжения в фазах.

Самым простейшим устройством для этих целей был блок контроля с маломощным трехфазным трансформатором, подключаемым к соответствующим фазам сети. К выходу трансформатора подсоединялся выпрямитель, собранный по схеме А.Н. Ларионова, между плюсовым и минусовым выводами его включалось реле. При обрыве любой фазы сети указанное реле отключало потребителя от сети.

На смену описанному устройству пришли реле контроля фаз в трехфазной сети типа ЕЛ. В настоящее время известны модификации этого реле: ЕЛ - 11, ЕЛ - 12, ЕЛ - 13, ЕЛ - 11М, ЕЛ - 11М1, ЕЛ - 11М2 и ЕЛ - 101.

Модификациям реле ЕЛ придали дополнительную функцию, связанную с контролем последовательности фаз, поэтому их схемы сложны и дороги, причем исполнительным органом остается реле, производящее отключение неисправного источника (сеть, в которой пропала фаза) и включение резервного источника.

Процесс перехода с одного источника на другой связан с набросом и сбросом нагрузки, расходом ресурса коммутационной аппаратуры и резервного источника, но главное - смена источников ведет к перерыву в электроснабжении, поскольку не может происходить мгновенно.

В работах Ж. А. Мкртчяна показано, что для нарушения функционирования большинства вычислительных систем достаточно потери одного периода питающей сети, т.е. перерыва, равного 0,002 сек.

При использовании коммутационной аппаратуры электромагнитного типа перерыв в питании составляет от 1 до 5 сек.

Исследования, проведенные автором в течение последних 15 лет, показали, что возможен вариант бесперебойного питания ответственных потребителей при пропадании напряжения как в одной, так и в двух любых фазах сети.

Суть варианта в том, что при обрыве одной фазы используется мощность оставшихся двух фаз, а при обрыве двух фаз используется мощность оставшейся фазы за счет применения дополнительных устройств симметрирования напряжения (УСН).

Такие устройства выполняются по двухкаскадной схеме, при этом в первом каскаде производится первоначальное, грубое восстановление напряжения неисправной фазы, а во втором осуществляется как бы точное фазовое симметрирование.

Работа первого каскада основана на теории преобразования однофазного напряжения в двухфазное, родоначальником которой был Николо Тесла, а второго - на принципе работы однофазного переменного тока, напряжение которого подается в цепь, содержащую реактивные сопротивления.

Схема первого каскада подобна схеме включения в однофазную сеть магнитофона, холодильника, стиральной машины и т. п., что позволяет при обрыве фазы в трехфазной системе восстановить поврежденную фазу от смежной опережающей или отстающей фазы за счет использования, например, конденсатора.

После выполнения грубой операции по восстановлению фазы вновь образованная система напряжений будет трехфазной и почти симметричной по амплитуде, однако остается большая разница в угловых сдвигах, так как включение конденсатора обеспечивает фазовый сдвиг только на 90° вместо 120°.

Задачей второго каскада является как раз таки устранение разницы в фазах, что достигается включением реактивного элемента, например дросселя.

Работу УСН можно представить так:

1. Пусть имеется трехфазная симметричная система напряжений, векторы фазных напряжений которой расположены как обычно: вверху вектор А, справа вектор В и слева вектор С.

2. Пусть пропало напряжение в фазе А (т.е. пропал вектор А).

3. Образуем фазу А от вектора В за счет включения конденсатора и получаем трехфазную систему, в которой между векторами В и С угол будет прежним - 120°, между В и А - почти 90°, а между С и А - почти 150°. (Полученная система при допустимой амплитудной симметрии является несимметричной по фазе. Требуется векторы В и С одновременно сдвинуть назад на угол в 30°).

4. Обеспечиваем одновременный поворот против часовой стрелки векторов В и С на 30°, что достигается за счет включения дросселя в каждую из фаз.

При этом включения конденсаторов и дросселей осуществляет, естественно, реле, имеющее замыкающие и размыкающие контакты. Оно может быть трехфазным или же состоять из трех реле минимального напряжения.

Описанный вариант раскрывает лишь суть УСН. Для каждой сети оно должно быть своим. Так, в трехфазной сети, где часто обрывается одна из линий, применяется одна модификация УСН, а в трехфазной четырехпроводной сети можно использовать УСН для ликвидации обрыва одной фазы, УСН для нейтрализации обрыва двух фаз и комбинированное УСН, которое может восстановить и одну, и две фазы.

Использование УСН должно быть кратковременным, поэтому применяемое в нем реле должно информировать диспетчера о том, что электроустановки работают от двух фаз или от одной фазы сети.

Рассмотренный вариант электроснабжения при НФР проверялся экспериментально с помощью действующих макетов УСН-1 и УСН-2 (устройства, нейтрализующие соответственно, обрыв одной или двух фаз).

В обоих макетах в качестве нагрузки использовались трехфазные асинхронные двигатели, которые при соответствующих обрывах не меняли частоты вращения, однако в обоих случаях наблюдался кратковременный звуковой удар, природа которого пока не полностью расшифрована.

Представляет интерес и вопрос о месте установки УСН.

Здесь возможны два варианта: УСН устанавливается на общие шины, и его параметры согласованы с параметрами группы потребителей, либо же оно устанавливается на входе каждого потребителя, т.е. является индивидуальным, и его параметры согласованы с параметрами только данного потребителя.

Таким образом, использование простейших элементов в простейших схемах позволит обеспечить непрерывность технологического процесса как на хлебозаводе и в больнице, так и в любом вычислительном центре - в пределах 1-2 часов работы.