Kolmivaiheinen piiri | Tähti- ja delta-järjestelmä

Sähköverkossa on kaksi järjestelmää käytössä, yksivaiheinen ja kolmivaiheinen järjestelmä. Yksivaiheisessa verkossa on vain yksi vaihe, eli virta kulkee vain yhdellä johtolla, ja sähkövirta palautuu neutraalijohdolla, joka toimii palautuspolkuna. Tämän vuoksi yksivaiheisessa verkossa voidaan kuljettaa vähäistä sähköenergiaa. Tässä tapauksessa myös tuotantolaitos ja kulutuslaitos ovat yksivaiheisia. Tämä on vanha järjestelmä, jota on käytetty aikaisemmin.
Vuonna 1882 tehtiin uusi keksintö monivaiheiselle järjestelmälle, jossa voidaan käyttää useita vaiheita sähkön tuotannossa, siirrossa ja kulutuksessa. Kolmivaiheinen verkko on monivaiheinen järjestelmä, jossa kolme vaihetta lähetetään yhdessä generaattorista kulutuspisteeseen.

Jokaisella vaiheella on 120o vaihe-ero, eli 120o elektrisesti. Koska kokonaisvaikutus on 360o, kolme vaihetta on jaettu tasapainoisesti 120o kappaleina. Kolmivaiheisessa järjestelmässä teho on jatkuva, koska kaikki kolme vaihetta osallistuvat kokonaistehon tuotantoon. Kolmivaiheisen järjestelmän sinimuodot näkyvät alla olevasta kuvasta:
Kolme vaihetta voidaan käyttää myös yksivaiheisesti. Jos kulutus on yksivaiheinen, voidaan ottaa yksi vaihe kolmivaiheisesta verkkosta ja neutraali voi toimia maanpaikana sulkeakseen piirin.

Miksi kolmivaiheinen järjestelmä on suositumpi kuin yksivaiheinen?

Tähän kysymykseen on useita syitä, sillä kolmivaiheisella järjestelmällä on useita etuja yksivaiheiseen verrattuna. Kolmivaiheinen järjestelmä voidaan käyttää kolmena yksivaiheisena johtona, joten se voi toimia kolmena yksivaiheisena järjestelmänä. Kolmivaiheisen ja yksivaiheisen tuotannon perusmekaniikka on sama generaatoreissa, paitsi että kytkentä on muutettu saadakseen 120o vaihe-eron. Johtoa tarvitaan kolmivaiheisessa verkkossa 75 % sitä määrää, mitä yksivaiheisessa verkkossa. Lisäksi yksivaiheisessa järjestelmässä hetkellinen teho nollaantuu, kun taas kolmivaiheisessa järjestelmässä kaikkien vaiheiden yhteistehtävä antaa jatkuvan tehon kulutuspisteelle.

Voimme todeta, että kolmivaiheisessa verkkossa on kolme jännitteen lähde yhdistetty muodostamaan kolmivaiheisen verkoston, ja tämä on itse asiassa sisäpuolella generaatiossa. Generaattori sisältää kolme jännitteen lähdettä, jotka toimivat yhdessä 120o vaihe-erossa. Jos voimme järjestää kolme yksivaiheista verkkoa 120o vaihe-erossa, niin se tulee kolmivaiheiseksi verkostoksi. Joten 120o vaihe-ero on välttämätön, muuten piiri ei toimi, kolmivaiheinen kulutuslaitos ei pysty aktivoitumaan ja se voi aiheuttaa vahinkoa järjestelmälle.

Kolmivaiheisten laitteiden koko tai metallimäärä ei ole paljon erilainen. Jos tarkastelemme muuntimia, niiden koko on melkein sama sekä yksivaiheiselle että kolmivaiheiselle, koska muuntimet luovat vain fluksen yhteyden. Niinpä kolmivaiheinen järjestelmä on tehokkaampi verrattuna yksivaiheiseen, koska samalla tai pienellä massavaihdolla kolmivaiheinen johto on ulos, kun taas yksivaiheisessa on vain yksi. Ja häviöt ovat pienimmillään kolmivaiheisessa piirissä. Joten yhteenvetona kolmivaiheinen järjestelmä on tehokkaampi kuin yksivaiheinen.
Kolmivaiheisessa piirissä yhteydet voidaan antaa kahdella tavalla:

1. Tähtiyhteys

2. Delta-yhteys

Vähemmän yleisesti on olemassa myös avoimen deltayhteyden, jossa käytetään kaksi yksivaiheista muuntimia tuottamaan kolmivaiheinen virta. Nämä käytetään yleensä vain hätätilanteissa, sillä niiden tehokkuus on alhainen verrattuna suljetun delta (delta-delta) -järjestelmiin, jotka käytetään normaalissa käytössä.

Tähtiyhteys

Tähtiyhteydessä on neljä johtoa, kolme vaihejohtoa ja yksi neutraali, joka otetaan tähtipisteestä. Tähtiyhteys on suosittu pitkien etäisyyksien sähkövoiman siirtämiseen, koska siinä on neutraalipiste. Tässä meidän on tullut käsitteisiin tasapainoinen ja epätasapainoinen virta sähköjärjestelmässä.

Jos kaikki kolme vaihetta kuluttavat yhtä paljon virtaa, kyseessä on tasapainoinen virta. Kun virta ei ole tasapainoinen missään vaiheessa, kyseessä on epätasapainoinen virta. Tasapainoisessa tilassa neutraalijohtoon ei kulje virtaa, joten neutraaliterminalilla ei ole käyttöä. Mutta kun kolmivaiheisessa verkossa on epätasapainoinen virta, neutraali on keskeisessä roolissa. Se vie epätasapainoisen virtan maahan ja suojelee muuntimia. Epätasapainoinen virta vaikuttaa muuntimiin ja se voi aiheuttaa vahinkoa, joten tähtiyhteys on suosittu pitkien etäisyyksien siirtoon.
Tähtiyhteys näkyy alla olevasta kuvasta:

Tähtiyhteydessä vaihejännite on √3 kertaa vaihejännite. Vaihejännite on jännite kahden vaiheen välillä kolmivaiheisessa verkossa, ja vaihejännite on jännite yhden vaiheen ja neutraalijohdon välillä. Virta on sama molemmille vaiheille ja vaihejännitteelle. Se näkyy alla olevassa kaavassa:

Delta-yhteys

Deltayhteydessä on vain kolme johtoa, eikä neutraaliterminaalia oteta. Yleensä deltayhteys on suosittu lyhyille etäisyyksille epätasapainoisen virran vuoksi piirissä. Deltayhteyden kuva näkyy alla. Kulutuspisteessä maan voidaan käyttää neutraalipolkuina tarvittaessa.

Deltayhteydessä vaihejännite on sama kuin vaihejännite. Vaihevirta on √3 kertaa vaihevirta. Se näkyy alla olevassa kaavassa:

Kolmivaiheisessa piirissä tähtiyhteys ja deltayhteys voidaan järjestää neljällä eri tavalla:

1. Tähti-tähtiyhteys

2. Tähti-deltayhteys

3. Delta-tähtiyhteys

4. Delta-deltayhteys

Mutta teho on riippumaton kolmivaiheisen järjestelmän kytkennästä. Kokonaisteho on sama sekä tähtiyhteydessä että deltayhteydessä. Kolmivaiheisen piirin tehoa voidaan laskea alla olevasta kaavasta:

Koska on kolme vaihetta, kolminkertainen kerroin lisätään normaaliin tehoyhtälöön, ja PF on tehokerroin. Tehokerroin on hyvin tärkeä tekijä kolmivaiheisessä järjestelmässä, ja joskus sen virheistä korjaamiseksi käytetään kapasitoreita.

Lähde: Electrical4u.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita kannattaa jakaa, jos on loukkausta, yhteydenotto poistamaan.