Защо трифазно напрежение? Защо не 6, 12 или повече за предаване на енергия?

Еднофазни и трифазни системи са най-широко разпространените конфигурации за предаване, разпределение и крайна употреба на електроенергия. Въпреки че и двете служат като основни рамки за доставка на енергия, трифазните системи предлагат явни преимущества в сравнение с еднофазните.

Забележително е, че многофазните системи (например 6-фазни, 12-фазни и т.н.) намират специфични приложения в електрониката на мощността – особено в правоъгълните цепи и регулатори на честотата (VFDs) – където те ефективно намаляват флуктуациите в пулсиращите DC изходи. Постигането на многофазни конфигурации (например 6, 9 или 12 фази) исторически включвало сложни техники за фазово смятане или мотор-генераторни комплекти, но тези подходи остават икономически неизпълними за голямомащабното предаване и разпределение на мощност на големи разстояния.

Защо Трифазна, а не Еднофазна Система?

Основното преимущество на трифазната система в сравнение с еднофазна или двуфазна система е, че можем да предаваме повече (постоянна и равномерна) мощност.

Мощност в Еднофазна Система

• P =  V . I  . CosФ

Мощност в Трифазна Система

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Или

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Където:

• P = Мощност в ватове

• V_L = Линейно напрежение

• I_L = Линейен ток

• V_PH = Фазно напрежение

• I_PH = Фазен ток

• CosФ = Коефициент на мощност

Ясно е, че мощността на трифазната система е 1,732 (√3) пъти по-висока от тази на еднофазната система. При сравнение, двуфазната система предава 1,141 пъти по-голяма мощност от еднофазната конфигурация.

Ключово преимущество на трифазните системи е ротационното магнитно поле (RMF), което позволява само-запалване на трифазни мотори, осигурявайки постоянна моментна мощност и момента. В противовес, еднофазните системи липсват на RMF и показват пулсираща мощност, ограничавайки тяхната производителност в приложенията на мотори.

Трифазните системи предлагат и по-добро ефективно предаване, с намалена загуба на мощност и падане на напрежението. Например, в типична резистивна верига:

Еднофазна Система

• Загуба на мощност в предавателната линия = 18I²r … (P = I²R)

• Падане на напрежението в предавателната линия = I.6r … (V = IR)

Трифазна Система

• Загуба на мощност в предавателната линия = 9I²r … (P = I²R)

• Падане на напрежението в предавателната линия = I.3r … (V = IR)

Показано е, че падането на напрежението и загубата на мощност в трифазната система са с 50% по-ниски от тези в еднофазната система.

Двуфазните системи, подобно на трифазните, могат да предоставят постоянна мощност, генериране на RMF (ротационно магнитно поле) и постоянен момент. Но трифазните системи пренасят повече мощност от двуфазните системи поради допълнителната фаза. Това повдига въпроса: защо не използваме повече фази като 6, 9, 12, 24, 48 и т.н.? Ще обсъдим това детайлно и ще обясним как трифазната система може да предава повече мощност от двуфазната система със същия брой жици.

Защо Не Двуфазна?

И двуфазните, и трифазните системи могат да генерират ротационни магнитни полета (RMF) и да предоставят постоянна мощност и момент, но трифазните системи предлагат ключово преимущество: по-висока мощност. Допълнителната фаза в трифазните установки позволява 1,732 пъти по-голямо предаване на мощност от двуфазните системи със същия размер на проводника.

Двуфазните системи типично изискват четири жици (две фазни проводници и две нейтрални) за завършване на веригите. Използването на обща нейтрална жица за формиране на тройна жична система намалява кабелите, но нейтралната жица трябва да пренася комбиниран обратен ток от двете фази – изискващи по-дебели проводници (например мед) за избягване на прекомерно затопляне. В противовес, трифазните системи използват три жици за балансирани натоварвания (делта конфигурация) или четири жици за несбалансирани натоварвания (звезда конфигурация), оптимизирайки доставката на мощност и ефективността на проводниците.

Защо Не 6-Фазна, 9-Фазна или 12-Фазна?

Въпреки че системи с повече фази могат да намалят загубите при предаването, те не са широко приети поради практически ограничения:

• Ефективност на Проводниците: Трифазните системи използват най-малко проводници (3) за предаване на балансирани мощности, докато 12-фазна система би изисквала 12 проводника – четворно увеличаване на материалите и разходите за инсталация.

• Подтискване на Хармоники: Угълът между фазите от 120° в трифазните системи естествено компенсира хармоничните токове, елиминирайки необходимостта от сложни филтри, необходими в системи с повече фази.

• Сложност на Системата: Системи с повече фази изискват преинженерирани компоненти (трансформатори, автомати, комутационни устройства) и по-големи подстанции, увеличавайки сложността на проектирането и обслужването.

• Практични Ограничения: Моторите и генераторите с повече от три фази са по-громоздки и трудни за охлаждане, докато опорите за предаване биха нуждирали по-голяма височина, за да вместят повече проводници.

Преимуществата на Трифазната Система

Трифазните системи достигат оптимален баланс:

• Предават 50% по-голяма мощност от еднофазните системи със същите проводници, минимизирайки загубите.

• Конфигурацията на 120° балансира натоварванията и подтиска хармониките без добавена сложност.

• Адаптират се към както делта (балансирани натоварвания), така и звезда (несбалансирани натоварвания) конфигурации, подкрепящи различни потребности на мощност.

Системи с повече фази предлагат намаляващи възвръщаемости – всяка допълнителна фаза повишава разходите експоненциално, давайки малко допълнителни предимства. Затова трифазната технология остава глобален стандарт за предаване на мощност, балансирайки ефективност, простота и икономическа жизнеспособност.