Proč třífázový proud? Proč ne 6, 12 nebo více fází pro přenos energie?

Je známo, že jednofázové a třífázové systémy jsou nejrozšířenější konfigurace pro přenos, distribuci a využití elektřiny. Zatímco oba slouží jako základní rámce pro dodávku energie, třífázové systémy nabízejí významné výhody oproti svým jednofázovým protějškům.

Zvláště vícefázové systémy (např. šestifázové, dvanáctifázové atd.) mají specifické využití v elektronice napájení – zejména v obvodcích čteček a čid s proměnnou frekvencí (VFD) – kde efektivně snižují pulsace v pulzujícím stejnosměrném výstupu. Historicky se dosahovalo vícefázových konfigurací (např. 6, 9 nebo 12 fází) pomocí složitých technik posunu fáze nebo motor-generátorových sad, ale tyto přístupy zůstávají ekonomicky nereálné pro rozsáhlý přenos a distribuci energie na větší vzdálenosti.

Proč třífázový systém místo jednofázového?

Hlavní výhodou třífázového systému oproti jednofázovému nebo dvoufázovému je možnost přenášet více (konstantní a rovnoměrné) energie.

Výkon v jednofázovém systému

• P = V . I . CosФ

Výkon v třífázovém systému

• P = √3 . VL . IL . CosФ … Nebo

• P = 3 x. VPH . IPH . CosФ

Kde:

• P = Výkon v Wattu

• VL = Fázové napětí

• IL = Fázový proud

• VPH = Fázové napětí

• IPH = Fázový proud

• CosФ = Faktor moci

Je zřejmé, že kapacita výkonu třífázového systému je 1,732 (√3)krát vyšší než u jednofázového systému. Na druhou stranu, dvoufázové zdroje přenášejí 1,141krát více energie než jednofázové konfigurace.

Klíčovou výhodou třífázových systémů je rotující magnetické pole (RMF), které umožňuje samočinné spouštění třífázových motorů a zajišťuje konstantní okamžitý výkon a točivý moment. Naopak, jednofázové systémy nemají RMF a exponují pulsující výkon, což omezuje jejich výkon v aplikacích s motory.

Třífázové systémy také nabízejí lepší efektivitu přenosu, s nižšími ztrátami energie a poklesem napětí. Například v typickém rezistivním obvodu:

Jednofázový systém

• Ztráta energie v přenosové lince = 18I^2r … (P = I^2R)

• Pokles napětí v přenosové lince = I.6r … (V = IR)

Třífázový systém

• Ztráta energie v přenosové lince = 9I^2r … (P = I^2R)

• Pokles napětí v přenosové lince = I.3r … (V = IR)

Ukazuje se, že pokles napětí a ztráta energie v třífázovém systému jsou 50% nižší než v jednofázovém systému.

Dvoufázové zdroje, podobně jako třífázové, mohou poskytnout konstantní výkon, generovat RMF (rotující magnetické pole) a nabízet konstantní točivý moment. Nicméně, třífázové systémy přenášejí více energie než dvoufázové systémy díky další fázi. To vyvolává otázku: proč nepoužít více fází, jako 6, 9, 12, 24, 48 atd.? Toto detailně projednáme a vysvětlíme, jak třífázový systém může přenést více energie než dvoufázový systém se stejným počtem vodičů.

Proč ne dvoufázový?

Oba, dvoufázové i třífázové systémy, mohou generovat rotující magnetická pole (RMF) a poskytnout konstantní výkon a točivý moment, ale třífázové systémy nabízejí klíčovou výhodu: vyšší kapacitu výkonu. Další fáze v třífázových nastaveních umožňuje 1,732krát vyšší přenos energie než dvoufázové systémy se stejnou velikostí vodiče.

Dvoufázové systémy obvykle vyžadují čtyři vodiče (dvě fázové vodiče a dvě neutrály) pro dokončení obvodů. Použití společné neutrály k vytvoření třívodičového systému snižuje vedení, ale neutrála musí nést kombinované proudy návratu z obou fází – což vyžaduje silnější vodiče (např. měď) k zabránění přehřátí. Naopak, třífázové systémy používají tři vodiče pro vyrovnávací zatížení (delta konfigurace) nebo čtyři vodiče pro nerovnoměrná zatížení (hvězdicová konfigurace), optimalizují dodávku energie a efektivitu vodičů.

Proč ne šestifázový, devítifázový nebo dvanáctifázový?

Ačkoli systémy s vyšším počtem fází mohou snížit ztráty při přenosu, nejsou široce používány kvůli praktickým omezením:

• Účinnost vodičů: Třífázové systémy používají nejméně vodičů (3) pro přenos vyrovnávací energie, zatímco dvanáctifázový systém by potřeboval 12 vodičů – což čtyřnásobně zvyšuje materiálové a instalace náklady.

• Ztišení harmonických kmitočtů: Úhel fáze 120° v třífázových systémech přirozeně ruší třetí harmonické proudy, což eliminuje potřebu komplexních filtrů požadovaných v systémech s vyšším počtem fází.

• Složitost systému: Systémy s vyšším počtem fází vyžadují přepracované komponenty (transformátory, pojistky, přepínací zařízení) a větší podstanice, což zvyšuje složitost návrhu a údržby.

• Praktická omezení: Motory a generátory s více než třemi fázemi jsou hmotnější a obtížněji chladitelné, zatímco vysílací věže by potřebovaly větší výšku pro umístění více vodičů.

Výhody třífázového systému

Třífázové systémy nabízejí optimální bilanci:

• Přenášejí 50% více energie než jednofázové systémy se stejnými vodiči, minimalizují ztráty.

• Konfigurace fází 120° vyvažuje zatížení a ztišuje harmonické kmitočty bez přidané složitosti.

• Přizpůsobují se jak deltovým (vyrovnávací zatížení), tak hvězdicovým (nerovnoměrné zatížení) nastavením, podporují různé potřeby dodávky energie.

Systémy s vyšším počtem fází nabízejí ubývající výnosy – každá další fáze exponenciálně zvyšuje náklady, zatímco poskytuje marginalní výhody. Proto třífázová technologie zůstává globálním standardem pro přenos energie, vyváží efektivitu, jednoduchost a ekonomickou životaschopnost.