Hvorfor 3-fasede strøm? Hvorfor ikke 6, 12 eller flere for strømafledning?

Det er kendt, at enfas- og trefas-systemer er de mest udbredte konfigurationer til overførsel, distribution og slutbrug af strøm. Selvom begge fungerer som grundlæggende strømforsyningsrammer, tilbyder trefas-systemer klare fordele i forhold til deres enfas-pendants.

Bemærkelsesværdigt er, at flerfas-systemer (som 6-fas, 12-fas osv.) finder specifikke anvendelser inden for effektelektronik – især i rektifieringssirkuitter og variabel frekvensdriv (VFDs) – hvor de effektivt reducerer ripple i pulsede DC-udgange. At opnå flerfas-konfigurationer (f.eks. 6, 9 eller 12 faser) involverede historisk set komplekse fasemanipulationsmetoder eller motor-generator-sæt, men disse tilgange er fortsat økonomisk uigennemførlige for storskala overførsel og distribution af strøm over lange afstande.

Hvorfor trefas i stedet for enfas strømforsyningssystem?

Den hovedfordel ved trefas i forhold til enfas eller tofas systemer er, at vi kan overføre mere (konstant og ensartet) effekt.

Effekt i enfas-system

• P =  V . I  . CosФ

Effekt i trefas-system

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Eller

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Hvor:

• P = Effekt i Watt

• V_L = Linjespænding

• I_L = Linje-strøm

• V_PH = Fase-spænding

• I_PH = Fase-strøm

• CosФ = Effektfaktor

Det er tydeligt, at effektkapaciteten i et trefas-system er 1,732 (√3) gange højere end i et enfas-system. I sammenligning transmitterer en tofas-forsyning 1,141 gange mere effekt end en enfas-konfiguration.

En vigtig fordel ved trefas-systemer er den roterende magnetfelt (RMF), som gør det muligt for trefas-motorer at starte selv, samtidig med at den sikrer konstant øjeblikkelig effekt og drejningsmoment. I modsætning hertil mangler enfas-systemer en RMF og viser pulsaterende effekt, hvilket begrænser deres ydeevne i motorkonfigurationer.

Trephas-systemer tilbyder også superiør transmissionseffektivitet, med reduceret effekttab og spændingsnedgang. For eksempel, i et typisk resistivt kredsløb:

Enfas-system

• Effekttab i overførsellinje = 18I²r … (P = I²R)

• Spændingsnedgang i overførsellinje = I.6r … (V = IR)

Trephas-system

• Effekttab i overførsellinje = 9I²r … (P = I²R)

• Spændingsnedgang i overførsellinje = I.3r … (V = IR)

Det vises, at spændingsnedgangen og effekttabet i et trefas-system er 50% lavere end i et enfas-system.

Tofas-forsyninger, ligesom trefas-systemer, kan give konstant effekt, generere RMF (roterende magnetfelt) og levere konstant drejningsmoment. Men trefas-systemer transmitterer mere effekt end tofas-systemer på grund af den ekstra fase. Dette rejser spørgsmålet: Hvorfor ikke bruge flere faser som 6, 9, 12, 24, 48 osv.? Vi vil diskutere dette i detaljer og forklare, hvordan et trefas-system kan transmittere mere effekt end et tofas-system med samme antal ledninger.

Hvorfor ikke tofas?

Både tofas- og trefas-systemer kan generere roterende magnetfelt (RMF) og give konstant effekt og drejningsmoment, men trefas-systemer tilbyder en vigtig fordel: højere effektkapacitet. Den ekstra fase i trefas-opstillingen gør det muligt at transmittere 1,732 gange mere effekt end tofas-systemer med samme ledningsstørrelse.

Tofas-systemer kræver typisk fire ledninger (to faseledninger og to nederledninger) for at færdiggøre kredsløb. Ved at bruge en fælles nederledning til at danne et tretrådssystem reduceres ledningen, men nederledningen skal bære kombineret returstrøm fra begge faser – hvad der kræver tykkere ledninger (f.eks. kobber) for at undgå overophedning. I modsætning hertil bruger trefas-systemer tre ledninger til balancebelasted (delta-konfiguration) eller fire ledninger til ubalancebelasted (stjerne-konfiguration), hvilket optimerer effekttransmission og lednings-effektivitet.

Hvorfor ikke 6-fas, 9-fas eller 12-fas?

Selvom højere-fas-systemer kan reducere transmissionsforskyld, bliver de ikke bredt anvendt på grund af praktiske begrænsninger:

• Effektivitet af ledninger: Trefas-systemer bruger færrest ledninger (3) til at transmittere balancebelasted effekt, mens et 12-fas-system ville kræve 12 ledninger – hvilket kvadrerer material- og installationsomkostninger.

• Harmonisuppression: De 120° fasevinkler i trefas-systemer neutraliserer naturligt tredje harmoniske strømme, eliminering behovet for komplekse filtre, der kræves i højere-fas-opstillinger.

• Systemkompleksitet: Højere-fas-systemer kræver genopbyggede komponenter (transformatorer, brydere, skifter) og større understations, hvilket øger designkompleksiteten og vedligeholdelsesomkostningerne.

• Praktiske begrænsninger: Motorer og generatorer med mere end tre faser er bulkier og sværere at køle, mens overførseltårne ville skulle have større højde for at rumme flere ledninger.

Fordele ved trefas

Trefas-systemer opnår en optimal balance:

• De transmitterer 50% mere effekt end enfas-systemer med samme ledninger, hvilket minimaliserer tab.

• Konfigurationen med 120° fasebalancerer belastninger og supprimerer harmoniske uden tilføjelse af kompleksitet.

• De tilpasses både delta (balancebelasted) og stjerne (ubalancebelasted) opstillinger, hvilket understøtter diverse effektnedsider.

Højere-fas-systemer giver mindskende fordele – hver ekstra fase øger omkostningerne eksponentielt, mens de giver marginal fordel. Derfor forbliver trefas-teknologi global standard for effekttransmission, ved at balancere effektivitet, simplicitet og økonomisk levedygtighed.