Warum Dreiphasenstrom? Warum nicht 6, 12 oder mehr für die Stromübertragung?

Es ist allgemein bekannt, dass Einphasen- und Dreiphasensysteme die am häufigsten verwendeten Konfigurationen für die Stromübertragung, -verteilung und Endanwendungen sind. Während beide als grundlegende Stromversorgungsrahmen dienen, bieten Dreiphasensysteme gegenüber ihren Einphasen-Gegenstücken klare Vorteile.

Hervorzuheben ist, dass Mehrphasensysteme (wie 6-Phasen, 12-Phasen usw.) spezielle Anwendungen in der Leistungselektronik finden – insbesondere in Gleichrichterschaltungen und Frequenzumrichtern (VFDs) –, wo sie wirksam Rippeln in gepulstem Gleichstrom reduzieren. Die Erreichung von Mehrphasen-Konfigurationen (z.B. 6, 9 oder 12 Phasen) erforderte historisch komplexe Phasenverschiebungstechniken oder Motor-Generator-Sätze, aber diese Ansätze bleiben wirtschaftlich unrentabel für großflächige Stromübertragung und -verteilung über weite Entfernungen.

Warum Dreiphasen- statt Einphasensystem?

Der Hauptvorteil des Dreiphasensystems gegenüber einem Einphasen- oder Zweiphasensystem besteht darin, dass mehr (konstant und gleichmäßiger) Leistung übertragen werden kann.

Leistung im Einphasensystem

• P = U . I . CosФ

Leistung im Dreiphasensystem

• P = √3 . UL . IL . CosФ … Oder

• P = 3 x. UPH . IPH . CosФ

Wobei:

• P = Leistung in Watt

• UL = Leitungsspannung

• IL = Leitungsstrom

• UPH = Phasenspannung

• IPH = Phasenstrom

• CosФ = Leistungsfaktor

Es ist offensichtlich, dass die Leistungskapazität eines Dreiphasensystems 1,732 (√3) Mal höher ist als die eines Einphasensystems. Im Vergleich dazu überträgt ein Zweiphasensystem 1,141 Mal mehr Leistung als eine Einphasenkonfiguration.

Ein wesentlicher Vorteil von Dreiphasensystemen ist das rotierende Magnetfeld (RMF), das den Selbststart von Dreiphasenmotoren ermöglicht und gleichzeitig konstante momentane Leistung und Drehmoment sicherstellt. Im Gegensatz dazu verfügen Einphasensysteme nicht über ein RMF und zeigen pulsierende Leistung, was ihre Leistung in Motoren-Anwendungen einschränkt.

Dreiphasensysteme bieten auch eine bessere Übertragungseffizienz mit reduzierten Verlusten und Spannungsabfall. Zum Beispiel in einer typischen Widerstandsschaltung:

Einphasensystem

• Verlustleistung in der Leitung = 18I²r … (P = I²R)

• Spannungsabfall in der Leitung = I.6r … (U = IR)

Dreiphasensystem

• Verlustleistung in der Leitung = 9I²r … (P = I²R)

• Spannungsabfall in der Leitung = I.3r … (U = IR)

Es wird gezeigt, dass der Spannungsabfall und die Verlustleistung in einem Dreiphasensystem um 50 % geringer sind als in einem Einphasensystem.

Zweiphasensysteme, ähnlich wie Dreiphasensysteme, können konstante Leistung liefern, ein RMF (rotierendes Magnetfeld) erzeugen und konstantes Drehmoment bieten. Allerdings tragen Dreiphasensysteme aufgrund der zusätzlichen Phase mehr Leistung. Dies stellt die Frage: Warum nicht mehr Phasen wie 6, 9, 12, 24, 48 usw. verwenden? Wir werden dies im Detail besprechen und erklären, wie ein Dreiphasensystem mehr Leistung übertragen kann als ein Zweiphasensystem mit derselben Anzahl von Leitungen.

Warum nicht Zweiphasig?

Sowohl Zweiphasen- als auch Dreiphasensysteme können rotierende Magnetfelder (RMF) erzeugen und konstante Leistung und Drehmomente bereitstellen, aber Dreiphasensysteme bieten einen entscheidenden Vorteil: eine höhere Leistungskapazität. Die zusätzliche Phase in Dreiphasenanlagen ermöglicht 1,732 Mal mehr Leistungsübertragung als Zweiphasensysteme mit gleicher Leitergröße.

Zweiphasensysteme erfordern in der Regel vier Leitungen (zwei Phasenleiter und zwei Neutralleiter) zur Schaltungsbildung. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Neutralleiters, um ein dreifaches System zu bilden, wird die Verkabelung reduziert, aber der Neutralleiter muss die kombinierten Rückströme beider Phasen tragen – was dickere Leiter (z.B. Kupfer) erfordert, um Überhitzung zu vermeiden. Im Gegensatz dazu verwenden Dreiphasensysteme drei Leitungen für ausgewogene Lasten (Dreieckschaltung) oder vier Leitungen für unausgewogene Lasten (Sternschaltung), um die Energieübertragung und die Leitereffizienz zu optimieren.

Warum nicht 6-Phasig, 9-Phasig oder 12-Phasig?

Obwohl höhere Phasensysteme die Übertragungsverluste reduzieren können, werden sie aufgrund praktischer Einschränkungen nicht weit verbreitet:

• Leitereffizienz: Dreiphasensysteme verwenden die wenigsten Leiter (3) zur Übertragung ausgewogener Leistung, während ein 12-Phasensystem 12 Leiter benötigen würde – was Material- und Installationskosten vervierfacht.

• Harmonische Unterdrückung: Der 120°-Phasenwinkel in Dreiphasensystemen unterdrückt natürlicherweise Drittharmonische Ströme, was die Notwendigkeit komplexer Filter in höherphasigen Anordnungen eliminiert.

• Systemkomplexität: Höherphasige Systeme erfordern neu entwickelte Komponenten (Transformator, Schaltgeräte, Schaltanlagen) und größere Umspannwerke, was die Designkomplexität und Wartungsaufwand erhöht.

• Praktische Einschränkungen: Motoren und Generatoren mit mehr als drei Phasen sind voluminöser und schwerer abzukühlen, während Strommasten eine größere Höhe benötigen, um mehr Leiter zu beherbergen.

Der Vorteil des Dreiphasensystems

Dreiphasensysteme bieten eine optimale Balance:

• Sie übertragen 50 % mehr Leistung als Einphasensysteme mit den gleichen Leitern, was Verluste minimiert.

• Die 120°-Phasenkonfiguration balanciert die Lasten und unterdrückt Harmonische ohne zusätzliche Komplexität.

• Sie passen sich sowohl Delta- (ausgewogene Lasten) als auch Stern-Konfigurationen (unausgewogene Lasten) an, um unterschiedliche Energiebedürfnisse zu unterstützen.

Höherphasige Systeme bieten abnehmende Nutzen – jede zusätzliche Phase erhöht die Kosten exponentiell, während nur marginaler Vorteile erreicht werden. Aus diesem Grund bleibt die Dreiphasentechnologie der globale Standard für die Stromübertragung, indem sie Effizienz, Einfachheit und wirtschaftliche Rentabilität ausbalanciert.