Miks kolmefaasiline energia? Miks mitte 6, 12 või rohkem energiakandmiseks?

On teada, et ühefaasi ja kolmefaasi süsteemid on kõige levinumad konfiguratsioonid elektrienergia edastamiseks, jaotamiseks ja lõppkasutuseks. Kuigi mõlemad moodustavad põhiline energiakindlustuse raamistik, pakuvad kolmefaasisüsteemid tõelisi eeliseid oma ühefaase vastpoldel.

Märkuseks, mitme-faasisüsteemid (nagu 6-faasi, 12-faasi jne) leidavad spetsiifilisi rakendusi võimuelektroonikas – eriti ristkülikujuhtude ja muutuvate sagedusega juhtimissüsteemides (VFDs) – kus need tõhusalt vähendavad pulmeeritava DC väljundite ripple'i. Mitme-faasisüsteemide (nt 6, 9 või 12 faasi) saavutamine ajalooliselt hõlmas keerulisi faasisihtrünnakutehnika või mootor-generaatorkomplekte, kuid need lähenemised on majanduslikult ebavõimalikud suurul maastikul energiaedastamiseks ja -jaotamiseks pikadel kaugustel.

Miks kolmefaasisüsteem mitte ühefaasisüsteemi?

Kolmefaasisüsteemi peamine eelis ühefaasi või kahefaasisüsteemi ees on see, et me saame edastada rohkem (püsivat ja ühtlast) võimet.

Ühefaasisüsteemi võim

• P =  V . I  . CosФ

Kolmefaasisüsteemi võim

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Või

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Kus:

• P = Välimus wattides

• V_L = Joonepingevool

• I_L = Joonevool

• V_PH = Faasipinge

• I_PH = Faasivool

• CosФ = Võimsusfaktor

On selge, et kolmefaasisüsteemi võimukogus on 1,732 (√3) korda suurem kui ühefaasisüsteemi. Võrdluseks edastab kahefaasisüsteem 1,141 korda rohkem võimu kui ühefaasisüsteem.

Kolmefaasisüsteemide oluline eelis on pöördlev magnetväli (RMF), mis võimaldab kolmefaasmootoritel ise käivituda, tagades püsiva hetkevõimu ja momenti. Vastupidiselt, ühefaasisüsteemidel puudub RMF ja neil on pulmeeriv välimus, mis piirab nende toimivust mootorites.

Kolmefaasisüsteemid pakuvad ka paremat edastamiseffektiivsust, vähendades võimukahju ja pingehelde. Näiteks tavapärasel vastupingelisel ringis:

Ühefaasisüsteem

• Võimukahju edastamisjoones = 18I²r … (P = I²R)

• Pingehelde edastamisjoones = I.6r … (V = IR)

Kolmefaasisüsteem

• Võimukahju edastamisjoones = 9I²r … (P = I²R)

• Pingehelde edastamisjoones = I.3r … (V = IR)

On näidatud, et kolmefaasisüsteemides on pingehelde ja võimukahju 50% madalamad kui ühefaasisüsteemides.

Kahefaasisüsteemid, sarnaselt kolmefaasisüsteemidele, võivad anda püsiva võimu, luua RMF (pöördlev magnetväli) ja pakkuda püsivat momenti. Kuid kolmefaasisüsteemid edastavad rohkem võimu kui kahefaasisüsteemid tänu lisafaasile. See tekitab küsimuse: miks mitte kasutada rohkem faase nagu 6, 9, 12, 24, 48 jne? Sellest arutame üksikasjalikult ja selgitame, kuidas kolmefaasisüsteem saab edastada rohkem võimu kui kahefaasisüsteem sama paljuga joontega.

Miks mitte kahefaasisüsteemi?

Nii kahefaasisüsteemid kui ka kolmefaasisüsteemid võivad luua pöördlevaid magnetvälju (RMF) ja anda püsivat võimu ja momenti, kuid kolmefaasisüsteemidel on oluline eelis: suurem võimukogus. Lisafaas kolmefaasisüsteemides võimaldab 1,732 korda suurema võimukoguse edastamist kui kahefaasisüsteemid sama suurusega joontega.

Kahefaasisüsteemid nõuavad tavaliselt nelja joont (kahte faasijoont ja kahte neutraaljoont) ringide lõpetamiseks. Ühise neutraali kasutamine kolmejoonelise süsteemi loomiseks vähendab joonte arvu, kuid neutraal peab kannatama mõlemast faasist tulenevaid tagasisoome, mis nõuab poolikult ohutumat joont (nt kuparit) ülemäärase soojenemise vältimiseks. Vastupidiselt, kolmefaasisüsteemid kasutavad kolme joont tasakaalustatud laadimiseks (delta konfiguratsioon) või neli joont tasakaalustamatute laadimiste korral (tähtkonfiguratsioon), optimeerides võimu edastamist ja joonteffektiivsust.

Miks mitte 6-faasi, 9-faasi või 12-faasi süsteemi?

Kuigi kõrgemafaaaside süsteemid võivad vähendada edastamiskahju, ei ole need laialdaselt kasutuses praktikate piirangute tõttu:

• Joonduse effektiivsus: Kolmefaasisüsteemid kasutavad vähimat arvu joont (3) tasakaalustatud võimu edastamiseks, samas kui 12-faasisüsteem vajaks 12 joont – materjali ja paigalduskulud suurenevad neljakordseks.

• Harmooniliste voolte takistamine: Kolmefaasisüsteemides 120° faasikulmine naturaalselt takistab kolmandate harmooniate voolte, vältides komplekssete filterite vajadust, mis on vajalikud kõrgemafaaaside süsteemides.

• Süsteemi keerukus: Kõrgemafaaaside süsteemid nõuavad uuesti projekteeritud komponente (transformaatorid, lülitsed, lülitselaudad) ja suuremaid alamajaamasi, suurendades disaini keerukust ja hoolduse kulud.

• Praktikate piirangud: Mootorid ja generaatorid, mis omavad rohkem kui kolme faasi, on raskemad ja raskeloomalised jäähenda, samas kui edastamispillid vajaksid suuremat kõrghetke, et mahutada rohkem joont.

Kolmefaasisüsteemi eelised

Kolmefaasisüsteemid leiavad optimaalse tasakaalu:

• Need edastavad 50% rohkem võimu kui ühefaasisüsteemid sama joontega, vähendades kahju.

• 120° faasikonfiguratsioon tasakaalustab laadimisi ja takistab harmoonikuid ilma lisakoormata.

• Need sobivad nii delta (tasakaalustatud laadimised) kui ka tähtkonfiguratsiooniga (tasakaalustamatud laadimised), toetades mitmekesist võimuvajadust.

Kõrgemafaaaside süsteemid pakuvad vähenevat hüved – igal lisafaasil kulud kasvavad eksponentsiaalselt, andes marginaalseid eeliseid. Seetõttu on kolmefaasisüsteemide tehnoloogia endiselt globaalne standard elektrienergia edastamiseks, tasakaalustades efektiivsust, lihtsust ja majanduslikku viisakust.