Miksi 3-faasinen virta? Miksi ei 6, 12 tai enemmän virtajakoissa?

On tiedusteltu, että yksivaihe- ja kolmivaihesysteemit ovat suosituimpia asetelmat sähkön siirrossa, jakelussa ja loppukäytössä. Vaikka molemmat toimivat perusenergiantarjoajina, kolmivaihesysteemit tarjoavat huomattavia etuja yksivaihesysteemeihin verrattuna.

Huomattavasti monivaihesysteemit (kuten 6-vaihe, 12-vaihe jne.) löytävät erityisiä sovelluksia sähkötekniikassa, erityisesti suodatuspiireissä ja muuttuvien taajuuden ajureissa (VFD), joissa ne vähentävät tehokkaasti pulssivaa DC-ulostulojen rippeitä. Monivaihekonfiguraatioiden (esimerkiksi 6, 9 tai 12 vaihetta) saavuttaminen historiallisesti edellytti monimutkaisia vaihekuvausmenetelmiä tai moottori-generaattorijärjestelmiä, mutta nämä lähestymistavat ovat edelleen taloudellisesti epäkäytännöllisiä laajamittaista sähköntuotannon ja -jakelun kannalta pitkiä etäisyyksiä kattavissa projekteissa.

Miksi kolmivaihesysteemi eikä yksivaihesysteemi?

Kolmivaihesysteemin pääetuna yksivaihe- tai kaksivaihesysteemiin nähden on se, että voimme siirtää enemmän (vakaita ja tasaisia) tehoa.

Teho yksivaihesysteemissä

• P =  V . I  . CosФ

Teho kolmivaihesysteemissä

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Tai

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Missä:

• P = Teho wattina

• V_L = Vaihtovirtajännite

• I_L = Vaihtovirtasähkövirta

• V_PH = Vaihejännite

• I_PH = Vaihevirta

• CosФ = Tehokkisuuskerroin

On ilmeistä, että kolmivaihesysteemin tehoonkantokyky on 1,732 (√3) kertaa suurempi kuin yksivaihesysteemin. Vertailun vuoksi, kaksivaiheinen tarjonta siirtää 1,141 kertaa enemmän energiaa kuin yksivaihesysteemi.

Kolmivaihesysteemien keskeinen etu on pyöreä magneettikenttä (RMF), joka mahdollistaa itsensytymisen kolmivaihemoottoreissa samalla varmistettaessa vakio hetkellinen teho ja liikutusmomentti. Toisaalta, yksivaihesysteemit eivät ole RMF:lla ja niiden teho pulssii, mikä rajoittaa niiden käyttöä moottorisovelluksissa.

Kolmivaihesysteemit tarjoavat myös parempaa siirtotehokkuutta, vähäisemmällä energiahäviöllä ja jännitteen pudotuksella. Esimerkiksi tyypillisessä vastuspiirissä:

Yksivaihesysteemi

• Energiahäviö siirtolinjassa = 18I²r … (P = I²R)

• Jännitteen pudotus siirtolinjassa = I.6r … (V = IR)

Kolmivaihesysteemi

• Energiahäviö siirtolinjassa = 9I²r … (P = I²R)

• Jännitteen pudotus siirtolinjassa = I.3r … (V = IR)

On osoitettu, että kolmivaihesysteemissä jännitteen pudotus ja energiahäviö ovat 50% pienempiä kuin yksivaihesysteemissä.

Kaksivaiheiset tarjontat, samankuin kolmivaiheiset, voivat tuottaa vakion tehoa, luoda RMF (pyöreä magneettikenttä) ja tarjota vakion liikutusmomentin. Kuitenkin, kolmivaihesysteemit kuljettavat enemmän energiaa kaksivaiheisiin systeemeihin verrattuna lisävaiheen ansiosta. Tämä nostaa kysymyksen, miksi ei käytetä enempää vaiheita, kuten 6, 9, 12, 24, 48 jne.? Keskustelemme tästä yksityiskohtaisesti ja selitämme, miten kolmivaihesysteemi voi siirtää enemmän energiaa kaksivaihesysteemiin verrattuna samalla määrällä johtoja.

Miksi ei kaksivaihetta?

Molemmat kaksi- ja kolmivaihesysteemit voivat tuottaa pyöreitä magneettikenttiä (RMF) ja tarjota vakion tehoa ja liikutusmomenttia, mutta kolmivaihesysteemit tarjoavat avaintarpeen: korkeamman tehoonkantokyvyn. Lisävaihe kolmivaihesysteemeissä mahdollistaa 1,732 kertaa enemmän tehon siirtämisen kaksi-vaihesysteemeihin verrattuna samoilla johtojen kokoina.

Kaksivaihesysteemit vaativat tyypillisesti neljä johtoa (kaksi vaihejohtoa ja kaksi neutraalijohtoa) piirien suorittamiseksi. Yhteisen neutraalin käyttö muodostamaan kolmejohtoinen järjestelmä vähentää johtojen määrää, mutta neutraali on kuljetettava yhdistetty palautusvirta molemmilta vaiheilta - vaatien paksujuoksuisia johtoja (esim. kupari) kuumenemisen välttämiseksi. Toisaalta, kolmivaihesysteemit käyttävät kolmea johtoa tasapainotetuille kuormille (delta-konfiguraatio) tai neljää johtoa epätasapainoisille kuormille (tähti-konfiguraatio), optimoimalla tehonsiirron ja johtojen tehokkuuden.

Miksi ei 6-, 9- tai 12-vaihetta?

Vaikka korkeammat vaihesysteemit voivat vähentää siirtohäviöitä, niitä ei laajalti käytetä käytännön rajoitteiden vuoksi:

• Johtotehokkuus: Kolmivaihesysteemit käyttävät vähiten johtoja (3) tasapainotetun tehon siirtämiseksi, kun taas 12-vaihesysteemi tarvitsisi 12 johtoa - nelinkertaistamalla materiaalien ja asennuksen kustannukset.

• Harmoonisten supressio: 120° vaihekulma kolmivaihesysteemeissä poistaa luonnollisesti kolmannen harmonisen virtan, poistamalla tarpeen monimutkaisille suodattimille, jotka ovat tarpeen korkeammassa vaihesysteemeissä.

• Järjestelmän monimutkaisuus: Korkeammat vaihesysteemit vaativat uudelleen suunniteltuja komponentteja (transformaattoreita, sulkukytkimiä, kytkintävälineitä) ja suurempia alajärjestelmiä, lisäämällä suunnittelun monimutkaisuutta ja ylläpidon kustannuksia.

• Käytännön rajoitteet: Yli kolme vaihetta sisältävät moottorit ja generaattorit ovat massiivisempia ja vaikeampia jäähdittää, samalla kun siirtotornit tarvitsevat suurempaa korkeutta useamman johtojen sijoittamiseksi.

Kolmivaihen etu

Kolmivaihesysteemit löytävät optimaalisen tasapainon:

• Ne siirtävät 50% enemmän energiaa yksivaihesysteemeihin verrattuna samoilla johtoilla, minimoi häviöt.

• 120° vaihekonfiguraatio tasapainottaa kuormia ja supistaa harmoonisia ilman lisämonimutkaisuutta.

• Ne soveltuvat sekä deltakonfiguraatioihin (tasapainotetut kuormat) että tähtikonfiguraatioihin (epätasapainotetut kuormat), tukien monimuotoisia tehotarpeita.

Korkeammat vaihesysteemit tarjoavat väheneviä hyödyt - jokainen lisävaihe nostaa kustannuksia eksponentiaalisesti, samalla kun hyödyt ovat marginaalisia. Siksi kolmivaihetechnologia pysyy maailmanlaajuisena standardina sähkön siirrossa, tasapainottaen tehokkuutta, yksinkertaisuutta ja taloudellista viidakkuutta.