Zašto trofazna struja? Zašto ne 6, 12 ili više faza za prijenos struje?

Dobro je poznato da su jednofazni i trofazni sustavi najčešće konfiguracije za prijenos distribuciju i krajnje primjene struje. Iako oba služe kao temeljni okvir za opskrbu strujom trofazni sustavi nude određene prednosti u usporedbi s njihovim jednofaznim protivnicima.

Napose više-fazni sustavi (kao što su 6-fazni 12-fazni itd.) nalaze specifične primjene u elektronici moći posebno u pravilnim krugovima i varijabilnim frekvencijskim pogonima (VFD) gdje efikasno smanjuju fluktuacije pulsirajućeg izlaznog naponodražaja. Postizanje više-faznih konfiguracija (npr. 6 9 ili 12 faza) povijesno je uključivalo složene tehnike pomaka faze ili agregate motor-generator ali ovi pristupi ostaju ekonomski neisplativi za veliki mase prijenosa i distribucije struje na daleke udaljenosti.

Zašto trofazni umjesto jednofaznog sustava opskrbe?

Glavna prednost trofaznog sustava u usporedbi s jednofaznim ili dvofaznim sustavom je ta što možemo prijenositi više (konstantne i uniformne) snage.

Snaga u jednofaznom sustavu

• P =  V . I  . CosФ

Snaga u trofaznom sustavu

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ili

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Gdje:

• P = Snaga u vatima

• V_L = Naponska linija

• I_L = Struja linije

• V_PH = Fazni napon

• I_PH = Fazna struja

• CosФ = Faktor snage

Jasno je da je kapacitet snage trofaznog sustava 1.732 (√3) puta veći od kapaciteta jednofaznog sustava. U usporedbi dvofazna opskrba prijenosi 1.141 puta više snage od jednofazne konfiguracije.

Ključna prednost trofaznih sustava jest rotirajuće magnetsko polje (RMF) koje omogućuje samostalno pokretanje trofaznih motora osiguravajući konstantnu trenutnu snagu i vrtložnu silu. Naprotiv jednofazni sustavi nemaju RMF i prikazuju pulsirajuću snagu ograničavajući njihove performanse u aplikacijama motora.

Trofazni sustavi također nude superiornu učinkovitost prijenosa s smanjenim gubitkom snage i padom napona. Na primjer u tipičnom otpornom krugu:

Jednofazni sustav

• Gubitak snage u prijenosnoj liniji = 18I²r … (P = I²R)

• Pad napona u prijenosnoj liniji = I.6r … (V = IR)

Trofazni sustav

• Gubitak snage u prijenosnoj liniji = 9I²r … (P = I²R)

• Pad napona u prijenosnoj liniji = I.3r … (V = IR)

Pokazano je da su pad napona i gubitak snage u trofaznom sustavu 50% niži od onih u jednofaznom sustavu.

Dvofazne opskrbe slično trofaznim mogu osigurati konstantnu snagu generirati RMF (rotirajuće magnetsko polje) i pružiti konstantnu vrtložnu silu. Međutim trofazni sustavi prenose više snage od dvofaznih sustava zbog dodatne faze. To postavlja pitanje: zašto se ne koriste više faza poput 6 9 12 24 48 itd.? Ovo ćemo detaljno raspraviti i objasniti kako trofazni sustav može prijenositi više snage od dvofaznog sustava sa istim brojem žica.

Zašto ne dvofazni?

Oba dvofazna i trofazna sustava mogu generirati rotirajuće magnetsko polje (RMF) i pružiti konstantnu snagu i vrtložnu silu ali trofazni sustavi nude ključnu prednost: veći kapacitet snage. Dodatna faza u trofaznim postavkama omogućuje 1.732 puta veći prijenos snage od dvofaznih sustava sa istom veličinom vodnika.

Dvofazni sustavi obično zahtijevaju četiri žice (dva fazna vodnika i dva neutrala) za završetak krugova. Korištenje zajedničkog neutrala za formiranje trožičnog sustava smanjuje žice ali neutral mora nositi kombinirane povratne struje iz obje faze—potrebni su deblji vodnici (npr. bakar) kako bi se spriječilo pregrejavanje. U suprotnosti trofazni sustavi koriste tri žice za ravnotežne opterećenja (delta konfiguracija) ili četiri žice za neravnotežna opterećenja (zvijezdasta konfiguracija) optimizirajući isporuku snage i učinkovitost vodnika.

Zašto ne 6-fazni 9-fazni ili 12-fazni?

Iako više-fazni sustavi mogu smanjiti gubitke prijenosa nisu široko usvojeni zbog praktičnih ograničenja:

• Učinkovitost vodnika: Trofazni sustavi koriste najmanje vodnika (3) za prijenos ravnotežne snage dok bi 12-fazni sustav trebao 12 vodnika—čime se četverstruko povećavaju materijali i troškovi instalacije.

• Poništavanje harmonika: Ugao faze od 120° u trofaznim sustavima prirodno poništava treće harmonijske struje eliminirajući potrebu za složenim filterima potrebnim u više-faznim postavkama.

• Složenost sustava: Više-fazni sustavi zahtijevaju reingenerirane komponente (transformatori prekidnici za struju aparatura za prekid struje) i veće pretvorne stanice povećavajući složenost dizajna i troškove održavanja.

• Praktična ograničenja: Motori i generatori s više od tri faze su grubiši i teže hladiti dok bi toranj za prijenos morao imati veću visinu kako bi smjestio više vodnika.

Prednost trofaznog sustava

Trofazni sustavi dosegu optimalnu ravnotežu:

• Prijenosili 50% više snage od jednofaznih sustava sa istim vodnicima minimizirajući gubitke.

• Konfiguracija faze od 120° ravnoteži opterećenja i poništava harmonike bez dodatne složenosti.

• Pružaju prilagodbu i delta (ravnotežna opterećenja) i zvijezdasta (neravnotežna opterećenja) postavkama podržavajući raznolike potrebe za snagom.

Više-fazni sustavi nude smanjujuće se povrata—svakoj dodatnoj fazi rastu troškovi eksponencijalno dok pružaju marginalne prednosti. Zbog toga trofazna tehnologija ostaje globalni standard za prijenos struje balansirajući učinkovitost jednostavnost i ekonomsku isplativost.