Miért 3-fázisú áram? Miért nem 6, 12 vagy több fázis az áramerősség továbbításához?

Jól ismert, hogy az egyfázisú és háromfázisú rendszerek a legelterjedtebb konfigurációk a villamos energia továbbításában, elosztásában és végfelhasználói alkalmazásaiban. Bár mindkettő alapvető energiaszolgáltató keretrendszereket képvisel, a háromfázisú rendszerek jelentős előnyöket kínálnak az egyfázisú párjaikkal szemben.

Megjegyezzük, hogy a többfázisú rendszerek (mint például a 6-fázisú, 12-fázisú stb.) specifikus alkalmazásokban használatosak a villamtechnikában, különösen a rectifier áramkörökben és a frekvenciaváltó hajtóművekben (VFD-ek), ahol hatékonyan csökkentik a rippl-t a pulzáló DC kimeneteleken. A többfázisú konfigurációk (pl. 6, 9 vagy 12 fázis) eléréséhez történelmileg összetett fáziseltolási technikákra vagy motor-generátorsorokra volt szükség, de ezek a megoldások gazdaságilag nem indokoltak nagy léptékű energiatovábbításra és -elosztásra hosszú távon.

Miért háromfázisú rendszer helyett egyfázisú?

A háromfázisú rendszer fő előnye, hogy több (állandó és egyenletes) erőt tudunk továbbítani, mint egyfázisú vagy kétfázisú rendszerek esetén.

Egyfázisú rendszer erőssége

• P =  V . I  . CosФ

Háromfázisú rendszer erőssége

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Vagy

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Ahol:

• P = Erő mW-ban

• V_L = Feszültség vonalas

• I_L = Áram vonalas

• V_PH = Fázis feszültség

• I_PH = Fázis áram

• CosФ = Teljesítmény tényező

Nyilvánvaló, hogy a háromfázisú rendszer erősebb 1,732 (√3) alkalommal, mint az egyfázisú rendszer. Összevetésként, a kétfázisú ellátás 1,141-szer több erőt továbbít, mint az egyfázisú konfiguráció.

A háromfázisú rendszerek egyik kulcsfontosságú előnye a forgó mágneses mező (RMF), amely lehetővé teszi a háromfázisú motorek önindulását, ugyanakkor biztosítja az állandó pillanatnyi erőt és nyomatékot. Az ellenkező esetben, az egyfázisú rendszerek nincsenek RMF-el, és pulsáló erőt mutatnak, ami korlátozza a motorképességeiket.

A háromfázisú rendszerek emellett jobb továbbítási hatékonyságot is kínálnak, csökkentve a teljesítményvesztést és a feszültség-lejtést. Például egy tipikus ellenállásos áramkörben:

Egyfázisú rendszer

• Teljesítményvesztés a továbbítási vonalon = 18I²r … (P = I²R)

• Feszültség-lejtés a továbbítási vonalon = I.6r … (V = IR)

Háromfázisú rendszer

• Teljesítményvesztés a továbbítási vonalon = 9I²r … (P = I²R)

• Feszültség-lejtés a továbbítási vonalon = I.3r … (V = IR)

Tárgyalt, hogy a feszültség-lejtés és a teljesítményvesztés a háromfázisú rendszerben 50% alacsonyabb, mint az egyfázisú rendszerben.

A kétfázisú ellátás, hasonlóan a háromfázisúhoz, állandó erőt tud szolgáltatni, forgó mágneses mezőt (RMF) generálhat, és állandó nyomatékot biztosíthat. Ugyanakkor a háromfázisú rendszerek több erőt továbbítanak, mint a kétfázisú rendszerek, a további fázis miatt. Ez felveti a kérdést: miért ne használjunk több fázist, mint 6, 9, 12, 24, 48, stb.? Részletesen tárgyaljuk ezt, és magyarázzuk, hogyan tud egy háromfázisú rendszer több erőt továbbítani, mint egy kétfázisú rendszer ugyanazzal a vezeték számával.

Miért ne kétfázisú?

Mind a kétfázisú, mind a háromfázisú rendszerek forgó mágneses mezőt (RMF) generálhatnak, és állandó erőt és nyomatékot biztosíthatnak, de a háromfázisú rendszerek egy kulcsfontosságú előnyt kínálnak: magasabb erőkapacitást. A további fázis a háromfázisú beállításban lehetővé teszi 1,732-szer több erő továbbítását, mint a kétfázisú rendszerek esetén ugyanolyan vezeték mérettel.

A kétfázisú rendszerek általában négy vezetékre (két fázisvezeték és két neutrális) van szükségük, hogy zárják a köröket. Egy közös neutrális használata háromvezetékes rendszert eredményez, de a neutrálisnak kombinált visszaterő áramokat kell viselnie mindkét fázisból, ami vastagabb vezetékeket (pl. réz) igényel, hogy elkerülje a túlzott melegedést. Szemben ezzel, a háromfázisú rendszerek három vezetéket használnak kiegyensúlyozott terhelésekhez (delta konfiguráció) vagy négy vezetéket kiegyensúlyozatlan terhelésekhez (csillag konfiguráció), optimalizálva az erőszolgáltatást és a vezeték hatékonyságát.、

Miért ne 6-fázisú, 9-fázisú vagy 12-fázisú?

Bár a magasabb fázisú rendszerek csökkenthetik a továbbítási veszteségeket, gyakorlati korlátok miatt nem terjedtek el széles körben:

• Vezeték hatékonyság: A háromfázisú rendszerek a legkevesebb vezetéket (3) használják kiegyensúlyozott erő továbbításához, míg egy 12-fázisú rendszer 12 vezetékre lenne szüksége, ami négyszerese a anyag és telepítési költségeknek.

• Harmónikus elnyomás: A 120° fázis szög a háromfázisú rendszerekben természetesen elnyomja a harmadik harmónikus áramokat, kiküszöbölve a bonyolult szűrők szükségességét a magasabb fázisú beállításokban.

• Rendszer összetettség: A magasabb fázisú rendszerek újragondolt komponenseket (átalakítókat, áramtörőket, kapcsolókészülékeket) és nagyobb alátámasztó állomásokat igényelnek, ami növeli a tervezési összetettséget és karbantartási költségeket.

• Gyakorlati korlátozások: Több, mint három fázisú motort és generátort nehéz lehetségesvé tenni, hiszen ők nagyobbak és nehezebben hűtődnek, miközben a továbbítási tornyoknak nagyobb magasságra volna szükségük, hogy elhelyezzék a több vezetéket.

A háromfázisú előny

A háromfázisú rendszerek optimális egyensúlyt találnak:

• 50%-kal több erőt továbbítanak, mint az egyfázisú rendszerek ugyanolyan vezetékekkel, minimalizálva a veszteségeket.

• A 120° fázis konfiguráció kiegyensúlyozza a terheléseket, és elnyomja a harmónikus jeleket, anélkül, hogy bonyolultságot adna.

• Rugalmasságot kínálnak delta (kiegyensúlyozott terhelések) és csillag (kiegyensúlyozatlan terhelések) beállításokban, támogatva a sokféle erőigényt.

A magasabb fázisú rendszerek exponenciálisan növelik a költségeket, miközben csak marginales élvezeteket nyújtanak. Ezért a háromfázisú technológia marad a globális szabvány a villamos energia továbbításában, egyensúlyozva a hatékonyságot, egyszerűséget és gazdaságosságot.