Waarom 3-fase stroom? Waarom niet 6, 12 of meer voor elektriciteitsvervoer?

Het is algemeen bekend dat enkelefasen- en driefasensystemen de meest voorkomende configuraties zijn voor elektriciteitsvoorziening, distributie en eindgebruikstoepassingen. Hoewel beide als fundamentele kaders voor stroomvoorziening dienen, bieden driefasensystemen specifieke voordelen ten opzichte van hun enkelefasen tegenhangers.

Bijzonder is dat meerfasensystemen (zoals 6-fase, 12-fase, enz.) specifieke toepassingen vinden in elektrotechniek - vooral in rectifiercircuits en variabele frequentieaandrijvingen (VFD's) - waar ze effectief de rimpeling in pulserende gelijkstroomuitgangen verminderen. Het bereiken van meerfasenconfiguraties (bijv. 6, 9 of 12 fasen) vereiste historisch gezien complexe faseverschuivingstechnieken of motor-generatorsets, maar deze benaderingen blijven economisch onhaalbaar voor grootschalige elektriciteitsoverdracht en -distributie over grote afstanden.

Waarom een 3-fase systeem in plaats van een 1-fase systeem?

Het belangrijkste voordeel van een driefasesysteem boven een enkelefasen of twee-fasesysteem is dat we meer (constante en uniforme) vermogen kunnen overbrengen.

Vermogen in een enkelefasensysteem

• P = V . I . CosФ

Vermogen in een driefasesysteem

• P = √3 . VL . IL . CosФ ... Of

• P = 3 x. VPH . IPH . CosФ

Waar:

• P = Vermogen in Watt

• VL = Lijnspanning

• IL = Lijnstroom

• VPH = Fasespanning

• IPH = Fasestroom

• CosФ = Vermogensfactor

Het is duidelijk dat het vermogen van een driefasesysteem 1,732 (√3) keer hoger is dan dat van een enkelefasensysteem. Bij vergelijking levert een tweefasesysteem 1,141 keer meer vermogen op dan een enkelefasenconfiguratie.

Een belangrijk voordeel van driefasesystemen is het draaiende magnetische veld (DMV), dat zelfstart mogelijk maakt in driefasemotoren terwijl het constante momentane vermogen en koppel garandeert. Tegenovergesteld hieraan ontbreken enkelefasensystemen een DMV en vertonen ze pulsatie in het vermogen, wat hun prestaties in motortoepassingen beperkt.

Driefasesystemen bieden ook superieure overdrachtefficiëntie, met verminderde vermogensverlies en spanningdaling. Bijvoorbeeld, in een typisch resistieve schakeling:

Enkelefasensysteem

• Vermogensverlies in overdrachtslijn = 18I²r ... (P = I²R)

• Spanningsdaling in overdrachtslijn = I.6r ... (V = IR)

Driefasesysteem

• Vermogensverlies in overdrachtslijn = 9I²r ... (P = I²R)

• Spanningsdaling in overdrachtslijn = I.3r ... (V = IR)

Het wordt aangetoond dat de spanningsdaling en vermogensverlies in een driefasesysteem 50% lager zijn dan in een enkelefasensysteem.

Tweefasesystemen, vergelijkbaar met driefasesystemen, kunnen constant vermogen leveren, een DMV genereren (draaiend magnetisch veld) en constante koppels bieden. Echter, driefasesystemen dragen meer vermogen dan tweefasesystemen vanwege de extra fase. Dit roept de vraag op: waarom niet meer fasen gebruiken zoals 6, 9, 12, 24, 48, enz.? We zullen dit in detail bespreken en uitleggen hoe een driefasesysteem meer vermogen kan overbrengen dan een tweefasesysteem met hetzelfde aantal draden.

Waarom geen tweefase?

Zowel tweefase- als driefasesystemen kunnen draaiende magnetische velden (DMV) genereren en constante vermogen en koppel bieden, maar driefasesystemen bieden een belangrijk voordeel: hogere vermogenscapaciteit. De extra fase in driefasesetups staat toe 1,732 keer meer vermogen te overbrengen dan tweefasesystemen met dezelfde geleidermaat.

Tweefasesystemen vereisen doorgaans vier draden (twee fasedraden en twee neutraaldraden) om circuits te voltooien. Het gebruik van een gemeenschappelijke neutrale om een driedradig systeem te vormen vermindert bedrading, maar de neutrale moet de gecombineerde terugstromen van beide fasen dragen - dikkere geleiders (bijv. koper) nodig om oververhitting te voorkomen. In contrast daarbij gebruiken driefasesystemen drie draden voor gebalanceerde belastingen (delta-configuratie) of vier draden voor ongebalanceerde belastingen (ster-configuratie), waardoor de energielevering en geleider-efficiëntie geoptimaliseerd worden.

Waarom geen 6-fase, 9-fase, of 12-fase?

Hoewel hogere fasensystemen overdrachtverliezen kunnen verlagen, worden ze niet wijdverspreid geadopteerd vanwege praktische beperkingen:

• Geleiderefficiëntie: Driefasesystemen gebruiken de minste geleiders (3) om gebalanceerd vermogen over te brengen, terwijl een 12-fasesysteem 12 geleiders nodig zou hebben - materialen- en installatiekosten verviervoudigen.

• Harmonische onderdrukking: De 120° fasehoek in driefasesystemen neutraliseert van nature derde harmonische stromen, waardoor complexe filters nodig zijn in hogere fasensystemen.

• Systeemcomplexiteit: Hogere fasensystemen vereisen gereconstrueerde componenten (transformators, circuitbrekers, schakelinstallaties) en grotere substations, wat de ontwerpkomplexiteit en onderhoudskosten verhoogt.

• Praktische beperkingen: Motoren en generatoren met meer dan drie fasen zijn omvangrijker en moeilijker te koelen, terwijl overdrachttorens grotere hoogte nodig hebben om meer geleiders te herbergen.

Het voordeel van driefase

Driefasesystemen slaan een optimale balans:

• Ze overbrengen 50% meer vermogen dan enkelefasensystemen met dezelfde geleiders, waardoor verliezen geminimaliseerd worden.

• De 120° faseconfiguratie balanceert belastingen en onderdrukt harmonischen zonder extra complexiteit.

• Ze passen zich aan zowel delta (gebalanceerde belastingen) als ster (ongebalanceerde belastingen) setups aan, waarmee diverse energiebehoeften worden ondersteund.

Hogerfasensystemen bieden afnemende rendementen - elke extra fase verhoogt de kosten exponentieel terwijl er slechts marginale voordelen zijn. Daarom blijft driefasetechnologie de wereldwijde standaard voor elektriciteitsvoorziening, efficiëntie, eenvoud en economische haalbaarheid balancerend.