Hvorfor 3-fase strøm? Hvorfor ikke 6, 12 eller flere for strømsoverføring?

Det er velkjent at enfas- og trefas-systemer er de mest utbredte konfigurasjonene for strømoverføring, distribusjon og sluttkundeapplikasjoner. Mens begge fungerer som grunnleggende strømforsyningsrammer, tilbyr trefas-systemer spesifikke fordeler sammenlignet med deres enfas-motstandere.

Notabelt er det at flerfas-systemer (som 6-fase, 12-fase, osv.) har spesifikke anvendelser i strømkraftelektronikk—spesielt i rettifierkretser og variabel frekvensstyring (VFDs)—der de effektivt reduserer ripple i pulsaterende DC-utganger. Å oppnå flerfas-konfigurasjoner (for eksempel 6, 9 eller 12 faser) involverte historisk sett komplekse fasemodifiseringsmetoder eller motor-generatorsett, men disse tilnærmingene er fortsatt økonomisk uforholdsmessige for stor-skala strømoverføring og distribusjon over lange avstander.

Hvorfor trefas snarere enn enfas-strømforsyningssystem?

Den hovedfordelen med trefas over enfas eller tofas-system er at vi kan overføre mer (konstant og jevnt) kraft.

Kraft i enfas-system

• P =  V . I  . CosФ

Kraft i trefas-system

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Eller

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Der:

• P = Effekt i Watt

• V_L = Linjespenning

• I_L = Linjestrom

• V_PH = Fasespenning

• I_PH = Fasestrom

• CosФ = Effektfaktor

Det er tydelig at effektkapasiteten til et trefas-system er 1,732 (√3) ganger høyere enn den til et enfas-system. I sammenligning transmitterer et tofas-forsyningssystem 1,141 ganger mer effekt enn en enfas-konfigurasjon.

En viktig fordel med trefas-systemer er den roterende magnetiske feltet (RMF), som muliggjør selvstart i trefas-motorer samtidig som det sikrer konstant øyeblikkelig effekt og dreiemoment. I motsetning til dette mangler enfas-systemer RMF og viser pulsaterende effekt, noe som begrenser deres ytelse i motorene.

Trefas-systemer tilbyr også bedre overførings-effektivitet, med redusert effektavvik og spenningstab. For eksempel, i et typisk resistivt krets:

Enfas-system

• Effektavvik i overføringsledning = 18I²r … (P = I²R)

• Spenningstab i overføringsledning = I.6r … (V = IR)

Trefas-system

• Effektavvik i overføringsledning = 9I²r … (P = I²R)

• Spenningstab i overføringsledning = I.3r … (V = IR)

Det vises at spenningstab og effektavvik i et trefas-system er 50% lavere enn i et enfas-system.

Tofas-forsyninger, liknende trefas, kan gi konstant effekt, generere RMF (roterende magnetfelt) og tilby konstant dreiemoment. Imidlertid bærer trefas-systemer mer effekt enn tofas-systemer på grunn av den ekstra fasen. Dette reiser spørsmålet: hvorfor ikke bruke flere faser som 6, 9, 12, 24, 48, osv.? Vi vil diskutere dette i detalj og forklare hvordan et trefas-system kan transmittere mer effekt enn et tofas-system med samme antall ledninger.

Hvorfor ikke tofas?

Både tofas- og trefas-systemer kan generere roterende magnetfelt (RMF) og gi konstant effekt og dreiemoment, men trefas-systemer tilbyr en viktig fordel: høyere effektkapasitet. Den ekstra fasen i trefas-setups tillater 1,732 ganger mer effekttransmisjon enn tofas-systemer med samme lederstørrelse.

Tofas-systemer krever typisk fire ledninger (to faseledere og to nøytrale) for å fullføre kretser. Bruk av en felles nøytral for å danne et treledersystem reduserer kablingsbehov, men nøytralen må bære kombinerte returstrømmer fra begge fasene—noe som krever tykkere ledere (for eksempel kobber) for å unngå overoppvarming. I motsetning til dette bruker trefas-systemer tre ledere for balanserte belastninger (delta-konfigurasjon) eller fire ledere for ubalanserte belastninger (stjerne-konfigurasjon), noe som optimaliserer effektlevering og leder-effektivitet.

Hvorfor ikke 6-fase, 9-fase, eller 12-fase?

Selv om høyere-fase systemer kan redusere overføringsavvik, blir de ikke vidt anvendt på grunn av praktiske begrensninger:

• Leder-effektivitet: Trefas-systemer bruker færrest ledere (3) for å transmittere balansert effekt, mens et 12-fase system ville kreve 12 ledere—fjerndobling av material- og installasjonskostnader.

• Harmonisk undertrykkelse: De 120° fasevinkelen i trefas-systemer nullstiller naturlig tredje harmoniske strømmer, noe som eliminerer behovet for komplekse filtre som kreves i høyere-fase setup.

• Systemkompleksitet: Høyere-fase systemer krever omkonstruerte komponenter (transformatorer, sirkuitskruer, switchgear) og større understasjoner, noe som øker designkompleksiteten og vedlikeholdsbelastningen.

• Praktiske begrensninger: Motorer og generatorer med mer enn tre faser er klumpete og vanskeligere å kjøle, mens overførings­tårner ville trenge større høyde for å akkommodere flere ledere.

Trephasens fordel

Trefas-systemer slår en optimal balanse:

• De transmitterer 50% mer effekt enn enfas-systemer med samme ledere, noe som minimaliserer avvik.

• 120° fasekonfigurasjonen balanserer belastninger og undertrykker harmoniske uten økt kompleksitet.

• De tilpasser seg både delta (balanserte belastninger) og stjerne (ubalanserte belastninger) setup, støtter diverse effektbehov.

Høyere-fase systemer gir avtagende avkastning—hver ekstra fase øker kostnadene eksponentielt mens de gir marginale fordeler. Av denne grunn forbli trefas-teknologi global standard for strømoverføring, balanserer effektivitet, enkelhet og økonomisk gjennomførlighet.