Dlaczego prąd trójfazowy? Dlaczego nie 6, 12 lub więcej faz do przesyłania energii?

Widomo, że jednofazowe i trójfazowe układy są najpopularniejszymi konfiguracjami w transmisji, dystrybucji i końcowych zastosowaniach energii. Choć oba systemy stanowią podstawowe ramy dostarczania energii, trójfazowe systemy oferują wyraźne korzyści w porównaniu do ich jednofazowych odpowiedników.

Warto zauważyć, że wielofazowe systemy (takie jak 6-fazowe, 12-fazowe itp.) znajdują specjalistyczne zastosowania w elektronice przemysłowej – szczególnie w obwodach prostowniczych i sterownikach częstotliwości (VFD) – gdzie skutecznie redukują fluktuacje w pulsacyjnym prądzie stałym. Osiągnięcie wielofazowych konfiguracji (np. 6, 9 lub 12 faz) historycznie wymagało złożonych technik przesuwu fazowego lub zestawów generator-motor, ale te podejścia pozostają ekonomicznie nieopłacalne dla dużych skal transmisji i dystrybucji energii na długich dystansach.

Dlaczego Trójfazowy Zamiast Jednofazowego Systemu Dostarczania?

Główną zaletą trójfazowego systemu nad jednofazowym lub dwufazowym jest możliwość transmisji większej (stałej i jednolitej) mocy.

Moc w Jednofazowym Systemie

• P =  V . I  . CosФ

Moc w Trójfazowym Systemie

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Lub

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Gdzie:

• P = Moc w watcach

• V_L = Napięcie liniowe

• I_L = Prąd liniowy

• V_PH = Napięcie fazowe

• I_PH = Prąd fazowy

• CosФ = Współczynnik mocy

Jest oczywiste, że pojemność mocy trójfazowego systemu jest 1,732 (√3) razy wyższa niż jednofazowego systemu. W porównaniu, dwufazowe zasilanie przesyła 1,141 raza więcej mocy niż jednofazowa konfiguracja.

Kluczową zaletą trójfazowych systemów jest wirujący pole magnetyczne (RMF), które umożliwia samoczynny start silników trójfazowych, zapewniając stałą natychmiastową moc i moment obrotowy. W przeciwieństwie do tego, jednofazowe systemy nie mają RMF i charakteryzują się pulsatującą mocą, co ogranicza ich wydajność w zastosowaniach motorycznych.

Trójfazowe systemy oferują również lepszą wydajność transmisji, z mniejszymi stratami mocy i spadkiem napięcia. Na przykład, w typowym obwodzie opornym:

Jednofazowy System

• Straty mocy w linii transmisyjnej = 18I²r … (P = I²R)

• Spadek napięcia w linii transmisyjnej = I.6r … (V = IR)

Trójfazowy System

• Straty mocy w linii transmisyjnej = 9I²r … (P = I²R)

• Spadek napięcia w linii transmisyjnej = I.3r … (V = IR)

Pokazano, że spadek napięcia i straty mocy w trójfazowym systemie są o 50% niższe niż w jednofazowym systemie.

Dwufazowe zasilanie, podobnie jak trójfazowe, może zapewnić stałą moc, generować RMF (wirujące pole magnetyczne) i oferować stały moment obrotowy. Jednak trójfazowe systemy przesyłają więcej mocy niż dwufazowe systemy dzięki dodatkowej fazie. To prowadzi do pytania: dlaczego nie używać więcej faz, takich jak 6, 9, 12, 24, 48 itp.? Omówimy to szczegółowo i wyjaśnimy, jak trójfazowy system może przesyłać więcej mocy niż dwufazowy system z tą samą liczbą przewodów.

Dlaczego Nie Dwufazowy?

Oba, dwufazowe i trójfazowe systemy, mogą generować wirujące pola magnetyczne (RMF) i zapewniać stałą moc i moment obrotowy, ale trójfazowe systemy oferują kluczową zaletę: wyższą pojemność mocy. Dodatkowa faza w ustawieniach trójfazowych pozwala na 1,732 raza większą transmisję mocy niż systemy dwufazowe o tej samej średnicy przewodnika.

Systemy dwufazowe zazwyczaj wymagają czterech przewodów (dwóch przewodników fazowych i dwóch neutralnych) do zakończenia obwodów. Użycie wspólnego neutralnego przewodu do formowania trójprzewodowego systemu zmniejsza ilość przewodów, ale neutralny musi przeprowadzać złączone prądy zwrotne z obu faz – wymagając grubszego przewodnika (np. miedzi) aby uniknąć przeogrzania. W przeciwieństwie do tego, trójfazowe systemy używają trzech przewodów dla zrównoważonych obciążeń (konfiguracja delta) lub czterech przewodów dla nierównomiernych obciążeń (konfiguracja gwiazda), optymalizując dostarczanie mocy i wydajność przewodników.

Dlaczego Nie 6-Fazowy, 9-Fazowy lub 12-Fazowy?

Chociaż systemy o większej liczbie faz mogą zmniejszyć straty w transmisji, nie są szeroko stosowane ze względu na praktyczne ograniczenia:

• Wydajność przewodników: Trójfazowe systemy używają najmniejszej liczby przewodników (3) do przesyłania zrównoważonej mocy, podczas gdy 12-fazowy system potrzebowałby 12 przewodników – cztery razy więcej materiału i kosztów instalacji.

• Supresja harmonicznych: Kąt fazowy 120° w trójfazowych systemach naturalnie eliminuje trzecie harmoniczne prądy, eliminując potrzebę złożonych filtrów wymaganych w systemach o większej liczbie faz.

• Złożoność systemu: Systemy o większej liczbie faz wymagają przebudowanych komponentów (transformatorów, wyłączników, sprzętu przełączniczego) i większych stacji transformatorowych, zwiększając złożoność projektowania i koszty utrzymania.

• Praktyczne ograniczenia: Silniki i generatory o większej liczbie faz są grubsze i trudniejsze do chłodzenia, podczas gdy wieże przesyłowe potrzebują większej wysokości, aby pomieścić więcej przewodników.

Zaleta Trójfazowych Systemów

Trójfazowe systemy osiągają optymalną równowagę:

• Przesyłają 50% więcej mocy niż jednofazowe systemy z tymi samymi przewodnikami, minimalizując straty.

• Konfiguracja kąta fazowego 120° zrównoważone obciążenia i eliminuje harmoniczne bez dodatkowej złożoności.

• Dostosowują się zarówno do konfiguracji delta (zrównoważone obciążenia), jak i gwiazda (nierównomiernych obciążeń), wspierając różne potrzeby energetyczne.

Systemy o większej liczbie faz oferują malejące zyski – każda dodatkowa faza zwiększa koszty wykładniczo, jednocześnie dając marginalne korzyści. Dlatego trójfazowa technologia pozostaje globalnym standardem w transmisji mocy, balansując efektywność, prostotę i ekonomiczną wykonalność.