Zakaj 3-fazna energija? Zakaj ne 6, 12 ali več za prenos energije?

Dobro znano je, da so enofazni in trifazni sistemi najpogostejše konfiguracije za prenos, distribucijo in končno uporabo električne energije. Čeprav oba služita kot osnovni okvirji za oskrbo s strmo, trifazni sistemi ponujajo odlične prednosti v primerjavi z njihovimi enofaznimi nasprotniki.

Značilno je, da večfazni sistemi (na primer 6-fazni, 12-fazni itd.) najdejo specifične uporabe v elektrotehniki, še posebej v rektifikacijskih vezjah in pogonskih napravah s spreminjajočo se frekvenco (VFDs), kjer učinkovito zmanjšujejo valovanje pulsirajočega praznotoka. Doseganje večfaznih konfiguracij (na primer 6, 9 ali 12 faz) zgodovinsko vključuje kompleksne tehnike faznega pomika ali motor-generatorne sklope, toda ti pristopi ostajajo gospodarsko nevzporedni za velikoploskovni prenos in distribucijo električne energije na daljše razdalje.

Zakaj trifazni namesto enofazni sistem oskrbe?

Glavna prednost trifaznega sistema v primerjavi z enofaznim ali dvofaznim sistemom je, da lahko prenašamo več (konstantno in enakomerno) moči.

Moč v enofaznem sistemu

• P =  V . I  . CosФ

Moč v trifaznem sistemu

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ali

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Kjer:

• P = Moč v vatih

• V_L = Fazna napetost

• I_L = Fazni tok

• V_PH = Fazna napetost

• I_PH = Fazni tok

• CosФ = Faktor moči

Je očitno, da je močna kapaciteta trifaznega sistema 1,732 (√3) krat večja kot enofaznega sistema. V primerjavi s tem dvofazni sistem prenaša 1,141 krat več moči kot enofazna konfiguracija.

Ključna prednost trifaznih sistemov je vrteči magnetno polje (RMF), ki omogoča samozagon trifaznih motorjev, hkrati pa zagotavlja konstantno trenutno moč in vznos. Enofazni sistemi, ki nimajo RMF, prikazujejo pulsirajočo moč, kar omejuje njihovo zmogljivost v uporabah motorjev.

Trifazni sistemi tudi ponujajo boljšo učinkovitost prenosa, z zmanjšanimi izgubami moči in padcem napetosti. Na primer, v tipičnem upornem vezju:

Enofazni sistem

• Izgube moči v prenosni liniji = 18I²r … (P = I²R)

• Padec napetosti v prenosni liniji = I.6r … (V = IR)

Trifazni sistem

• Izgube moči v prenosni liniji = 9I²r … (P = I²R)

• Padec napetosti v prenosni liniji = I.3r … (V = IR)

Kaže se, da so padec napetosti in izgube moči v trifaznem sistemu 50 % nižji kot v enofaznem sistemu.

Dvofazni sistemi, podobno trifaznim, lahko zagotavljajo konstantno moč, generirajo RMF (vrteči magnetno polje) in konstanten vznos. Trifazni sistemi pa prenašajo več moči zaradi dodatne faze. To postavlja vprašanje: zakaj ne uporabljamo več faz, kot so 6, 9, 12, 24, 48 itd.? O tem bomo podrobneje razpravljali in pojasnili, kako trifazni sistem lahko prenaša več moči kot dvofazni sistem z enako številom žic.

Zakaj ne dvofazni?

Oba, dvofazni in trifazni sistemi, lahko generirata vrteča magnetna polja (RMF) in zagotavljata konstantno moč in vznos, toda trifazni sistemi ponujajo ključno prednost: višjo močno kapaciteto. Dodatna faza v trifaznih postavitvah omogoča 1,732 krat več prenosa moči kot dvofazni sistemi z enakim premerom vodičev.

Dvofazni sistemi tipično zahtevajo štiri žice (dva fazna vodiča in dva neutrala) za popolnjenje vezjev. Uporaba skupnega neutrala za tvorbo trehžičnega sistema zmanjša žičenje, toda neutral mora nositi kombinirane vračilne toke obeh faz - potrebni so debeljši vodiči (na primer bakar) za izogibanje presegrevanju. Trifazni sistemi uporabljajo tri žice za uravnotežene obremenitve (delta konfiguracija) ali štiri žice za neravnotežne obremenitve (zvezdna konfiguracija), optimizirajo prenos moči in učinkovitost vodičev.

Zakaj ne 6-faznega, 9-faznega ali 12-faznega?

Čeprav višjefazni sistemi lahko zmanjšajo izgube pri prenosu, niso široko sprejeti zaradi praktičnih omejitev:

• Učinkovitost vodičev: Trifazni sistemi uporabljajo najmanj vodičev (3) za prenos uravnotežene moči, medtem ko bi 12-fazni sistem potreboval 12 vodičev - četrtovnica materialnih in instalacijskih stroškov.

• Zadrževanje harmonskih: Kot 120° v trifaznih sistemih naravno znižuje tretje harmonske toke, eliminira potrebo po kompleksnih filtrih, ki so potrebni v višjefaznih postavitvah.

• Složenost sistema: Višjefazni sistemi zahtevajo preuredite komponente (transformatorji, preklopniki, obravnava zaporne napetosti) in večje pretvorilske postaje, povečujejo složenost dizajna in stroške vzdrževanja.

• Praktične omejitve: Motorji in generatorji z več kot tremi fazami so masivnejši in težje ohlajljivi, medtem ko bi prenosne stolpi potrebovali večjo višino za smiselno razporeditev več vodičev.

Prednost trifaznega sistema

Trifazni sistemi dosežejo optimalno ravnovesje:

• Prenašajo 50 % več moči kot enofazni sistemi z enakimi vodiči, zmanjšujejo izgube.

• Konfiguracija s kotom 120° uravnoteži obremenitve in zadržuje harmonske brez dodanih zahtev.

• Prilagajajo se obema delta (uravnotežene obremenitve) in zvezdni (neravnotežne obremenitve) postavitvama, podpirajo raznolike potrebe po moči.

Višjefazni sistemi ponujajo zmanjševalne učinke - vsaka dodatna faza eksponencialno povečuje stroške, medtem ko prinaša marginalne prednosti. Zaradi tega ostaja trifazna tehnologija globalni standard za prenos električne energije, ki uravnotežuje učinkovitost, enostavnost in gospodarsko uspešnost.