Zašto 3-fazna snaga? Zašto ne 6, 12 ili više faza za prenos snage?

Dobro je poznato da jednofazni i trofazni sistemi predstavljaju najčešće konfiguracije za prenos, distribuciju i krajnje primene struje. Iako oba služe kao fundamentalni okviri za opskrbu strujom, trofazni sistemi nude značajne prednosti u odnosu na svoje jednofazne protivnike.

Naročito, višefazni sistemi (poput šestofaznih, dvanaestofaznih itd.) nalaze specifične primene u elektronici snage - posebno u pravilnim krugovima i varijabilnim pogonskim uređajima (VFD) - gde efikasno smanjuju fluktuacije pulsirajućih izlaznih DC signala. Postizanje višefaznih konfiguracija (npr. 6, 9 ili 12 faza) istorijski je uključivalo složene tehnike faznog pomera ili motor-generatorne sklope, ali ovi pristupi ostaju ekonomski neisplativi za veliki prenos i distribuciju struje na daleke rastojanja.

Zašto trofazni umesto jednofazni sistem opskrbe?

Glavna prednost trofaznog sistema u odnosu na jednofazni ili dvofazni sistem je ta što možemo preneti više (konstantne i uniformne) snage.

Snaga u jednofaznom sistemu

• P =  V . I  . CosФ

Snaga u trofaznom sistemu

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ili

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Gde:

• P = Snaga u vatima

• V_L = Napon linije

• I_L = Struja linije

• V_PH = Fazni napon

• I_PH = Fazna struja

• CosФ = Faktor snage

Očigledno je da je kapacitet snage trofaznog sistema 1,732 (√3) puta veći od kapaciteta jednofaznog sistema. U poređenju sa tim, dvofazni sistem prenosi 1,141 puta više snage od jednofazne konfiguracije.

Ključna prednost trofaznih sistema je rotirajuće magnetno polje (RMF), koje omogućava samostalno pokretanje trofaznih motora dok osigurava konstantnu trenutnu snagu i moment. U suprotnosti, jednofazni sistemi nemaju RMF i prikazuju pulsirajuću snagu, ograničavajući njihove performanse u motornim primenama.

Trofazni sistemi takođe nude superiornu efikasnost prenosa, sa smanjenim gubitkom snage i padom napona. Na primer, u tipičnom rezistivnom krugu:

Jednofazni sistem

• Gubitak snage u liniji prenosa = 18I²r … (P = I²R)

• Pad napona u liniji prenosa = I.6r … (V = IR)

Trofazni sistem

• Gubitak snage u liniji prenosa = 9I²r … (P = I²R)

• Pad napona u liniji prenosa = I.3r … (V = IR)

Pokazano je da su pad napona i gubitak snage u trofaznom sistemu 50% niži u odnosu na jednofazni sistem.

Dvofazni sistemi, slično trofaznim, mogu pružati konstantnu snagu, generisati RMF (rotirajuće magnetno polje) i nuditi konstantan moment. Međutim, trofazni sistemi prenose više snage od dvofaznih zbog dodatne faze. Ovo podiže pitanje: zašto se ne koriste više faza poput 6, 9, 12, 24, 48 itd.? O tome ćemo detaljno diskutovati i objasniti kako trofazni sistem može preneti više snage od dvofaznog sistema sa istim brojem vodica.

Zašto ne dvofazni?

Oba, dvofazni i trofazni sistemi, mogu generisati rotirajuće magnetno polje (RMF) i pružati konstantnu snagu i moment, ali trofazni sistemi nude ključnu prednost: veći kapacitet snage. Dodatna faza u trofaznim postavkama dozvoljava prenos 1,732 puta veće snage od dvofaznih sistema sa istim prečnikom vodika.

Dvofazni sistemi tipično zahtevaju četiri voda (dva fazna voda i dve neutralne) da bi se kompletirali krugovi. Koristenje zajedničke neutralne da se formira trovodni sistem smanjuje vode, ali neutralni mora da prenese kombinovane povratne struje iz obe faze - potrebni su deblji vodiči (npr. bakar) da se izbegne pretjerano zagrijavanje. U suprotnosti, trofazni sistemi koriste tri voda za balansirane opterećenja (delta konfiguracija) ili četiri voda za nebalansirana opterećenja (zvezdasta konfiguracija), optimizujući prenos snage i efikasnost vodika.、

Zašto ne šestofazni, devetofazni ili dvanaestofazni?

Iako višefazni sistemi mogu smanjiti gubitke pri prenosu, nisu široko usvojeni zbog praktičnih ograničenja:

• Efikasnost vodika: Trofazni sistemi koriste najmanje vodika (3) za prenos balansirane snage, dok bi dvanaestofazni sistem zahtevao 12 vodika - čime se četvorstruko povećavaju materijalni i montažni troškovi.

• Poništavanje harmonika: Fazni ugao od 120° u trofaznim sistemima prirodno poništava treće harmonijske struje, eliminirajući potrebu za složenim filterima koji su potrebni u višefaznim postavkama.

• Kompleksnost sistema: Višefazni sistemi zahtevaju ponovo inženjirane komponente (transformatori, prekidači, switchgear) i veće transformatorske stanice, povećavajući kompleksnost dizajna i održavanja.

• Praktična ograničenja: Motori i generatori sa više od tri faze su grubi i teže hladiti, dok bi torne za prenos morale imati veću visinu da bi smestile više vodika.

Prednost trofaznog sistema

Trofazni sistemi dostižu optimalnu ravnotežu:

• Prenose 50% više snage od jednofaznih sistema sa istim vodikom, minimizirajući gubitke.

• Fazna konfiguracija od 120° balansira opterećenja i poništava harmonike bez dodatne kompleksnosti.

• Prilagođavaju se i delta (balansirana opterećenja) i zvezdasta (nebalansirana opterećenja) postavkama, podržavajući raznovrsne potrebe za snagom.

Višefazni sistemi nude opadajuće povrate - svaka dodatna faza eksponencijalno povećava troškove dok pruža marginalne prednosti. Zbog toga, trofazna tehnologija ostaje globalni standard za prenos snage, balansirajući efikasnost, jednostavnost i ekonomsku isplativost.