Varför 3-fasström? Varför inte 6 12 eller fler för energioverföring?

Det är välkänt att enfas- och trefas-system är de mest förekommande konfigurationerna för strömförsörjning, distribution och slutanvändningsapplikationer. Även om båda fungerar som grundläggande strömförsörjningsramverk erbjuder trefas-system tydliga fördelar jämfört med sina enfas motsvarigheter.

Noterbart är att flera fas-system (som 6-fas, 12-fas, etc.) hittar specifika tillämpningar inom styrströmsteknik, särskilt i rektifieringskretsar och variabelfrekvensdriv (VFD), där de effektivt minskar rynkor i pulserande DC-utgångar. Att uppnå flera fas-konfigurationer (t.ex. 6, 9 eller 12 faser) har historiskt involverat komplexa fasförskjutningstekniker eller motor-generator-set, men dessa metoder är fortfarande ekonomiskt otillämpbara för storskalig strömförsörjning och distribution över långa avstånd.

Varför trefas snarare än enfasförsörjningssystem?

Den huvudsakliga fördelen med ett trefas-system jämfört med ett enfas- eller tvåfas-system är att vi kan överföra mer (konstant och jämnt) ström.

Effekt i enfas-system

• P =  V . I  . CosФ

Effekt i trefas-system

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Eller

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Där:

• P = Effekt i Watt

• V_L = Linjespanning

• I_L = Linje-ström

• V_PH = Fas-spanning

• I_PH = Fas-ström

• CosФ = Effektfaktor

Det är uppenbart att effektkapaciteten hos ett trefas-system är 1.732 (√3) gånger högre än det av ett enfas-system. Genom jämförelse överför ett tvåfas-system 1.141 gånger mer effekt än en enfas-konfiguration.

En viktig fördel med trefas-system är den roterande magnetiska fältet (RMF), vilket möjliggör själstartning i trefas-motorer samtidigt som det säkerställer konstant omedelbar effekt och moment. I motsats till detta saknar enfas-system RMF och visar på pulserande effekt, vilket begränsar deras prestanda i motortillämpningar.

Trefas-system erbjuder också superiör överföringseffektivitet, med minskad effektavbrott och spänningsfall. Till exempel, i en typisk resistiv krets:

Enfas-system

• Effektavbrott i överföringsledning = 18I²r … (P = I²R)

• Spänningsfall i överföringsledning = I.6r … (V = IR)

Trefas-system

• Effektavbrott i överföringsledning = 9I²r … (P = I²R)

• Spänningsfall i överföringsledning = I.3r … (V = IR)

Det visas att spänningsfallet och effektavbrottet i ett trefas-system är 50% lägre än i ett enfas-system.

Tvåfas-försörjningar, liknande trefas-system, kan ge konstant effekt, generera RMF (roterande magnetfält) och erbjuda konstant moment. Men trefas-system överför mer effekt än tvåfas-system på grund av den extra fasen. Detta väcker frågan: varför inte använda fler faser som 6, 9, 12, 24, 48, etc.? Vi kommer att diskutera detta i detalj och förklara hur ett trefas-system kan överföra mer effekt än ett tvåfas-system med samma antal ledningar.

Varför inte tvåfas?

Både tvåfas- och trefas-system kan generera roterande magnetiska fält (RMF) och ge konstant effekt och moment, men trefas-system erbjuder en viktig fördel: högre effektkapacitet. Den extra fasen i trefas-uppsättningar möjliggör 1.732 gånger mer effektöverföring än tvåfas-system med samma leddiameter.

Tvåfas-system kräver vanligtvis fyra ledningar (två fasledare och två neutraler) för att slutföra kretsar. Användning av en gemensam neutral för att forma ett tretrådssystem minskar ledningsmassan, men neutralen måste bära kombinerade returströmmar från båda faserna—det behövs därför tjockare leder (t.ex. koppar) för att undvika överhettning. I motsats till detta använder trefas-system tre ledningar för balanserade belastningar (delta-konfiguration) eller fyra ledningar för obalanserade belastningar (stjärnkonfiguration), vilket optimerar effektleverans och ledeffektivitet.

Varför inte 6-fas, 9-fas eller 12-fas?

Även om system med fler faser kan minska överföringsförluster, är de inte vidtaget på grund av praktiska begränsningar:

• Ledeffektivitet: Trefas-system använder färre ledare (3) för att överföra balanserad effekt, medan ett 12-fas-system skulle behöva 12 ledare—vilket quadruplerar material- och installationskostnaderna.

• Harmonisk undertryckning: Den 120° fasvinkeln i trefas-system tar naturligt bort tredje harmoniska strömmar, vilket eliminerar behovet av komplexa filter som krävs i system med fler faser.

• Systemkomplexitet: System med fler faser kräver omkonstruerade komponenter (transformatorer, brytare, skärmväxlar) och större understationer, vilket ökar designkomplexiteten och underhållskostnaderna.

• Praktiska begränsningar: Motorer och generatorer med fler än tre faser är klumpigare och svårare att kyla, medan överföringstorn skulle behöva större höjd för att rymma fler ledare.

Trefas-fördelen

Trefas-system uppnår en optimal balans:

• De överför 50% mer effekt än enfas-system med samma ledare, vilket minimerar förluster.

• Den 120° fas-konfigurationen balanserar belastningar och undertrycker harmoniska utan tillagd komplexitet.

• De anpassar sig till både delta- (balanserade belastningar) och stjärn-konfigurationer (obalanserade belastningar), vilket stödjer diverse effektbehov.

System med fler faser ger avtagande marginalnytta—varje extra fas ökar kostnaden exponentiellt medan de ger marginala fördelar. Därför fortsätter trefas-teknik vara global standard för effektöverföring, vilket balanserar effektivitet, enkelhet och ekonomiskt genomförbarhet.