Чому трифазне електропостачання Чому не 6 12 або більше для передавання електроенергії

Відомо, що однофазні та трифазні системи є найпоширенішими конфігураціями для передачі, розподілу та кінцевого використання електроенергії. Хоча обидві служать основними фреймворками для постачання електроенергії, трифазні системи мають вирізняючі переваги над своїми однофазними аналогами.

Зокрема, багатофазні системи (наприклад, 6-фазні, 12-фазні тощо) знаходять специфічне застосування в електроніці живлення — особливо в прямокутних схемах і регуляторах частоти (VFDs) — де вони ефективно знижують стрижневі коливання в пульсуючих DC виходах. Досягнення багатофазних конфігурацій (наприклад, 6, 9 або 12 фаз) історично вимагало складних технік зміщення фаз або мотор-генераторних установок, але ці підходи залишаються економічно нецілеспрямованими для масштабної передачі та розподілу електроенергії на великі відстані.

Чому трифазна система, а не однофазна?

Основна перевага трифазної системи над однофазною або двофазною полягає в тому, що можна передавати більше (постійну та рівномірну) потужність.

Потужність в однофазній системі

• P = V . I . CosФ

Потужність в трифазній системі

• P = √3 . VL . IL . CosФ ... Або

• P = 3 x. VPH . IPH . CosФ

Де:

• P = Потужність у Ватах

• VL = Лінійне напруга

• IL = Лінійний струм

• VPH = Фазова напруга

• IPH = Фазовий струм

• CosФ = Коефіцієнт ефективності

Зрозуміло, що потужнісна здатність трифазної системи на 1,732 (√3) рази вища, ніж однофазної системи. У порівнянні з цим, двофазне живлення передає на 1,141 раз більше потужності, ніж однофазна конфігурація.

Ключовою перевагою трифазних систем є обертове магнітне поле (RMF), яке дозволяє самостійне запускання трифазних двигунів, забезпечуючи постійну моментальну потужність та момент. Наприклад, однофазні системи не мають RMF і демонструють пульсуєальну потужність, що обмежує їхню продуктивність у застосуванні до двигунів.

Трифазні системи також пропонують вищу ефективність передачі, зі зменшеними втратами потужності та спадом напруги. Наприклад, в типовій опорному контурі:

Однофазна система

• Втрати потужності в лінії передачі = 18I²r ... (P = I²R)

• Спад напруги в лінії передачі = I.6r ... (V = IR)

Трифазна система

• Втрати потужності в лінії передачі = 9I²r ... (P = I²R)

• Спад напруги в лінії передачі = I.3r ... (V = IR)

Показано, що спад напруги та втрати потужності в трифазній системі на 50% нижчі, ніж в однофазній системі.

Двофазні системи, подібно до трифазних, можуть забезпечувати постійну потужність, генерувати RMF (обертове магнітне поле) та надавати постійний момент. Однак, трифазні системи передають більше потужності, ніж двофазні, завдяки додатковій фазі. Це викликає питання: чому не використовувати більше фаз, таких як 6, 9, 12, 24, 48 тощо? Ми детально обговоримо це та пояснимо, як трифазна система може передавати більше потужності, ніж двофазна система з тією ж кількістю провідників.

Чому не двофазна?

Як двофазні, так і трифазні системи можуть генерувати обертове магнітне поле (RMF) та забезпечувати постійну потужність та момент, але трифазні системи мають ключову перевагу: більшу потужнісну здатність. Додаткова фаза в трифазних системах дозволяє передавати на 1,732 рази більше потужності, ніж двофазні системи з такою ж довжиною провідника.

Двофазні системи, зазвичай, потребують чотирьох провідників (дві фазові провідники та два нейтральних) для завершення контурів. Використання спільного нейтрального провідника для формування трьохпровідної системи зменшує кількість провідників, але нейтральний провідник повинен переносити сумарні повернення струмів з обох фаз, що вимагає більш товстих провідників (наприклад, мідних) для уникнення перегріву. Наприклад, трифазні системи використовують три провідники для збалансованих навантажень (дельта-конфігурація) або чотири провідники для незбалансованих навантажень (звізда-конфігурація), оптимізуючи доставку потужності та ефективність провідників.

Чому не 6-фазна, 9-фазна або 12-фазна?

Хоча багатофазні системи можуть зменшити втрати при передачі, вони не широко використовуються через практичні обмеження:

• Ефективність провідників: Трифазні системи використовують найменшу кількість провідників (3) для передачі збалансованої потужності, тоді як 12-фазна система потребувала б 12 провідників — чотирикратно збільшуючи вартість матеріалів та встановлення.

• Підсилення гармонік: Кут фази 120° в трифазних системах природньо знищує треті гармонічні струми, унеможливлюючи потребу в складних фільтрах, необхідних для багатофазних систем.

• Складність системи: Багатофазні системи вимагають переінженеровані компоненти (трансформатори, автомати, комутаційне обладнання) та більші підстанції, що збільшує складність проектування та витрати на обслуговування.

• Практичні обмеження: Двигуни та генератори з більш ніж трьома фазами є більш громоздкими та важче охолоджуються, а висота високовольтних веж повинна бути більшою, щоб розмістити більше провідників.

Перевага трифазної системи

Трифазні системи забезпечують оптимальний баланс:

• Вони передають на 50% більше потужності, ніж однофазні системи з такими ж провідниками, мінімізуючи втрати.

• Конфігурація з кутом 120° балансує навантаження та підсилює гармоніки без додаткової складності.

• Вони адаптуються до обох конфігурацій — дельта (збалансовані навантаження) та звізда (незбалансовані навантаження), підтримуючи різні потреби у потужності.

Багатофазні системи дають зменшуючіся переваги — кожна додаткова фаза зростає вартість експоненційно, надаючи маргінальні переваги. З цієї причини, трифазна технологія залишається глобальним стандартом для передачі електроенергії, забезпечуючи баланс між ефективністю, простотою та економічною вигідністю.