Energia elektryczna trójfazowa - Three-phase electric power

Transformator trójfazowy z wyjściem czteroprzewodowym do obsługi 208Y/120 V: jeden przewód neutralny, pozostałe fazy A, B i C

Energia elektryczna trójfazowa (w skrócie 3φ ) jest powszechnym rodzajem prądu przemiennego, stosowanym w wytwarzaniu , przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej . Jest to rodzaj systemu wielofazowego wykorzystującego trzy przewody (lub cztery z opcjonalnym neutralnym przewodem powrotnym) i jest to najczęstsza metoda stosowana przez sieci elektryczne na całym świecie do przesyłania energii.

Trójfazowa energia elektryczna została opracowana w latach 80. XIX wieku przez wielu ludzi. Zasilanie trójfazowe działa przy napięciu i prądach o 120 stopni w fazie na trzech przewodach. Jako system prądu przemiennego umożliwia łatwe podniesienie napięcia za pomocą transformatorów do wysokiego napięcia do transmisji i z powrotem do dystrybucji, co zapewnia wysoką wydajność.

Trójprzewodowy obwód trójfazowy jest zwykle bardziej ekonomiczny niż równoważny dwuprzewodowy obwód jednofazowy przy tym samym napięciu linia-ziemia, ponieważ wykorzystuje mniej materiału przewodnika do przesyłania określonej ilości energii elektrycznej. Zasilanie trójfazowe jest wykorzystywane głównie bezpośrednio do zasilania dużych silników i innych ciężkich obciążeń. Małe obciążenia często wykorzystują tylko dwuprzewodowy obwód jednofazowy, który może pochodzić z systemu trójfazowego.

Terminologia

Te przewody zawarte między źródłem napięcia i obciążenia są nazywane liniami, a napięcie między dwoma dowolnymi liniami nazywa napięcie sieciowe . Napięcie mierzone między dowolną linią a przewodem neutralnym nazywa się napięciem fazowym . Na przykład w przypadku usługi 208/120 woltów napięcie sieciowe wynosi 208 woltów, a napięcie fazowe 120 woltów.

Historia

Wielofazowe systemy zasilania zostały niezależnie wynalezione przez Galileo Ferrarisa , Michaiła Dolivo-Dobrovolsky'ego , Jonasa Wenströma , Johna Hopkinsona i Nikolę Teslę pod koniec lat 80. XIX wieku.

Silnik AC pierwszy w świecie włoski fizyk Galileo Ferraris. Był to silnik 2-fazowy i wymaga 4 przewodów, co jest mniej wydajne. Silniki i generatory 3-fazowe zostały opracowane przez dodanie dodatkowych cewek i podłączenie niektórych przewodów

Moc trójfazowa wyewoluowała z rozwoju silników elektrycznych. Ferraris niezależnie badał wirujące pole magnetyczne w 1885 roku. Ferraris eksperymentował z różnymi typami asynchronicznych silników elektrycznych. Badania i jego studia zaowocowały opracowaniem alternatora , który można traktować jako silnik prądu przemiennego, pracujący w odwrotnej kolejności, który zamienia moc mechaniczną (obrotową) na elektryczną (jako prąd przemienny).

11 marca 1888 r. Ferraris opublikował swoje badania w pracy do Królewskiej Akademii Nauk w Turynie (dwa miesiące później Nikola Tesla uzyskał patent USA nr 381968 , wniosek złożony 12 października 1887 r. Numer seryjny 252132). Alternatory te działały tworząc układy prądów przemiennych przesuniętych od siebie w fazie o określone wielkości i do ich działania zależały od wirującego pola magnetycznego. Powstałe w ten sposób źródło mocy wielofazowej szybko zyskało powszechną akceptację. Wynalezienie alternatora wielofazowego jest kluczem do historii elektryfikacji, podobnie jak transformator mocy . Te wynalazki umożliwiły ekonomiczne przesyłanie energii przewodami na znaczne odległości. Moc wielofazowa umożliwiła wykorzystanie energii wodnej (poprzez elektrownie wodne w dużych zaporach) w odległych miejscach, umożliwiając tym samym przekształcenie energii mechanicznej spadającej wody w energię elektryczną, która następnie mogła być dostarczona do silnika elektrycznego w dowolnym miejscu, w którym konieczne prace mechaniczne. Ta wszechstronność zapoczątkowała rozwój sieci przesyłowych energii elektrycznej na kontynentach na całym świecie.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky opracował trójfazowy generator elektryczny i trójfazowy silnik elektryczny (1888) oraz zbadał połączenia gwiazdowe i trójkątne . Triumf systemu trójfazowego został pokazany w Europie na Międzynarodowej Wystawie Elektrotechnicznej w 1891 roku, gdzie Dolivo-Dobrovolsky wykorzystał ten system do przesyłania energii elektrycznej na odległość 176 km z wydajnością 75% . W 1891 roku stworzył również transformator trójfazowy i silnik indukcyjny zwarciowy ( klatkowy ) . W 1891 roku zaprojektował pierwszą na świecie trójfazową elektrownię wodną .

Zasada

Znormalizowane przebiegi napięć chwilowych w układzie trójfazowym w jednym cyklu z czasem rosnącym w prawo. Kolejność faz to 1-2-3. Cykl ten powtarza się z częstotliwością systemu elektroenergetycznego. W idealnym przypadku napięcie , prąd i moc każdej fazy są odsunięte od pozostałych o 120°.

Trójfazowe linie przesyłowe energii elektrycznej

Transformator trójfazowy (Békéscsaba, Węgry): po lewej stronie są przewody pierwotne, a po prawej przewody wtórne

W symetrycznym trójfazowym systemie zasilania, każdy z trzech przewodów przewodzi prąd przemienny o tej samej częstotliwości i amplitudzie napięcia względem wspólnego odniesienia, ale z różnicą faz wynoszącą jedną trzecią cyklu (tj. 120 stopni przesuniętych w fazie) pomiędzy każdy. Wspólne odniesienie jest zwykle połączone z ziemią i często z przewodem przewodzącym prąd zwanym neutralnym. Ze względu na różnicę faz napięcie na dowolnym przewodzie osiąga szczyt w jednej trzeciej cyklu po jednym z pozostałych przewodów i jednej trzeciej cyklu przed pozostałym przewodem. To opóźnienie fazowe zapewnia stały transfer mocy do zrównoważonego obciążenia liniowego. Umożliwia również wytwarzanie wirującego pola magnetycznego w silniku elektrycznym i generowanie innych układów faz za pomocą transformatorów (np. układ dwufazowy z wykorzystaniem transformatora Scott-T ). Amplituda różnicy napięć między dwiema fazami jest (1,732...) razy większa od amplitudy napięcia poszczególnych faz. ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$

Opisane tutaj symetryczne układy trójfazowe są po prostu nazywane układami trójfazowymi, ponieważ chociaż możliwe jest zaprojektowanie i wdrożenie asymetrycznych trójfazowych układów zasilania (tj. z nierównymi napięciami lub przesunięciami fazowymi), nie są one stosowane w praktyce ponieważ brakuje im najważniejszych zalet systemów symetrycznych.

W układzie trójfazowym zasilającym zrównoważone i liniowe obciążenie suma prądów chwilowych trzech przewodów wynosi zero. Innymi słowy, prąd w każdym przewodniku jest równy co do wielkości sumie prądów w pozostałych dwóch, ale ma przeciwny znak. Ścieżką powrotną dla prądu w dowolnym przewodzie fazowym są pozostałe dwa przewody fazowe.

Stały transfer mocy i anulowanie prądów fazowych są możliwe przy dowolnej liczbie (większej niż jedna) faz, zachowując stosunek pojemności do materiału przewodnika, który jest dwa razy większy niż w przypadku mocy jednofazowej. Jednak dwie fazy powodują mniej płynny (pulsujący) prąd do obciążenia (co sprawia, że ​​płynne przesyłanie mocy jest wyzwaniem), a więcej niż trzy fazy niepotrzebnie komplikują infrastrukturę.

Systemy trójfazowe mogą mieć czwarty przewód, wspólny w dystrybucji niskiego napięcia. To jest przewód neutralny . Przewód neutralny umożliwia zapewnienie trzech oddzielnych jednofazowych źródeł zasilania przy stałym napięciu i jest powszechnie używany do zasilania wielu jednofazowych obciążeń. Połączenia są rozmieszczone tak, aby w miarę możliwości w każdej grupie pobierana była jednakowa moc z każdej fazy. Dalej w systemie dystrybucji prądy są zwykle dobrze zrównoważone. Transformatory mogą być okablowane tak, aby miały czteroprzewodowe wtórne i trójprzewodowe pierwotne, jednocześnie dopuszczając niezrównoważone obciążenia i związane z nimi prądy neutralne po stronie wtórnej.

Sekwencja faz

Okablowanie trzech faz jest zazwyczaj oznaczone kolorami, które różnią się w zależności od kraju. Fazy ​​muszą być połączone w odpowiedniej kolejności, aby osiągnąć zamierzony kierunek obrotów silników trójfazowych. Na przykład pompy i wentylatory nie działają w odwrotnej kolejności. Zachowanie identyczności faz jest wymagane, jeśli dwa źródła mogą być połączone w tym samym czasie; bezpośrednie połączenie między dwiema różnymi fazami to zwarcie .

Zalety

W porównaniu z jednofazowym zasilaczem prądu przemiennego, który wykorzystuje dwa przewody (fazowy i neutralny ), zasilacz trójfazowy bez przewodu neutralnego i o takim samym napięciu fazowym i prądzie na fazę może przesyłać trzy razy więcej mocy przy użyciu tylko 1,5 razy więcej przewodów (tj. trzy zamiast dwóch). W ten sposób stosunek pojemności do materiału przewodnika jest podwojony. Stosunek pojemności do materiału przewodnika wzrasta do 3:1 w przypadku nieuziemionego układu trójfazowego i układu jednofazowego z uziemieniem centralnym (lub 2,25:1, jeśli oba mają uziemienia o tej samej grubości co przewody).

Zasilacze trójfazowe posiadają właściwości, które czynią je pożądanymi w systemach dystrybucji energii elektrycznej:

• Prądy fazowe mają tendencję do wzajemnego znoszenia się, sumując się do zera w przypadku liniowo zrównoważonego obciążenia. Umożliwia to zmniejszenie rozmiaru przewodu neutralnego, ponieważ przewodzi on niewielki prąd lub nie ma go wcale. Przy zrównoważonym obciążeniu wszystkie przewody fazowe przenoszą ten sam prąd, a więc mogą mieć ten sam rozmiar.
• Przeniesienie mocy na liniowo zrównoważone obciążenie jest stałe. W zastosowaniach silnikowych/generatorowych pomaga to zredukować wibracje.
• Systemy trójfazowe mogą wytwarzać wirujące pole magnetyczne o określonym kierunku i stałej wielkości, co upraszcza projektowanie silników elektrycznych, ponieważ nie jest wymagany obwód rozruchowy.

Większość odbiorników domowych jest jednofazowa. W rezydencjach w Ameryce Północnej prąd trójfazowy może zasilać blok mieszkalny, podczas gdy odbiorniki domowe są podłączone jako jednofazowe. W obszarach o mniejszej gęstości do dystrybucji może być używana pojedyncza faza. Niektóre urządzenia gospodarstwa domowego o dużej mocy, takie jak kuchenki elektryczne i suszarki do ubrań, są zasilane z systemu dwufazowego przy napięciu 240 V lub z dwufazowego systemu trójfazowego przy napięciu 208 V.

Wytwarzanie i dystrybucja

Animacja prądu trójfazowego

Zdjęcie po lewej: elementarny sześcioprzewodowy alternator trójfazowy z każdą fazą wykorzystującą oddzielną parę przewodów transmisyjnych. Zdjęcie po prawej: podstawowy trójprzewodowy alternator trójfazowy pokazujący, jak fazy mogą dzielić tylko trzy przewody.

W elektrowni , elektryczne generatory nawróceni mechaniczny moc do zestawu trzech przemiennego prądu elektrycznego , po jednym z każdej cewki (uzwojenie) lub generatora. Uzwojenia są ułożone w taki sposób, że prądy mają tę samą częstotliwość, ale szczyty i doliny ich form fali są przesunięte, aby zapewnić trzy komplementarne prądy z separacją faz o jedną trzecią cyklu ( 120° lub 2π ⁄ 3 radiany ). Częstotliwość generatora jest zwykle 50 lub 60 Hz , w zależności od kraju.

W elektrowni transformatory zmieniają napięcie z generatorów do poziomu odpowiedniego do przesyłu w celu zminimalizowania strat.

Po dalszych przekształceniach napięcia w sieci przesyłowej, przed dostarczeniem energii do odbiorców napięcie jest ostatecznie przekształcane do standardowego wykorzystania.

Większość alternatorów samochodowych wytwarza trójfazowy prąd przemienny i prostuje go do prądu stałego za pomocą mostka diodowego .

Połączenia transformatora

Uzwojenie transformatora połączone w trójkąt jest połączone między fazami systemu trójfazowego. Transformator „trójnik” łączy każde uzwojenie z przewodu fazowego do wspólnego punktu neutralnego.

Można zastosować jeden transformator trójfazowy lub trzy transformatory jednofazowe.

W systemie „otwarty trójkąt” lub „V” używane są tylko dwa transformatory. Zamknięta trójkąt złożona z trzech jednofazowych transformatorów może działać jako otwarta trójkąt, jeśli jeden z transformatorów uległ awarii lub musi zostać usunięty. W otwartym trójkącie każdy transformator musi przewodzić prąd dla swoich faz, a także prąd dla trzeciej fazy, dlatego wydajność zmniejsza się do 87%. Przy braku jednego z trzech transformatorów i dwóch pozostałych o sprawności 87%, pojemność wynosi 58% ( 2 ⁄ 3 z 87%).

Tam, gdzie system zasilany w trójkąt musi być uziemiony w celu wykrycia prądu błądzącego do ziemi lub ochrony przed przepięciami, można podłączyć transformator uziemiający (zwykle transformator zygzakowaty ), aby umożliwić powrót prądów ziemnozwarciowych z dowolnej fazy do ziemi. Inną odmianą jest układ delta „uziemiony narożnie”, który jest zamkniętym trójkątem uziemionym na jednym ze złączy transformatorów.

Obwody trójprzewodowe i czteroprzewodowe

Obwody gwiazda (Y) i delta (Δ)

Istnieją dwie podstawowe konfiguracje trójfazowe: gwiazda (Y) i trójkąt (Δ). Jak pokazano na schemacie, konfiguracja delta wymaga tylko trzech przewodów do transmisji, ale konfiguracja z gwiazdą może mieć czwarty przewód. Czwarty przewód, jeśli występuje, jest dostarczany jako neutralny i jest normalnie uziemiony. Oznaczenia trójprzewodowe i czteroprzewodowe nie liczą przewodu uziemiającego znajdującego się nad wieloma liniami przesyłowymi, który służy wyłącznie do ochrony przed błędami i nie przewodzi prądu w normalnym użytkowaniu.

Układ czteroprzewodowy z symetrycznymi napięciami między fazą a przewodem neutralnym uzyskuje się, gdy przewód neutralny jest podłączony do „wspólnego punktu gwiazdowego” wszystkich uzwojeń zasilających. W takim układzie wszystkie trzy fazy będą miały taką samą wielkość napięcia w stosunku do przewodu neutralnego. Zastosowano inne systemy niesymetryczne.

Czteroprzewodowy system gwiazda jest używany, gdy ma być obsługiwana kombinacja obciążeń jednofazowych i trójfazowych, takich jak mieszane obciążenia oświetleniowe i silnikowe. Przykładem zastosowania jest dystrybucja lokalna w Europie (i gdzie indziej), gdzie każdy klient może być zasilany tylko z jednej fazy i neutralnej (co jest wspólne dla trzech faz). Gdy grupa klientów dzielących przewód neutralny pobiera nierówne prądy fazowe, wspólny przewód neutralny przenosi prądy wynikające z tych nierównowag. Inżynierowie elektrycy starają się zaprojektować trójfazowy system zasilania dla dowolnej lokalizacji, tak aby moc pobierana z każdej z trzech faz była taka sama, o ile to możliwe w tym miejscu. Inżynierowie elektrycy starają się również tak zorganizować sieć rozdzielczą, aby obciążenia były jak najbardziej zbilansowane, ponieważ te same zasady, które obowiązują w poszczególnych obiektach, odnoszą się również do szerokiej sieci rozdzielczej. W związku z tym władze dostawcze dokładają wszelkich starań, aby rozdzielić moc pobieraną na każdej z trzech faz na dużą liczbę obiektów, tak aby średnio, jak najbardziej zbilansowane obciążenie było widoczne w punkcie zasilania.

Konfiguracja delta-gwiazda w całym rdzeniu transformatora (należy zauważyć, że praktyczny transformator miałby zwykle różną liczbę zwojów po każdej stronie).

Do użytku domowego, niektóre kraje, takie jak Wielka Brytania, mogą dostarczać jedną fazę i neutralny przy wysokim prądzie (do 100  A ) do jednej nieruchomości, podczas gdy inne, takie jak Niemcy, mogą dostarczać każdemu klientowi 3 fazy i neutralny, ale przy niższym bezpieczniku ocena, zwykle 40–63  A na fazę i „obrócona”, aby uniknąć efektu większego obciążenia w pierwszej fazie.

Transformator do systemu „ wysokiego trójkąta ” stosowanego do mieszanych odbiorników jednofazowych i trójfazowych w tym samym systemie dystrybucyjnym. Obciążenia trójfazowe, takie jak silniki, są podłączane do L1, L2 i L3. Obciążenia jednofazowe byłyby połączone między L1 lub L2 a przewodem neutralnym lub między L1 i L2. Faza L3 jest 1,73 razy większa od napięcia L1 lub L2 do przewodu neutralnego, więc ta noga nie jest używana do obciążeń jednofazowych.

Na podstawie połączenia w trójnik (Y) i trójkąt (Δ). Ogólnie rzecz biorąc, istnieją cztery różne typy trójfazowych połączeń uzwojeń transformatora do celów przesyłowych i dystrybucyjnych.

• gwiazda (Y) - gwiazda (Y) jest używana dla małego prądu i wysokiego napięcia.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) jest używana dla dużych prądów i niskich napięć.
• Delta (Δ) - gwiazda (Y) jest stosowana w transformatorach podwyższających napięcie, np. w elektrowniach.
• trójnik (Y) - Delta (Δ) jest używany w transformatorach obniżających napięcie, tj. na końcu transmisji.

W Ameryce Północnej czasami stosuje się zasilanie w trójkąt wysokiego napięcia, w którym jedno uzwojenie transformatora połączonego w trójkąt zasilający obciążenie jest środkowe, a środkowy zaczep jest uziemiony i podłączony jako neutralny, jak pokazano na drugim schemacie. Ta konfiguracja wytwarza trzy różne napięcia: Jeśli napięcie między odczepem środkowym (neutralnym) a każdym z odczepów górnym i dolnym (fazy i przeciwfazy) wynosi 120  V (100%), napięcie na liniach fazowych i przeciwfazowych wynosi 240 V (200%), a napięcie neutralne do „wysokich nóg” wynosi ≈ 208 V (173%).

Powodem zapewnienia zasilania połączonego w trójkąt jest zwykle zasilanie dużych silników wymagających wirującego pola. Jednakże przedmiotowe pomieszczenia będą również wymagały „normalnych” północnoamerykańskich zasilaczy 120 V, z których dwa są wyprowadzone (180 stopni „przesunięte w fazie”) między „neutralnym” a jednym ze środkowych punktów odczepu fazowego.

Zrównoważone obwody

W idealnie zrównoważonym przypadku wszystkie trzy linie mają równoważne obciążenia. Badając obwody, możemy wyprowadzić zależności między napięciem i prądem linii oraz napięciem i prądem obciążenia dla obciążeń połączonych w gwiazdę i trójkąt.

W zrównoważonym systemie każda linia będzie wytwarzać równe wartości napięcia przy kątach fazowych w równych odstępach od siebie. Z V ₁ jako naszym odniesieniem i V ₃ opóźnionym V ₂ opóźnionym V ₁ , używając notacji kątowej , a V _LN napięcie między linią a przewodem neutralnym mamy:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} V_ {1} i = V_ {\ tekst {LN}} \ kąt 0 ^ {\ circ} \ \ V_ {2} i = V_ {\ tekst {LN}} \ kąt {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}}$

Napięcia te zasilają obciążenie połączone w gwiazdę lub w trójkąt.

Trójnik (lub gwiazda; Y)

Trójfazowy generator prądu przemiennego podłączony jako źródło w gwiazdę lub gwiazdę do obciążenia połączonego w gwiazdę lub gwiazdę

Napięcie widziane przez obciążenie będzie zależeć od połączenia obciążenia; w przypadku gwiazdy podłączenie każdego obciążenia do napięcia fazowego (linia-do-neutralnej) daje:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} ja {1} i = {\ Frac {V_ {1}} {\ lewo | Z_ {\ tekst {całkowita}} \ prawo |}} \ kąt (- \ teta), \ \[2pt]I_{2}&={\frac {V_{2}}{\left|Z_{\text{całkowita}}\right|}}\angle \left(-120^{\circ }-\ theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\frac {V_{3}}{\left|Z_{\text{całkowita}}\right|}}\angle \left(120^{ \circ }-\theta \right),\end{aligned}}}$

gdzie Z _total jest sumą impedancji linii i obciążenia ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), a θ jest fazą całkowitej impedancji ( Z _total ).

Różnica kątów fazowych między napięciem i prądem każdej fazy niekoniecznie wynosi 0 i jest zależna od rodzaju impedancji obciążenia, Z _y . Obciążenia indukcyjne i pojemnościowe spowodują, że prąd będzie opóźniać się lub przewodzić napięcie. Jednak względny kąt fazowy między każdą parą linii (1 do 2, 2 do 3 i 3 do 1) nadal będzie wynosił -120°.

Schemat fazorów do konfiguracji gwiazdy, w którym V _AB oznacza napięcie sieciowe i V oznacza napięcie fazowe. Napięcia są równoważone jako:

(w tym przypadku α = 0).

Stosując prawo prądowe Kirchhoffa (KCL) do węzła neutralnego, trzy prądy fazowe sumują się do całkowitego prądu w linii neutralnej. W zrównoważonym przypadku:

${\ Displaystyle I_ {1} + I_ {2} + I_ {3} = I_ {\ tekst {N}} = 0.}$

Delta (Δ)

Trójfazowy generator prądu przemiennego podłączony jako źródło w gwiazdę do obciążenia połączonego w trójkąt

W obwodzie delta obciążenia są połączone w poprzek linii, więc obciążenia widzą napięcia międzyprzewodowe:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} V_ {12} i = V_ {1}-V_ {2} = \ lewo (V_ {\ tekst {LN}} \ kąt 0 ^ {\ okrąg} \ po prawej) - \ lewo (V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ } ={\sqrt {3}}V_{1}\angle \left(\phi _{V_{1}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{23}&=V_{ 2}-V_{3}=\left(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 120^{ \circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle \left(\phi _{V_{2}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{31}&=V_{3}-V_{1}=\left(V_{\ text{LN}}\angle 120^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}} V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle \left(\phi _{V_{3}}+30^{\circ }\ po prawej).\\\end{wyrównany}}}$

(Φ _v1 to przesunięcie fazowe dla pierwszego napięcia, zwykle przyjmowane jako 0°; w tym przypadku Φ _v2 = -120° i Φ _v3 = -240° lub 120°.)

Dalej:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} I_ {12} i = {\ Frac {V_ {12}} {\ lewo | Z_ {\ Delta} \ prawo |}} \ kąt \ lewo (30 ^ {\ okrąg} - \theta \right),\\[2pt]I_{23}&={\frac {V_{23}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(-90^{\ circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{31}&={\frac {V_{31}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(150^ {\circ }-\theta \right),\end{wyrównany}}}$

gdzie θ jest fazą impedancji delta ( Z _Δ ).

Kąty względne są zachowane, więc I ₃₁ opóźnia się I ₂₃ opóźnia się I ₁₂ o 120°. Obliczenie prądów linii za pomocą KCL w każdym węźle delta daje:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} I_ {1} i = I_ {12}-I_ {31} = I_ {12}-I_ {12} \ kąt 120 ^ {\ circ} \ \ & = {\ sqrt { 3}}I_{12}\angle \left(\phi _{I_{12}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta ) \end{wyrównany}}}$

i podobnie dla każdej innej linii:

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} I_ {2} i = {\ sqrt {3}} I_ {23} \ kąt \ lewo (\ phi _ {I_ {23}} -30 ^ {\ circ} \ po prawej) ={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(-120^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\sqrt {3}}I_ {31}\angle \left(\phi _{I_{31}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(120^{\circ } -\theta \right),\end{wyrównany}}}$

gdzie ponownie θ jest fazą impedancji delta ( Z _Δ ).

Konfiguracja delta i odpowiedni wykres wskazowy jej prądów. Napięcia fazowe są równe napięciom liniowym, a prądy są obliczane jako:

Całkowita przekazywana moc wynosi:

Kontrola wykresu wskazowego lub konwersja z notacji wskazowej do notacji złożonej ilustruje, w jaki sposób różnica między dwoma napięciami linia-do-neutralnej daje napięcie linia-do-linii, które jest większe o współczynnik √ 3 . Ponieważ konfiguracja delta łączy obciążenie między fazami transformatora, zapewnia różnicę napięć między liniami, która jest √ 3 razy większa niż napięcie międzyprzewodowe dostarczane do obciążenia w konfiguracji gwiazda. Ponieważ przesyłana moc wynosi V ² /Z, impedancja w konfiguracji delta musi być 3 razy większa niż w konfiguracji gwiazda, aby przesłać tę samą moc.

Obciążenia jednofazowe

Z wyjątkiem układu trójkąta z wysokim odcinkiem i układu trójkąta z uziemieniem narożnym, obciążenia jednofazowe mogą być połączone w dowolnych dwóch fazach lub obciążenie może być połączone z fazy do punktu neutralnego. Rozdzielenie obciążeń jednofazowych między fazy systemu trójfazowego równoważy obciążenie i zapewnia najbardziej ekonomiczne wykorzystanie przewodów i transformatorów.

W symetrycznym trójfazowym czteroprzewodowym systemie gwiazda trójfazowe przewody mają to samo napięcie do przewodu neutralnego systemu. Napięcie między przewodami liniowymi jest √ 3 razy większe niż napięcie między przewodem fazowym a neutralnym:

${\ Displaystyle V_ {\ tekst {LL}} = {\ sqrt {3}} V_ {\ tekst {LN}}.}$

Prądy powracające z pomieszczeń klientów do transformatora zasilającego mają wspólny przewód neutralny. Jeżeli obciążenia są równomiernie rozłożone na wszystkich trzech fazach, suma prądów powrotnych w przewodzie neutralnym wynosi w przybliżeniu zero. Każde niezrównoważone obciążenie fazowe po stronie wtórnej transformatora będzie nieefektywnie wykorzystywać pojemność transformatora.

W przypadku przerwania przewodu neutralnego napięcie międzyfazowe nie jest dłużej utrzymywane. Fazy ​​o wyższym względnym obciążeniu będą doświadczać obniżonego napięcia, a fazy o niższym względnym obciążeniu będą doświadczać podwyższonego napięcia, aż do napięcia międzyfazowego.

Wysokiej noga Delta stanowi związek między fazą neutralną V _LL = 2  V _LN  jednak obciążenia LN nałożone na jedną fazę. Strona producenta transformatora sugeruje, aby obciążenie LN nie przekraczało 5% pojemności transformatora.

Ponieważ √ 3 ≈ 1,73, zdefiniowanie V _LN jako 100% daje V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Jeśli V _LL został ustawiony na 100%, to V _LN ≈ 57,7% .

Niezrównoważone obciążenia

Gdy prądy w trzech przewodach pod napięciem w systemie trójfazowym nie są równe lub nie są dokładnie pod kątem 120°, straty mocy są większe niż w systemie doskonale zrównoważonym. Do analizy układów niezrównoważonych stosowana jest metoda składowych symetrycznych .

Obciążenia nieliniowe

Przy obciążeniach liniowych przewód neutralny przenosi prąd tylko z powodu braku równowagi między fazami. Lampy wyładowcze i urządzenia wykorzystujące prostownik-kondensator, takie jak zasilacze impulsowe , komputery, sprzęt biurowy itp., wytwarzają harmoniczne trzeciego rzędu, które są zgodne w fazie we wszystkich fazach zasilania. W konsekwencji takie prądy harmoniczne dodają przewód neutralny w układzie gwiazda (lub w uziemionym (zygzak) transformatorze w układzie trójkąta), co może spowodować, że prąd przewodu neutralnego przekroczy prąd fazowy.

Obciążenia trójfazowe

Trójfazowa maszyna elektryczna z wirującymi polami magnetycznymi

Ważną klasą obciążenia trójfazowego jest silnik elektryczny . Silnik indukcyjny trójfazowy ma prostą konstrukcję, z natury wysoki moment rozruchowy i wysoką sprawność. Takie silniki znajdują wiele zastosowań w przemyśle. Silnik trójfazowy jest bardziej kompaktowy i mniej kosztowny niż silnik jednofazowy o tej samej klasie napięcia i mocy, a jednofazowe silniki prądu przemiennego o mocy powyżej 10  KM (7,5 kW) są rzadkością. Silniki trójfazowe również wibrują mniej, a tym samym trwają dłużej niż silniki jednofazowe o tej samej mocy używane w tych samych warunkach.

Rezystancyjne obciążenia grzewcze, takie jak kotły elektryczne lub ogrzewanie pomieszczeń, można podłączyć do systemów trójfazowych. Podobnie można podłączyć oświetlenie elektryczne.

Migotanie częstotliwości linii w świetle jest szkodliwe dla szybkich kamer używanych w transmisji wydarzeń sportowych do odtwarzania powtórek w zwolnionym tempie . Można go zmniejszyć, równomiernie rozprowadzając źródła światła sterowane częstotliwością linii na trzy fazy, tak aby oświetlony obszar był oświetlony ze wszystkich trzech faz. Ta technika została z powodzeniem zastosowana na Igrzyskach Olimpijskich w Pekinie w 2008 roku.

Prostowniki mogą wykorzystywać źródło trójfazowe do wytwarzania sześciopulsowego wyjścia prądu stałego. Moc wyjściowa takich prostowników jest znacznie gładsza niż prostowana jednofazowa i w przeciwieństwie do jednofazowej nie spada do zera między impulsami. Takie prostowniki mogą być wykorzystywane do ładowania akumulatorów, procesów elektrolizy takich jak produkcja aluminium lub do obsługi silników prądu stałego. Transformatory „zygzakowate” mogą odpowiadać sześciofazowemu prostowaniu pełnookresowemu, dwunastu impulsom na cykl, a ta metoda jest czasami stosowana w celu zmniejszenia kosztów elementów filtrujących, jednocześnie poprawiając jakość wynikowego prądu stałego.

Wtyczka trójfazowa stosowana w przeszłości w kuchenkach elektrycznych w Niemczech

Jednym z przykładów obciążenia trójfazowego jest elektryczny piec łukowy stosowany w produkcji stali i rafinacji rud.

W wielu krajach europejskich piece elektryczne są zwykle zaprojektowane do zasilania trójfazowego ze stałym podłączeniem. Poszczególne jednostki grzewcze są często podłączane między fazą a przewodem neutralnym, aby umożliwić podłączenie do obwodu jednofazowego, jeśli trójfazowa nie jest dostępna. Innymi typowymi obciążeniami trójfazowymi w gospodarstwie domowym są bezzbiornikowe systemy podgrzewania wody i podgrzewacze akumulacyjne . Domy w Europie i Wielkiej Brytanii zostały znormalizowane na nominalne 230 V między dowolną fazą a ziemią. (Istniejące źródła zasilania utrzymują się w pobliżu 240 V w Wielkiej Brytanii.) Większość grup domów jest zasilana z trójfazowego transformatora ulicznego, dzięki czemu poszczególne lokale o ponadprzeciętnym zapotrzebowaniu mogą być zasilane z drugiej lub trzeciej fazy.

Trójfazowy inteligentny licznik elektryczny

Pierwszy nowy trójfazowy licznik SMETS2, opracowany przez Aclara Technologies, został zainstalowany w sierpniu 2020 r. w imieniu brytyjskiego dostawcy energii Good Energy w Gloucestershire w Anglii.

Pierwszy trójfazowy miernik SMETS2 w nieruchomości komercyjnej został zainstalowany w Aberdare w Południowej Walii w sierpniu 2020 roku.

Konwertery fazowe

Przetwornice fazowe są używane, gdy sprzęt trójfazowy musi być zasilany z jednofazowego źródła zasilania. Są używane, gdy zasilanie trójfazowe nie jest dostępne lub koszt nie jest uzasadniony. Takie konwertery mogą również umożliwiać zmianę częstotliwości, umożliwiając sterowanie prędkością. Niektóre lokomotywy kolejowe wykorzystują źródło jednofazowe do napędzania silników trójfazowych zasilanych przez napęd elektroniczny.

Obrotowy konwerter faza jest silnik trójfazowy ze szczególnych ustaleń początkowych oraz współczynnika mocy korekty który zapewnia równowagę napięć trójfazowych. Odpowiednio zaprojektowane, te przekształtniki obrotowe mogą zapewnić zadowalającą pracę silnika trójfazowego na źródle jednofazowym. W takim urządzeniu magazynowanie energii odbywa się poprzez bezwładność (efekt koła zamachowego) obracających się elementów. Czasami na jednym lub obu końcach wału znajduje się zewnętrzne koło zamachowe.

Generator trójfazowy może być napędzany silnikiem jednofazowym. Ta kombinacja silnik-generator może zapewnić funkcję przemiennika częstotliwości, a także konwersję faz, ale wymaga dwóch maszyn ze wszystkimi ich wydatkami i stratami. Metoda silnik-generator może również tworzyć nieprzerwane źródło zasilania, gdy jest używana w połączeniu z dużym kołem zamachowym i silnikiem prądu stałego zasilanym bateryjnie; taka kombinacja zapewni prawie stałą moc w porównaniu z chwilowym spadkiem częstotliwości występującym w przypadku generatora rezerwowego, dopóki generator rezerwowy nie włączy się.

Kondensatory i autotransformatory mogą być używane do aproksymacji układu trójfazowego w przetwornicy fazy statycznej, ale napięcie i kąt fazowy dodatkowej fazy mogą być przydatne tylko dla niektórych obciążeń.

Napędy o zmiennej częstotliwości i cyfrowe przetworniki fazowe wykorzystują urządzenia energoelektroniczne do syntezy zrównoważonego zasilania trójfazowego z jednofazowej mocy wejściowej.

Testowanie

Weryfikacja kolejności faz w obwodzie ma duże znaczenie praktyczne. Dwa źródła zasilania trójfazowego nie mogą być połączone równolegle, chyba że mają taką samą kolejność faz, na przykład podczas podłączania generatora do sieci rozdzielczej pod napięciem lub podczas łączenia dwóch transformatorów równolegle. W przeciwnym razie połączenie będzie zachowywać się jak zwarcie i popłynie nadmiar prądu. Kierunek obrotów silników trójfazowych można odwrócić, zamieniając dowolne dwie fazy; testowanie maszyny przez chwilowe włączenie silnika w celu zaobserwowania jego obrotów może być niepraktyczne lub szkodliwe. Kolejność faz dwóch źródeł można zweryfikować, mierząc napięcie między parami zacisków i obserwując, że zaciski o bardzo niskim napięciu między nimi będą miały tę samą fazę, podczas gdy pary o wyższym napięciu są na różnych fazach.

Jeżeli bezwzględna identyczność faz nie jest wymagana, przyrządy do badania rotacji faz można wykorzystać do identyfikacji sekwencji rotacji za pomocą jednej obserwacji. Przyrząd do badania rotacji faz może zawierać miniaturowy silnik trójfazowy, którego kierunek obrotów można bezpośrednio obserwować przez obudowę przyrządu. Inny wzór wykorzystuje parę lamp i wewnętrzną sieć przesunięcia fazowego do wyświetlania rotacji faz. Inny typ przyrządu może być podłączony do niezasilanego silnika trójfazowego i może wykrywać małe napięcia indukowane przez magnetyzm szczątkowy, gdy wał silnika jest obracany ręcznie. Lampka lub inna lampka sygnalizacyjna pokazująca kolejność napięć na zaciskach dla danego kierunku obrotu wału.

Alternatywy dla trójfazowych

Energia elektryczna z rozdwojoną fazą

Używany, gdy zasilanie trójfazowe nie jest dostępne i umożliwia podwojenie normalnego napięcia użytkowego dla obciążeń o dużej mocy.

Energia elektryczna dwufazowa

Wykorzystuje dwa napięcia prądu przemiennego, z przesunięciem fazowym o 90 stopni elektrycznych między nimi. Obwody dwufazowe mogą być okablowane dwiema parami przewodów lub można połączyć dwa przewody, wymagając tylko trzech przewodów dla obwodu. Prądy we wspólnym przewodzie dodają 1,4-krotność prądu w poszczególnych fazach, więc wspólny przewód musi być większy. Systemy dwufazowe i trójfazowe można połączyć za pomocą transformatora Scott-T , wynalezionego przez Charlesa F. Scotta . Bardzo wczesne maszyny prądu przemiennego, zwłaszcza pierwsze generatory w Niagara Falls , wykorzystywały system dwufazowy, a niektóre pozostałe dwufazowe systemy dystrybucji nadal istnieją, ale systemy trójfazowe wyparły system dwufazowy w nowoczesnych instalacjach.

Moc monocykliczna

Asymetryczny zmodyfikowany dwufazowy system zasilania używany przez General Electric około 1897 roku, którego orędownikami byli Charles Proteus Steinmetz i Elihu Thomson . Ten system został opracowany w celu uniknięcia naruszenia patentu. W tym układzie generator był uzwojony z uzwojeniem jednofazowym pełnego napięcia przeznaczonym do odbiorów oświetleniowych i uzwojeniem o małej części (zwykle 1/4 napięcia sieciowego), które wytwarzało napięcie w kwadraturze z uzwojeniami głównymi. Intencją było wykorzystanie tego dodatkowego uzwojenia „przewodu zasilającego” do zapewnienia momentu rozruchowego dla silników indukcyjnych, przy czym uzwojenie główne dostarczało moc do obciążeń oświetleniowych. Po wygaśnięciu patentów Westinghouse dotyczących symetrycznych dwufazowych i trójfazowych systemów dystrybucji energii, system monocykliczny wypadł z użycia; było to trudne do przeanalizowania i nie trwało wystarczająco długo, aby opracować zadowalający pomiar energii.

Systemy wysokiego rzędu

Zostały zbudowane i przetestowane pod kątem przenoszenia mocy. Takie linie transmisyjne zwykle wykorzystywałyby sześć lub dwanaście faz. Linie przesyłowe wysokiego rzędu umożliwiają przesyłanie nieco mniej niż proporcjonalnie większej mocy przez daną objętość bez kosztów konwertera wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) na każdym końcu linii. Wymagają jednak odpowiednio większej ilości sprzętu.

DC

W przeszłości stosowano prąd przemienny, ponieważ można go było łatwo przekształcić na wyższe napięcia w celu transmisji na duże odległości. Jednak współczesna elektronika może podnieść napięcie prądu stałego z wysoką wydajnością, a prąd stały nie ma efektu naskórkowości, co pozwala na stosowanie lżejszych i tańszych przewodów transmisyjnych, dzięki czemu prąd stały o wysokim napięciu daje mniejsze straty na długich dystansach.

Kody kolorów

Przewody systemu trójfazowego są zwykle oznaczone kodem kolorystycznym, aby umożliwić zrównoważone obciążenie i zapewnić prawidłową rotację faz silników . Użyte kolory mogą być zgodne z międzynarodową normą IEC 60446 (później IEC 60445 ), starszymi normami lub w ogóle z brakiem normy i mogą się różnić nawet w ramach jednej instalacji. Na przykład w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie różne kody kolorów są używane dla systemów uziemionych (uziemionych) i nieuziemionych.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Historia i oś czasu zasilania prądem przemiennym