Dlaczego energia trójfazowa? Dlaczego nie większa liczba faz?

Czy istnieje powód, poza przyczynami historycznymi, że trzy fazy stały się dominującą liczbą faz?

Zdaję sobie sprawę z zalet w stosunku do jednej fazy i dwóch faz, a mianowicie zmniejszonej ilości potrzebnego przewodnika, oraz że silniki mogą zapewnić moment obrotowy po zatrzymaniu (i mniejszej pulsacji).

Czy wynika to wyłącznie ze zmniejszających się zwrotów, przy jedynie niewielkim wzroście płynności przyłożenia momentu obrotowego, kosztem zwiększonej złożoności (zwiększonej liczby drutów (choć mniejszego CSA)).

Żeby było jasne, wszystkie fazy są równomiernie rozmieszczone, to znaczy pięć faz oddzielonych 72 stopniami.

Oprócz odpowiedzi PlasmaHH przemysł wykorzystuje prawie wyłącznie moc trójfazową, ponieważ silnik indukcyjny potrzebuje co najmniej trójfazowego zasilania, aby uruchomić i pracować w znanym kierunku. Jednofazowe silniki indukcyjne wymagają stratnych, zawodnych i kosztownych sztuczek, aby zrobić to samo (dodatkowe uzwojenia, uzwojenia stratne, przełącznik wrażliwy na prędkość, kondensatory itp.).

Sieć dostaw oparta jest na trzech fazach, ponieważ jest to najbardziej wydajna pod względem wytwarzania i dostawy. Na przykład zastosowanie sieci 9-fazowej wymagałoby uruchomienia 9 przewodów dla całej sieci dystrybucyjnej, co nie jest opłacalne.

Wspomniane silniki wyższego rzędu nie wykorzystują faz generowanych liniowo. Silniki krokowe wykorzystują więcej faz dla lepszego sterowania. Prostowniki wielofazowe wysokiego rzędu są często projektowane z większą liczbą „faz”, aby zredukować tętnienia, ale fazy te są generowane lokalnie poprzez przesunięcie fazowe wejścia liniowego za pomocą pewnych środków, albo bezpośrednie przesunięcie LC, lub za pomocą zestawu silnik-generator.

Kiedy masz jednofazowy rozdział mocy, potrzebujesz jednej fazy i jednego powrotu, oba przewodzące ten sam prąd.

Jeśli teraz zamiast tego użyjesz symetrycznej mocy trójfazowej, użyjesz trzech faz z jedną trzecią zdolności przenoszenia prądu i możesz pozbyć się neutralnego. To po prostu oszczędza pieniądze w miedzi. Jeśli teraz dodasz więcej faz, nie możesz zaoszczędzić więcej miedzi, a jedynie zwiększyć złożoność.

Jeśli masz asymetryczną moc trójfazową, nie możesz pozbyć się neutralnego, ale nie musi on być w stanie obsłużyć całego połączonego prądu wszystkich trzech faz w zamian. Znów zaoszczędzono trochę miedzi. Dodanie kolejnych faz nie zmniejszy jednak tak bardzo ilości miedzi potrzebnej do neutralnego.

Więc tak, ostatecznie jest to większy koszt dla praktycznie żadnego zysku w przeciętnym zastosowaniu. Znajdziesz więc więcej niż trzy fazy dla bardzo wyjątkowych rzeczy.

Trzy to najniższa liczba faz, które są równomiernie rozmieszczone wokół koła i które można wykorzystać do wytworzenia wirującego pola magnetycznego w danym kierunku.

Wszelkie kolejne fazy wymagają po prostu więcej drutów i więcej uzwojeń w silniku indukcyjnym.

Dwie fazy mogą wytworzyć wirujące pole magnetyczne, jeśli są one oddalone o 90 stopni („ kwadratura ”). Sztuczki generujące kwadraturę, takie jak kondensatory biegowe, stosuje się w silnikach indukcyjnych, które pobierają moc jednofazową.

Okazuje się, że moc dwufazowa nie ma zalet. Silniki pracują płynniej na trzech fazach , a zrównoważona dwufazowa wymaga czterech przewodników, podczas gdy trójfazowa wymaga tylko trzech. Innymi słowy, możemy połączyć generator trójfazowy z trójfazowym silnikiem indukcyjnym, używając dokładnie trzech przewodów. Trójprzewodowa dwufazowa jest możliwa, ale nie będzie zrównoważona. Dwa z przewodników będą przenosić fazy, a trzeci przewodnik będzie neutralny. Oznacza to, że jeden drut musi obsłużyć większy prąd, ponieważ działa on jako zwrot dla pozostałych dwóch. Wszystkie trzy przewody pod napięciem trójfazowym przewodzą ten sam prąd: są zrównoważone.

Z tych wszystkich powodów trzy fazy stanowią optymalne. Jeśli jest rzeczą oczywistą, że energia elektryczna jest wykorzystywana w silnikach indukcyjnych, więcej niż trzy fazy są marnotrawstwem, a więc mniej niż trzy.

Zastosowano jednak układy dwufazowe, a także układy wyższego rzędu, takie jak sześcio- i dwunastofazowe , ponieważ mają one pewne szczególne zalety.

Dodatek do innych odpowiedzi:

Głównym celem jest to, że posiadanie co najmniej trzech faz umożliwia uruchomienie silnika w oczekiwanym kierunku. W przypadku jednofazowych silników indukcyjnych konieczne są pewne obejścia (np. Wprowadzenie dodatkowego okablowania z kondensatorem zastosowanym podczas rozruchu). Zostało to poprawnie wyjaśnione w poprzednich odpowiedziach.

Dlaczego nie więcej? Po prostu - nie jest to konieczne i generuje koszty. To nie tylko problem z drutami (więc użycie miedzi, izolacji), ale także problem konstrukcyjny. Czy możesz sobie wyobrazić wieżę dla linii napowietrznych o dziewięciu fazach? Cóż, prawdopodobnie możesz - czasem można spotkać wieże, które posiadają dwie linie 3-fazowe, a nawet więcej:

(zdjęcie z Wikipedii)

Głównym problemem jest tutaj zapewnienie odpowiedniej odległości izolacyjnej między przewodnikami i przewodnikami a ziemią (lub konstrukcją wieży), co wymaga dużego zużycia materiałów.

Ponadto, jeśli masz więcej faz, prawdopodobieństwo niepowodzenia jest większe. Oczywiście w tym przypadku (powiedzmy - zepsuty przewodnik) całkowita asymetria będzie niższa, ale ryzyko konieczności wyłączenia całej linii będzie wyższe.

Kompilacja generatora dla większej liczby faz jest również skomplikowana. Zazwyczaj hydrogeneratory o małej prędkości mają wiele par biegunów, więc dobrze byłoby nie podawać 24 par biegunów, ale jedną lub dwie (na przykład dla 12 faz), ale jest to skomplikowane w przypadku zespołów generatora termicznego-turbiny. Zwykle jest jedna para biegunów, czasem dwie. Prowadzi to do prędkości 3000 obr / min (dla sieci 50 Hz). Konieczne jest, aby stojan pobierał energię z takiej maszyny przy najniższym możliwym ryzyku, więc mniej faz oznacza mniejszą szansę na zwarcie. Wprowadzenie większej liczby faz wymagałoby znacznie droższej konstrukcji stojana.

Należy również pamiętać, że nawet jeśli dzisiaj nie ma problemu z przetwornicą częstotliwości elektroniki energetycznej, zwielokrotnianiem faz, rektyfikacją itp., Był to problem dopiero 30 lat temu i oczywiście więcej. Wtedy ludzie zdecydowali się użyć trzech faz, a teraz nie można się zmienić.

Dlaczego tylko 3 fazy? Cóż, jeśli potrzebujemy więcej faz, możemy łatwo przekształcić 3 fazy w 6 faz / 12 faz itp., Używając do tego celu transformatora. Głównym zastosowaniem większej liczby faz jest zmniejszenie tętnienia napięcia w prostowanym banku kondensatorów z pełnym mostkiem. Nigdy go nie widziałem, ale dowiedziałem się o nim od starożytnego wykładowcy na uniwersytecie podczas elektrotechniki.

Powiedzmy też, że mieliśmy konfigurację delta 3 dopasowanych rezystorów podłączonych do połączenia 3-fazowego. Moc zużywana w czasie będzie identyczna jak rezystor zasilany prądem stałym, ponieważ gdy jedna faza ma 0%, pozostałe dwie fazy będą miały 66,66% i 33,33%, jeśli dobrze pamiętam. Zależność ta oznacza również, że moc z jednej fazy zwróci pozostałe fazy. Czy trójfazowe nie jest niesamowite!

Podsumowując, nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowych faz, ponieważ możesz bardzo łatwo przekonwertować je na więcej faz na swoim końcu. Zazwyczaj nie jest to zrobione, ponieważ 3 fazy są już niesamowite.

Mam nadzieję że to pomoże.

Trójfazowa ma bardzo ważną właściwość: jeśli spojrzysz na moc (V ^ 2 / R) we wszystkich trzech fazach i zsumujesz je, ta moc jest STAŁA przez cały cykl. Oznacza to, że silniki 3-fazowe mogą prowadzić ze stałą mocą, a generatory widzą stałe obciążenie. 2 faza jest niewystarczająca, aby uzyskać ten związek.

Można użyć większej liczby faz, ale drutowanie kosztuje więcej i tak naprawdę nie oferuje żadnej dodatkowej korzyści w większości sytuacji. Wybrano 3 fazę, ponieważ jest to minimalna liczba drutów o dobrych właściwościach.

Wiele innych odpowiedzi błędnie stwierdza, że ​​potrzebne są 3 fazy, aby silnik mógł niezawodnie uruchomić się lub obrócić w określonym kierunku i używać stałej mocy. W rzeczywistości można to zrobić za pomocą dwóch faz, oddalonych od siebie o 90 °. Nadal masz określony kierunek i stały pobór mocy w cyklu.

Taki układ dwufazowy wymagałby jednak minimum trzech drutów, ale prąd płynący przez trzy przewody nie byłby symetryczny dla obciążenia o stałej mocy. Jeśli więc potrzebujesz trzech przewodów, jaki jest najlepszy sposób wykorzystania tych trzech przewodów tak wydajnie i elastycznie, jak to możliwe? Odpowiedzią jest trójfazowy system, którego faktycznie używamy. Zamiast jednej wspólnej i dwóch „gorących” linii 90 ° poza fazą, masz trzy symetryczne gorące linie, każda 120 ° poza fazą od pozostałych dwóch. Należy pamiętać, że średnie napięcie (i prąd dla zbilansowanego obciążenia) wynosi zawsze 0 dla symetrycznego układu 3-fazowego. Nie dotyczy to systemu 2-fazowego.

Więcej faz nie daje żadnych dodatkowych pożądanych właściwości, więc po prostu zwiększyłoby złożoność i koszt.

Napięcie jest definitywnie między dwoma przewodnikami. Jeśli masz jeden przewodnik, nie masz napięcia. Bez napięcia, bez zasilania, nic się nie dzieje. Niezbyt przydatne.

Jeśli masz dwa przewodniki, masz jedną parę (2C2), która pozwala na jedno napięcie. Nazywamy to jednofazowym. Teraz możemy sprawić, że coś się stanie, co jest znaczną przewagą nad posiadaniem tylko jednego przewodnika. Ale możesz sprawić, że stanie się tylko jedna rzecz; nie ma możliwości zmiany sposobu podłączenia obciążenia. Innymi słowy, napięcie ma tylko jeden wymiar: jest dodatni lub ujemny. Jednym z powszechnych problemów jest to, że jeśli podłączysz silnik jednofazowy bezpośrednio do linii prądu przemiennego, nie masz żadnej gwarancji, w jaki sposób będzie się obracał ani w ogóle.

Jeśli masz trzy przewodniki, masz trzy pary (3C2), co pozwala na trzy napięcia. Nazywamy to trójfazowym. Teraz możemy sprawić, by trzy rzeczy się wydarzyły w różnych momentach . Na przykład, możesz mieć trzy elektromagnesy ułożone w okrąg i włączyć je wszystkie w sekwencji. Teraz możemy zagwarantować, że silnik będzie się obracał i w jakim kierunku. Jest to znacząca zaleta w stosunku do jednofazowego. Innymi słowy, mamy teraz dwa wymiary napięcia; jest reprezentowany przez wektor w dwuwymiarowej przestrzeni. Istnieją tylko dwa możliwe różne układy przewodów ((3-1)!), Które odpowiadają dwóm możliwym kierunkom obrotu.

Jeśli rozszerzysz to do czterech przewodów, masz sześć par (4C2), więc następnym krokiem jest napięcie sześciofazowe. Jakie zalety miałaby sześciofazowa w porównaniu z trójfazową? Cóż, teraz są (4-1)! = 6 możliwych wyraźnych układów przewodów, co oznacza, że ​​jeśli próbujesz spowodować obrót czegoś w płaszczyźnie, możesz podłączyć rzeczy w sposób niezgodny z tym. Więc jeśli masz silnik indukcyjny z sześcioma uzwojeniami, możliwe byłoby podłączenie go w sposób, który wibrowałby strasznie i obracałby się o połowę normalnej prędkości, zamiast wybierać tylko jeden kierunek. To nie jest plus.

Załóżmy jednak, że twój wirnik miał trzy stopnie swobody obrotu zamiast jednego. Dzięki sześciofazowemu i odpowiedniemu mechanicznemu rozmieszczeniu biegunów magnetycznych można indukować obrót (przechylenie, skok i odchylenie) w pływającym sferycznym wirniku o ustalonej pozycji. Ponieważ według mojej wiedzy takie rzeczy nie istnieją, tak naprawdę nie kwalifikuje się to jako przydatna aplikacja. (Może w środowisku zerowej grawitacji, gdzie bieguny magnetyczne krążą wokół jakiegoś ciała? Ale w jaki sposób są one podłączone do tej samej sześciofazowej linii prądu przemiennego?) Oczywiście w przestrzeni czterowymiarowej, w której moglibyśmy mieć taki system i wciąż przekładając wszystkie trzy kierunki obrotu na jakiś inny ładunek poza naszym sferycznym układem stojana / wirnika, ten układ może być bardzo użyteczny.

Tymczasem w przestrzeni 3 + 1 pracuję w świecie elektroniki przemysłowej i widziałem systemy, które wykorzystują transformatory z przesunięciem fazowym, o których wspominały inne odpowiedzi. W ramach nomenklatury nikt, z kim rozmawiałem, nie opisałby zastosowania transformatora z przesunięciem fazowym do wygenerowania trzech dodatkowych faz prądu przemiennego w celu stworzenia „sześciofazowego”. (Według mojej matematyki miałbyś piętnaście faz, ale wciąż nie jest to używany język.) Gdy prowadzisz trójfazowy przez prostownik do czapki, otrzymujesz sześć impulsów prądu na cykl. W przypadku tego rodzaju układu otrzymujesz dwanaście impulsów, więc ten rodzaj systemu można nazwać dwunastoma pulsami.

(Ogólnie rzecz biorąc, dwunastopulsowy prostownik to dwa prostowniki sześciopulsowe. Jeśli masz dwa napędy silnikowe, możesz podłączyć ich szyny DC bezpośrednio razem i zasilać każdy innym zestawem trójfazowym. Lub możesz uzyskać autonomiczny prostownik dla jednego zestawu i doprowadzenie jego wejścia prądu stałego do pozostałego napędu.)

Jeśli porównujesz prostownik sześciopulsowy z prostownikiem dwunastopulsowym o identycznych obciążeniach, każdy impuls prądu musi być mniejszy, aby zrekompensować, że więcej z nich napędza to samo obciążenie. To sprawia, że ​​całkowity prąd poza linią wygląda trochę bardziej jak fala sinusoidalna, co oznacza, że ​​harmoniczne są zmniejszone. Fala czapek jest również niższa, ale nigdy nie spotkałem nikogo, kto by się tym bardzo przejmował.

Większe ulepszenia harmonicznych można uzyskać dzięki systemowi 18 impulsów i trzem prostownikom. (36-fazowy!) Przy wyższych napięciach i mocach może istnieć jeszcze większa liczba równoległych prostowników. Ten dokument na linii średniego napięcia VFD odnosi się do 54-pulsowego prostownika o napięciu 11 kV!

TL; DR

Moc trójfazowa daje nam jeden stopień swobody obrotu, który jest granicą tego, co jest przydatne w przestrzeni trójwymiarowej.

Kolejny prosty powód: dodatkowe fazy byłyby „dwa podobne” do istniejących. Mówiąc inaczej: Każda dodatkowa faza byłaby po prostu liniową kombinacją napięć między istniejącymi trzema drutami - przestrzeń wektorowa łączona przez sinus i cosinus jest tylko dwuwymiarowa.

Innym aspektem problemu jest kwestia geometrii przewodów dla linii przesyłowych o wysokim napięciu. Dzięki trzem liniom problemy indukcyjności i indukowanych prądów przesłuchowych są zminimalizowane i łatwiej filtrowane, niż gdyby istniała dodatkowa wielokrotność przewodników. Koszty rosną szybciej niż korzyści dzięki większej liczbie przewodów.

Lionel Barthold, założyciel Power Technologies, Inc., dobrze to wyjaśnił:

„ Dlaczego zasilanie 3-fazowe? Dlaczego nie 6 lub 12? ”

Mówi, że chociaż zaprojektował układy wyższych faz, nie są one praktyczne ze względu na, jak mówisz, malejące zwroty, szczególnie w odniesieniu do wszystkich potrzebnych transformatorów w podstacjach. Kiedy podwoisz liczbę faz, musisz także podwoić ilość sprzętu na podstacjach.