Eenfasige voedingssystemen

Schakelschema van eenfasig stroomsysteem laat weinig zien over de bedrading van een praktisch stroomcircuit.

Hierboven afgebeeld, is een heel eenvoudig wisselstroomcircuit. Als de vermogensdissipatie van de belastingsweerstand aanzienlijk was, zouden we dit een "stroomcircuit" of "stroomsysteem" kunnen noemen in plaats van het als een gewoon circuit te beschouwen.

Het onderscheid tussen een "stroomcircuit" en een "regulier circuit" lijkt misschien willekeurig, maar de praktische zorgen zijn dat zeker niet.

Praktische circuitanalyse

Een van die zorgen is de omvang en kosten van de bedrading die nodig is om stroom van de wisselstroombron naar de belasting te leveren. Normaal gesproken besteden we niet veel aandacht aan dit soort zorgen als we alleen een circuit analyseren om meer te weten te komen over de wetten van elektriciteit.

In de echte wereld kan het echter een grote zorg zijn. Als we de bron in het bovenstaande circuit een spanningswaarde geven en ook vermogensdissipatiewaarden geven aan de twee belastingsweerstanden, kunnen we de bedradingsbehoeften voor dit specifieke circuit bepalen:

In de praktijk is de bedrading voor de 20 kW-belastingen bij 120 Vac vrij fors (167 A).

83,33 ampère voor elke belastingsweerstand in de bovenstaande afbeelding komt neer op 166,66 ampère totale circuitstroom. Dit is geen geringe hoeveelheid stroom en er zouden koperdraadgeleiders van minimaal 1/0 gauge nodig zijn.

Een dergelijke draad heeft een diameter van meer dan 1/4 inch (6 mm) en weegt meer dan 300 pond per duizend voet. Houd er rekening mee dat koper ook niet goedkoop is! Het zou in ons eigen belang zijn om manieren te vinden om dergelijke kosten te minimaliseren als we een voedingssysteem met lange geleiderlengtes zouden ontwerpen.

Een manier om dit te doen is door de spanning van de stroombron te verhogen en belastingen te gebruiken die zijn gebouwd om elk 10 kW af te voeren bij deze hogere spanning.

De belastingen zouden natuurlijk grotere weerstandswaarden moeten hebben om hetzelfde vermogen als voorheen (10 kW elk) te dissiperen bij een hogere spanning dan voorheen.

Het voordeel zou zijn dat er minder stroom nodig is, waardoor kleinere, lichtere en goedkopere draden kunnen worden gebruikt:

Dezelfde belasting van 10 kW bij 240 Vac vereist minder substantiële bedrading dan bij 120 Vac (83 A).

Nu ons totaal circuitstroom is 83,33 ampère, de helft van wat het voorheen was.

We kunnen nu draad van nummer 4 gebruiken, die minder dan de helft weegt van wat 1/0 draad per lengte-eenheid doet. Dit is een aanzienlijke verlaging van de systeemkosten zonder prestatieverlies.

Dit is de reden waarom ontwerpers van stroomdistributiesystemen ervoor kiezen om elektrische stroom te transporteren met zeer hoge spanningen (vele duizenden volt):om te profiteren van de besparingen die worden gerealiseerd door het gebruik van kleinere, lichtere en goedkopere draden.

Gevaren van verhoging van de bronspanning

Deze oplossing is echter niet zonder nadelen. Een ander praktisch probleem met stroomcircuits is het gevaar van elektrische schokken door hoge spanningen.

Nogmaals, dit is meestal niet het soort dingen waar we ons op concentreren als we over de wetten van elektriciteit leren, maar het is een zeer terechte zorg in de echte wereld, vooral wanneer er met grote hoeveelheden stroom wordt omgegaan.

De efficiëntiewinst die wordt gerealiseerd door de circuitspanning te verhogen, stelt ons een verhoogd risico op elektrische schokken voor. Energiedistributiebedrijven pakken dit probleem aan door hun elektriciteitskabels langs hoge palen of torens te rijgen en de leidingen van de ondersteunende structuren te isoleren met grote, porseleinen isolatoren.

Op het punt van gebruik (de elektriciteitsklant) is er nog steeds de kwestie welke spanning moet worden gebruikt voor het voeden van belastingen.

Hoge spanning zorgt voor een grotere systeemefficiëntie door middel van verminderde geleiderstroom, maar het is misschien niet altijd praktisch om de stroombedrading buiten bereik te houden op het punt van gebruik, zoals deze buiten bereik kan worden geplaatst in distributiesystemen.

Deze afweging tussen efficiëntie en gevaar is er een die Europese ontwerpers van energiesystemen hebben besloten te riskeren, aangezien al hun huishoudens en apparaten werken op een nominale spanning van 240 volt in plaats van 120 volt zoals in Noord-Amerika.

Dat is de reden waarom toeristen uit Amerika die Europa bezoeken, kleine step-down transformatoren voor hun draagbare apparaten bij zich moeten hebben, om de 240 VAC (volt AC) stroom terug te brengen naar een meer geschikte 120 VAC.

Oplossingen voor spanningslevering aan consumenten

Step-down transformatoren op eindpunt van stroomverbruik

Is er een manier om tegelijkertijd de voordelen van zowel verhoogde efficiëntie als verminderd veiligheidsrisico te realiseren?

Een oplossing zou zijn om step-down transformatoren te installeren op het eindpunt van het stroomverbruik, net zoals de Amerikaanse toerist moet doen in Europa.

Dit zou echter duur en onhandig zijn voor alles behalve zeer kleine belastingen (waar de transformatoren goedkoop kunnen worden gebouwd) of zeer grote belastingen (waar de kosten van dikke koperdraden hoger zouden zijn dan de kosten van een transformator).

Twee lagere spanningsbelastingen in serie

Een alternatieve oplossing zou zijn om een ​​voeding met een hogere spanning te gebruiken om stroom te leveren aan twee belastingen met een lagere spanning in serie. Deze aanpak combineert de efficiëntie van een hoogspanningssysteem met de veiligheid van een laagspanningssysteem:

Serie aangesloten 120 Vac-belastingen, aangedreven door 240 Vac-bron bij 83,3 A totale stroom.

Let op de polariteitsmarkeringen (+ en -) voor elke getoonde spanning, evenals de unidirectionele pijlen voor stroom.

Voor het grootste deel heb ik vermeden om "polariteiten" te labelen in de AC-circuits die we hebben geanalyseerd, ook al is de notatie geldig om een ​​referentiekader voor fase te bieden.

In latere paragrafen van dit hoofdstuk zullen faserelaties erg belangrijk worden, dus ik introduceer deze notatie al vroeg in het hoofdstuk voor jullie bekendheid.

De stroom door elke belasting is dezelfde als in het eenvoudige 120-volt circuit, maar de stromen zijn niet additief omdat de belastingen in serie staan ​​in plaats van parallel.

De spanning over elke belasting is slechts 120 volt, niet 240, dus de veiligheidsfactor is beter. Let op, we hebben nog steeds 240 volt over de draden van het stroomsysteem, maar elke belasting werkt op een lagere spanning.

Als iemand een schok krijgt, is de kans groot dat deze in contact komt met de geleiders van een bepaalde belasting in plaats van via de hoofddraden van een voedingssysteem.

Aanpassingen aan het ontwerp van de serie met twee belastingen

Er is slechts één nadeel aan dit ontwerp:de gevolgen van het niet openen van een belasting of het uitschakelen (ervan uitgaande dat elke belasting een serie aan/uit-schakelaar heeft om de stroom te onderbreken) zijn niet goed.

Omdat het een serieschakeling is, zou de stroom, als een van beide belastingen zou openen, ook in de andere belasting stoppen. Om deze reden moeten we het ontwerp een beetje aanpassen:(figuur hieronder)

Toevoeging van een nulleider maakt het mogelijk belastingen individueel aan te sturen.

Split-fase voedingssysteem

In plaats van een enkele 240 volt voeding, gebruiken we twee 120 volt voedingen (in fase met elkaar!) in serie om 240 volt te produceren, en leiden dan een derde draad naar het verbindingspunt tussen de belastingen om de eventualiteit van één belasting aan te kunnen. openen.

Dit wordt een split-fase . genoemd Energie systeem. Drie kleinere draden zijn nog steeds goedkoper dan de twee draden die nodig zijn met het eenvoudige parallelle ontwerp, dus we lopen nog steeds voorop op het gebied van efficiëntie.

De scherpzinnige waarnemer zal opmerken dat de nuldraad alleen het verschil . hoeft te dragen van stroom tussen de twee belastingen terug naar de bron.

In het bovenstaande geval, met perfect "gebalanceerde" belastingen die gelijke hoeveelheden stroom verbruiken, voert de nulleider stroom nul.

Merk op hoe de nuldraad is aangesloten op de aarde aan het uiteinde van de voeding. Dit is een veelvoorkomend kenmerk in voedingssystemen met "neutrale" draden, aangezien het aarden van de neutrale draad op elk moment zorgt voor de laagst mogelijke spanning tussen een "hete" draad en aarde.

Een essentieel onderdeel van een split-phase voedingssysteem is de dubbele AC-spanningsbron. Gelukkig is het ontwerpen en bouwen ervan niet moeilijk.

Aangezien de meeste wisselstroomsystemen hun stroom krijgen hoe dan ook van een step-down transformator (waarbij de spanning wordt verlaagd van hoge distributieniveaus naar een spanning op gebruikersniveau zoals 120 of 240), kan die transformator worden gebouwd met een centrale secundaire wikkeling:

Amerikaanse 120/240 Vac-stroom wordt afgeleid van een centraal getapte nutstransformator.

Als de wisselstroom rechtstreeks van een generator (dynamo) komt, kunnen de spoelen op dezelfde manier in het midden worden getapt voor hetzelfde effect. De extra kosten voor het opnemen van een middenaftakking in een transformator- of dynamowikkeling zijn minimaal.

Hier worden de (+) en (-) polariteitsmarkeringen echt belangrijk. Deze notatie wordt vaak gebruikt om te verwijzen naar de fasen van multiple AC-spanningsbronnen, dus het is duidelijk of ze elkaar helpen (“boost”) of elkaar tegenwerken (“bucking”).

Zonder deze polariteitsmarkeringen kunnen faserelaties tussen meerdere AC-bronnen erg verwarrend zijn. Merk op dat de gesplitste-fasebronnen in het schema (elk 120 volt ∠ 0°), met polariteitsmarkeringen (+) tot (-), net als serie-ondersteunende batterijen, ook als zodanig kunnen worden weergegeven:(Figuur hieronder)

Gesplitste fase 120/240 Vac-bron is gelijk aan twee series die 120 Vac-bronnen ondersteunen.

Om de spanning tussen "hete" draden wiskundig te berekenen, moeten we aftrekken spanningen, omdat hun polariteitstekens aangeven dat ze tegengesteld zijn aan elkaar:

Als we het gemeenschappelijke aansluitpunt van de twee bronnen (de neutrale draad) markeren met hetzelfde polariteitsteken (-), moeten we hun relatieve faseverschuivingen uitdrukken als 180° uit elkaar. Anders zouden we twee spanningsbronnen aanduiden die recht tegenover elkaar staan, wat 0 volt zou opleveren tussen de twee "hete" geleiders.

Waarom neem ik de tijd om uit te wijden over polariteitsmarkeringen en fasehoeken? Het zal in het volgende gedeelte logischer zijn!

Stroomsystemen in Amerikaanse huishoudens en lichte industrie zijn meestal van de split-phase variant en leveren zogenaamd 120/240 VAC-vermogen. De term "gesplitste fase" verwijst alleen naar de gesplitste voedingsspanning in een dergelijk systeem.

In meer algemene zin wordt dit soort wisselstroomvoeding eenfasig genoemd omdat beide spanningsgolfvormen in fase of in stap met elkaar zijn.

De term "eenfase" is een contrapunt van een ander soort energiesysteem genaamd "meerfase", dat we op het punt staan ​​in detail te onderzoeken. Excuses voor de lange inleiding in de aanloop naar het titelonderwerp van dit hoofdstuk.

De voordelen van meerfasige stroomsystemen zijn duidelijker als men eerst een goed begrip heeft van enkelfasige systemen.

BEOORDELING:

• Eenfase voedingssystemen worden gedefinieerd door een wisselstroombron te hebben met slechts één spanningsgolfvorm.
• Een split-fase voedingssysteem is er een met meerdere (in-fase) AC-spanningsbronnen die in serie zijn geschakeld en die stroom leveren aan belastingen met meer dan één spanning, met meer dan twee draden. Ze worden voornamelijk gebruikt om een ​​evenwicht te bereiken tussen systeemefficiëntie (lage geleiderstromen) en veiligheid (lage belastingsspanningen).
• Split-fase wisselstroombronnen kunnen eenvoudig worden gemaakt door in het midden op de spoelwikkelingen van transformatoren of dynamo's te tikken.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Polyphase Power Systems