Driefasige voedingssystemen

Wat zijn gesplitste-fase voedingssystemen?

Split-fase stroomsystemen bereiken hun hoge geleiderefficiëntie en laag veiligheidsrisico door de totale spanning op te splitsen in kleinere delen en meerdere belastingen van stroom te voorzien bij die lagere spanningen, terwijl stroom wordt getrokken op niveaus die typisch zijn voor een systeem met volledige spanning.

Deze techniek werkt trouwens net zo goed voor gelijkstroomsystemen als voor enkelfasige wisselstroomsystemen. Dergelijke systemen worden gewoonlijk driedraads genoemd systemen in plaats van split-phase omdat "fase" een concept is dat beperkt is tot AC.

Maar uit onze ervaring met vectoren en complexe getallen weten we dat wisselspanningen niet altijd optellen zoals we denken dat ze zouden doen als ze uit fase zijn met elkaar.

Dit principe, toegepast op voedingssystemen, kan worden gebruikt om voedingssystemen te maken met een nog groter geleiderrendement en een lager schokgevaar dan bij gesplitste fase.

Voorbeelden

Twee 120 ° uit fase spanningsbronnen

Stel dat we twee wisselspanningsbronnen in serie hadden geschakeld, net als het gesplitste fasesysteem dat we eerder zagen, behalve dat elke spanningsbron 120 ° uit fase was met de andere:(figuur hieronder)

Paar 120 Vac-bronnen gefaseerd 120°, vergelijkbaar met split-phase.

Aangezien elke spanningsbron 120 volt is en elke belastingsweerstand direct parallel is geschakeld met zijn respectieve bron, moet de spanning over elke belasting moeten ook 120 volt zijn. Bij belastingsstromen van 83,33 ampère moet elke belasting nog steeds 10 kilowatt vermogen dissiperen.

De spanning tussen de twee "hete" draden is echter geen 240 volt (120 0° - 120 ∠ 180°) omdat het faseverschil tussen de twee bronnen niet 180° is. In plaats daarvan is de spanning:

Nominaal zeggen we dat de spanning tussen "hete" geleiders 208 volt is (afgerond naar boven), en dus wordt de spanning van het voedingssysteem aangeduid als 120/208.

Als we de stroom door de "neutrale" geleider berekenen, vinden we dat deze niet . is nul, zelfs met gebalanceerde belastingsweerstanden. De huidige wet van Kirchhoff vertelt ons dat de stromen die het knooppunt tussen de twee belastingen binnenkomen en verlaten, nul moeten zijn:(figuur hieronder)

Neutrale draad voert een stroom in het geval van een paar 120 ° gefaseerde bronnen.

Bevindingen en conclusies

We zien dus dat de "neutrale" draad een volledige 83,33 ampère draagt, net als elke "hete" draad.

Merk op dat we nog steeds 20 kW aan totaal vermogen naar de twee belastingen transporteren, waarbij de "hete" draad van elke belasting 83,33 ampère draagt ​​zoals voorheen.

Met dezelfde hoeveelheid stroom door elke "hete" draad, moeten we koperen geleiders van dezelfde dikte gebruiken, dus we hebben de systeemkosten niet verlaagd ten opzichte van het gesplitste 120/240-systeem.

We hebben echter een veiligheidswinst geboekt, omdat de totale spanning tussen de twee "hete" geleiders 32 volt lager is dan in het split-phase systeem (208 volt in plaats van 240 volt).

Drie 120 ° uit fase spanningsbronnen

Het feit dat de neutrale draad 83,33 ampère stroom draagt, roept een interessante mogelijkheid op:aangezien hij toch stroom voert, waarom zou u die derde draad niet gebruiken als een andere "hete" geleider, die een andere belastingsweerstand van stroom voorziet met een derde 120 volt-bron met een fasehoek van 240°?

Op die manier kunnen we meer verzenden vermogen (nog eens 10 kW) zonder extra geleiders toe te voegen. Laten we eens kijken hoe dit eruit zou kunnen zien:(figuur hieronder)

Met een derde belasting gefaseerd 120° naar de andere twee, zijn de stromen hetzelfde als voor twee belastingen.

SPICE-berekeningen voor driefasig systeem

Een volledige wiskundige analyse van alle spanningen en stromen in dit circuit zou het gebruik van een netwerkstelling vereisen, waarvan de eenvoudigste de superpositiestelling is.

Ik zal je de lange, uitgesponnen berekeningen besparen, want je zou intuïtief moeten kunnen begrijpen dat de drie spanningsbronnen met drie verschillende fasehoeken elk 120 volt zullen leveren aan een gebalanceerde triade van belastingsweerstanden.

Om dit te bewijzen, kunnen we SPICE gebruiken om de wiskunde voor ons te doen:(Figuur hieronder, SPICE-lijst:120/208 meerfasig stroomsysteem)

SPICE-circuit:drie 3-Φ belastingen gefaseerd op 120°.

120/208 meerfase voedingssysteem v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2 ) i(v3) .end 

SPANNING OVER ELKE BELASTING freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 SPANNING TUSSEN “HEET” GELEIDERS freq v (1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 STROOM VIA ELKE SPANNINGSBRON freq i(v1) i(v2) i(v3 ) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

En ja hoor, we krijgen 120 volt over elke belastingsweerstand, met (ongeveer) 208 volt tussen twee "hete" geleiders en geleiderstromen gelijk aan 83,33 ampère. (Figuur hieronder)

Bij die stroom en spanning zal elke belasting 10 kW aan vermogen dissiperen.

Merk op dat dit circuit geen "neutrale" geleider heeft om een ​​stabiele spanning voor alle belastingen te garanderen als er een zou openen.

Wat we hier hebben, is een situatie die vergelijkbaar is met ons stroomcircuit met gesplitste fase zonder "neutrale" geleider:als één belasting zou openvallen, verandert de spanningsdaling over de resterende belasting(en).

Om de stabiliteit van de laadspanning te garanderen in het geval van een nieuwe laadopening, hebben we een neutrale draad nodig om het bronknooppunt en het laadknooppunt met elkaar te verbinden:

SPICE-circuit geannoteerd met simulatieresultaten:drie 3-Φ belastingen gefaseerd op 120°.

Zolang de belastingen in evenwicht blijven (gelijke weerstand, gelijke stromen), hoeft de nulleider helemaal geen stroom te voeren. Het is er voor het geval een of meer belastingsweerstanden open zouden gaan (of worden uitgeschakeld via een scheidingsschakelaar).

Polyfasecircuit

Dit circuit dat we hebben geanalyseerd met drie spanningsbronnen wordt een polyphase . genoemd stroomkring. Het voorvoegsel "poly" betekent gewoon "meer dan één", zoals in "poly theïsme” (geloof in meer dan één godheid), “poly gon” (een geometrische vorm gemaakt van meerdere lijnsegmenten:bijvoorbeeld vijfhoek en zeshoek ), en "poly atoom” (een stof die is samengesteld uit meerdere soorten atomen).

Aangezien de spanningsbronnen allemaal verschillende fasehoeken hebben (in dit geval drie verschillende fasehoeken), is dit een "poly fase” circuit.

Meer specifiek is het een driefasenschakeling , het soort dat voornamelijk wordt gebruikt in grote stroomdistributiesystemen.

Driefasensysteem versus eenfasensysteem

Eenfasig systeem

Laten we eens kijken naar de voordelen van een driefasig voedingssysteem ten opzichte van een enkelfasig systeem met een gelijkwaardige belastingsspanning en vermogenscapaciteit. Een enkelfasig systeem met drie direct parallel geschakelde belastingen zou een zeer hoge totale stroomsterkte hebben (83,33 keer 3 of 250 amp. (figuur hieronder)

Ter vergelijking:drie belastingen van 10 kW op een 120 Vac-systeem verbruiken 250 A.

Dit zou 3/0 gage koperdraad nodig hebben (zeer groot!), van ongeveer 510 pond per duizend voet, en met een aanzienlijk prijskaartje eraan. Als de afstand van bron tot belasting 1000 voet was, zouden we meer dan een halve ton koperdraad nodig hebben om de klus te klaren.

Split-fase systeem

Aan de andere kant zouden we een split-phase systeem kunnen bouwen met twee 15 kW, 120 volt belastingen. (Figuur hieronder)

Split-fasesysteem verbruikt de helft van de stroom van 125 A bij 240 Vac vergeleken met 120 Vac-systeem.

Onze stroom is de helft van wat het was met het eenvoudige parallelle circuit, wat een grote verbetering is.

We zouden kunnen wegkomen door koperdraad van nummer 2 te gebruiken met een totale massa van ongeveer 600 pond, ongeveer 200 pond per duizend voet met drie runs van elk 1000 voet tussen bron en belastingen. We moeten echter ook rekening houden met het verhoogde veiligheidsrisico van 240 volt in het systeem, ook al ontvangt elke belasting slechts 120 volt.

Over het algemeen is er een grotere kans op een gevaarlijke elektrische schok.

Driefasensysteem

Wanneer we deze twee voorbeelden vergelijken met ons driefasensysteem (Figuur hierboven), zijn de voordelen vrij duidelijk.

Ten eerste zijn de geleiderstromen een stuk minder (83,33 ampère versus 125 of 250 ampère), waardoor het gebruik van veel dunnere en lichtere draad mogelijk is. We kunnen draad met een dikte van nummer 4 gebruiken van ongeveer 125 pond per duizend voet, wat in totaal 500 pond (vier runs van elk 1000 voet) zal zijn voor ons voorbeeldcircuit.

Dit betekent een aanzienlijke kostenbesparing ten opzichte van het split-phase systeem, met als bijkomend voordeel dat de maximale spanning in het systeem lager is (208 versus 240).

Eén vraag moet nog worden beantwoord:hoe komen we in hemelsnaam aan drie wisselspanningsbronnen waarvan de fasehoeken precies 120° uit elkaar liggen?

Het is duidelijk dat we een transformator of dynamowikkeling niet kunnen centreren zoals we deden in het split-phase systeem, omdat dat ons alleen spanningsgolfvormen kan geven die in fase of 180° uit fase zijn.

Misschien kunnen we een manier bedenken om condensatoren en inductoren te gebruiken om faseverschuivingen van 120 ° te creëren, maar dan zouden die faseverschuivingen ook afhangen van de fasehoeken van onze belastingsimpedanties (het vervangen van een capacitieve of inductieve belasting door een resistieve belasting zou veranderen alles!).

De beste manier om de faseverschuivingen te krijgen waarnaar we op zoek zijn, is door deze bij de bron te genereren:bouw de wisselstroomgenerator (alternator) die de stroom levert op een zodanige manier dat het roterende magnetische veld drie sets draadwikkelingen passeert, elke set op een onderlinge afstand van 120° rond de omtrek van de machine, zoals in onderstaande afbeelding.

(a) Enkelfasige dynamo, (b) Driefasige dynamo.

Samen zijn de zes "pool" wikkelingen van een driefasige dynamo verbonden om drie wikkelparen te vormen, waarbij elk paar wisselspanning produceert met een fasehoek van 120° verschoven ten opzichte van een van de andere twee wikkelparen.

De onderlinge verbindingen tussen wikkelingenparen (zoals weergegeven voor de enkelfasige dynamo:de doorverbindingsdraad tussen wikkelingen 1a en 1b) zijn voor de eenvoud weggelaten in de tekening van de driefasige dynamo.

In ons voorbeeldcircuit hebben we de drie spanningsbronnen getoond die met elkaar zijn verbonden in een "Y" -configuratie (soms de "ster" -configuratie genoemd), met één kabel van elke bron verbonden met een gemeenschappelijk punt (het knooppunt waar we de "neutrale" dirigent).

De gebruikelijke manier om dit verbindingsschema weer te geven, is door de windingen in de vorm van een "Y" te tekenen, zoals in onderstaande afbeelding.

Alternator “Y” configuratie.

De "Y" -configuratie is niet de enige optie die voor ons openstaat, maar is in eerste instantie waarschijnlijk het gemakkelijkst te begrijpen. Meer hierover later in het hoofdstuk.

BEOORDELING:

• Een eenfasige voedingssysteem is er een met slechts één wisselspanningsbron (één bronspanningsgolfvorm).
• Een split-fase voedingssysteem is er een met twee spanningsbronnen, 180° in fase verschoven van elkaar, die twee in serie geschakelde belastingen van stroom voorzien. Het voordeel hiervan is de mogelijkheid om lagere geleiderstromen te hebben terwijl de belastingsspanningen om veiligheidsredenen laag blijven.
• Een meerfase voedingssysteem gebruikt meerdere spanningsbronnen met verschillende fasehoeken van elkaar (veel "fasen" van spanningsgolfvormen op het werk). Een meerfasig voedingssysteem kan meer vermogen leveren bij minder spanning met geleiders met een kleinere kaliber dan enkelfasige of gesplitste systemen.
• De in fase verschoven spanningsbronnen die nodig zijn voor een meerfasig voedingssysteem worden gecreëerd in dynamo's met meerdere sets draadwikkelingen. Deze wikkelsets bevinden zich rond de omtrek van de rotatie van de rotor onder de gewenste hoek(en).

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Polyphase Power Systems