Drie-Fase Energiesystemen: Fundamenten en Voordelen

Wat is Split-Fase Vermogen?

Split-fase systemen verbeteren geleiderefficiëntie terwijl ze veiligheidsrisico's verminderen door de totale spanning in lagere niveaus te verdelen. Elke last werkt op een verlaagde spanning, maar de stromen blijven typisch voor een vol-spanningsysteem.

Hoewel de term "fase" strikt een AC-concept is, geldt hetzelfde principe voor DC. Deze worden meestal drie-draad systemen genoemd in plaats van split-fase.

Omdat AC-spanningen die uit de fase zijn niet simpelweg optellen, kunnen we dit gedrag benutten om energiesystemen te creëren met nog grotere geleiderefficiëntie en lagere schokgevaren dan split-fase.

Voorbeelden

Twee 120° Uit-van-Fase Spanningbronnen

Overweeg twee AC-spanningbronnen in serie aangesloten als in een split-fase systeem, maar elke bron is 120° uit de fase met de andere:

 

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

 

Elke bron levert 120 V, en elke lastweerstand is direct parallel met zijn respectieve bron. Gevolgelijk is de spanning over elke last 120 V, en met een laststroom van 83,33 A dissipeert elke last 10 kW.

De spanning tussen de twee "hitte" geleiders is niet 240 V (120° – 180°) omdat het faseverschil 120° is. In plaats daarvan is de lijn-naar-lijn spanning:

 

 

Nominaal zeggen we dat de spanning tussen de hitte geleiders 208 V is (afgerond), dus het systeem wordt aangeduid als 120/208.

Het berekenen van de nulstroom onthult dat deze niet nul is zelfs met gebalanceerde lasten. De wet van Kirchhoff voor stromen dicteert dat de stromen die het knooppunt tussen de twee lasten binnenkomen en verlaten, moeten opheffen:

 

 

De nuldraad draagt volle 83,33 A, net als elke hitte geleider.

 

Bevindingen en Conclusies

Hoewel de nul nog steeds dezelfde stroom draagt als de hitte geleiders, blijft het totale geleverde vermogen 20 kW (10 kW per last). Omdat de hitte-naar-hitte spanning slechts 208 V is—32 V lager dan de split-fase 240 V—wordt veiligheid verbeterd zonder geleiderkosten te veranderen, aangezien dezelfde koper gauge vereist is.

Drie 120° Uit-van-Fase Spanningbronnen

De nulstroom suggereert dat we deze als een additionele hitte geleider kunnen gebruiken. Het toevoegen van een derde 120 V bron 240° uit de fase stelt een vierde last in staat om dezelfde drie geleiders te delen:

 

Met een derde last gefaseerd 120° ten opzichte van de andere twee, blijven de stromen hetzelfde als voor twee lasten.

 

SPICE Berekeningen voor een Drie-Fase Systeem

Terwijl een volledige netwerkanalyse de Superpositie Stelling zou gebruiken, is het intuïtieve resultaat dat drie 120 V bronnen 120° uit elkaar 120 V aan elke gebalanceerde lastweerstand leveren.

SPICE bevestigt dit:

 

SPICE circuit: Drie 3-Φ lasten gefaseerd op 120°.

 

120/208 polyfase energiesysteem
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 LAST
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
SPANNING TUSSEN "HITTE" GELEIDERS
freq v(1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
STROOM DOOR ELKE SPANNINGSBRON
freq i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Resultaten tonen 120 V over elke last, ~208 V tussen willekeurige twee hitte geleiders, en 83,33 A in elke geleider. Elke last dissipeert dus 10 kW.

Het circuit mist een nuldraad voor spanningstabiliteit. Als één last openvalt, zien de overige lasten gewijzigde spanningen. Het toevoegen van een nul zorgt voor stabiele bediening wanneer lasten gebalanceerd zijn, en het draagt geen stroom tenzij een last faalt of wordt ontkoppeld.

 

SPICE circuit geannoteerd met simulatie resultaten: Drie 3-Φ lasten gefaseerd op 120°.

 

Polyfase Circuit

Wat we onderzocht hebben—drie spanningbronnen met distincte fasehoeken—heeft een polyfase circuit. Het voorvoegsel "poly" betekent "meer dan één", als in "polytheïsme" of "polygoon". In energiesystemen duidt het op meerdere fase-verschuivende spanningsgolfvormen.

Specifiek is een drie-fase circuit de meest voorkomende vorm van polyfase systeem, wat grootschalige distributienetwerken aandrijft.

Drie-Fase Systeem vs. Enkelvoudig-Fase Systeem

Enkelvoudig-Fase Systeem

Drie identieke lasten op een enkelvoudig-fase 120 V systeem trekken een totaal van 250 A (83,33 A × 3). Om deze stroom aan te kunnen, zou 3/0 AWG koper (≈510 lb/1.000 ft) vereist zijn. Over 1.000 ft zou meer dan half een ton koper nodig zijn.

 

Ter vergelijking, drie 10 kW lasten op een 120 Vac systeem trekken 250 A.

 

Split-Fase Systeem

Een split-fase systeem kan de stroom halveren. Twee 15 kW, 120 V lasten trekken 125 A bij 240 V lijnt spanning, wat gebruik van 2 AWG koper (≈200 lb/1.000 ft) toestaat. Echter, de aanwezigheid van 240 V introduceert een hoger schokrisico.

 

Split-fase systeem trekt half de stroom van 125 A bij 240 Vac vergeleken met 120 Vac systeem.

 

Drie-Fase Systeem

Vergeleken met de vorige twee, gebruikt een gebalanceerd drie-fase systeem slechts 83,33 A per geleider. 4 AWG koper (≈125 lb/1.000 ft) volstaat, wat materiaalkosten verlaagt terwijl de maximum spanning op 208 V blijft—lager dan de 240 V in split-fase.

De hoofdvraag is hoe drie AC-spanningbronnen 120° uit elkaar te genereren. In tegenstelling tot split-fase, wat een midden-tap gebruikt, plaatst een drie-fase alternator drie wikkelingssets 120° rond de rotor, wat de vereiste fasverschuiwing direct aan de bron produceert.

In de onderstaande figuur vormen de zes poolwikkelingen drie paren; elk paar levert een 120 V AC-golfvorm 120° uit de fase met de anderen. De wikkelingen zijn typisch bedraad in een "Y" (ster) configuratie, verbindend één einde van elke wikkeling met een gemeenschappelijk nulknooppunt.

 

(a) Enkelvoudig-fase alternator, (b) Drie-fase alternator.

 

Alternator Y configuratie.

 

Samenvatting

• Een enkelvoudig-fase systeem heeft één AC-spanningsbron.
• Een split-fase systeem gebruikt twee 180° uit-van-fase bronnen, wat geleiderstromen reduceert terwijl lastspanningen laag blijven.
• Een polyfase systeem gebruikt meerdere spanningbronnen met verschillende fasehoeken, wat meer vermogen levert bij lagere spanning en met kleinere geleiders.
• Fase-verschuivende spanningbronnen worden gecreëerd in alternatoren met meerdere wikkelingssets verdeeld rond de rotor.

Gerelateerde Werkbladen

• Polyphase Energiesystemen Werkblad