Faserotatie in Drie-Fase Alternatoren: Mechanica, Detectie en Draadomkeering

Drie-Fase Alternator

Laten we het drie-fase alternatorontwerp dat we eerder bespraken herbezoeken en de effecten van magnetrotatie op de gegenereerde spanningen observeren.

Drie-fase alternator

De 120° faseverschuiving is een direct resultaat van de daadwerkelijke hoekverplaatsing van de drie wikkelparen. Als de magneet met de klok mee draait, bereikt wikkeling 3 zijn spanningstop 120° van asrotatie na wikkeling 2, die zelf 120° na wikkeling 1 piekt. De magneet passeert elk poolpaar op distincte ashoeken.

De plaatsing van de wikkelingen bepaalt de faseverschuiving tussen de AC-golfvormen van elke wikkeling. Wikkeling 1 als referentie (0°) gebruikt, is wikkeling 2 –120° (of +240°) en wikkeling 3 –240° (of +120°).

Fasevolgorde

Met de klok mee asrotatie produceert een herhaalbare volgorde: 1 → 2 → 3. De volgorde persisteert zolang de alternator door draait.

Met de klok mee rotatie fasevolgorde: 1‑2‑3.

Het omkeren van de asrichting (tegen de klok in) wisselt de volgorde naar 3 → 2 → 1. In dit geval leidt wikkeling 2 wikkeling 1 met 120°, en wikkeling 3 leidt wikkeling 2 met nog eens 120°.

Tegen de klok in rotatie fasevolgorde: 3‑2‑1.

De rangschikking van spanninggolfvormen in een polyfase systeem heet faserotatie of fasevolgorde. Voor puur resistieve lasten maakt de volgorde geen verschil—magnitudes blijven identiek ongeacht 1‑2‑3 of 3‑2‑1. Echter, bepaalde drie-fase toepassingen, met name die met ongebalanceerde reactieve lasten, zijn gevoelig voor de richting van faserotatie.

Fasevolgorde Detectoren

Standaard voltmeters en amperemeters kunnen de volgorde van een levend energienet niet onthullen. In plaats daarvan gebruikt een eenvoudige detectorcircuit een condensator om een faseverschuiving tussen spanning en stroom te introduceren, wat zich manifesteert als een verschil in helderheid van twee indicatorlampen.

Fasevolgorde detector vergelijkt helderheid van twee lampen.

Beide lampen hebben identieke filamentweerstand en wattage. De condensator is gedimensioneerd om een reactantie ongeveer gelijk aan elke lampenweerstand bij de systeemfrequentie te bieden. Het vervangen van de condensator door een weerstand van gelijke waarde zou het circuit balanceren, wat gelijke lampenhelderheid oplevert. De condensator introduceert echter een 90° faseverschuiving in de derde tak, wat de spanning en stroom die door de lampen gezien worden, scheef maakt op basis van hun relatieve faseoffsets.

SPICE Analyse voor Fasevolgorde Detectoren

De volgende SPICE-simulatie, gelabeld fase rotatie detector – volgorde = v1‑v2‑v3, illustreert het effect van een 90° faseverschuiving.

SPICE circuit voor fasevolgorde detector.

fase rotatie detector -- volgorde = v1-v2-v3
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 4.810E+01 1.795E+02 1.610E+02

De condensatorfaserotatie verlaagt de spanning over de eerste lamp naar 48,1 V terwijl de tweede lampenspanning stijgt naar 179,5 V, wat de eerste lamp dooft en de tweede laat branden. Het omkeren van de fasevolgorde (d.w.z. fase rotatie detector – volgorde = v3‑v2‑v1) keert het resultaat om: de eerste lamp wordt helder en de tweede dooft.

fase rotatie detector -- volgorde = v3-v2-v1
v1 1 0 ac 120 240 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 0 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.795E+02 4.810E+01 1.610E+02

Dus wordt faserotatie bepaald door de volgorde waarin de rotterende magneet van de alternator poolparen passeert, en het omkeren van de asrichting verandert die volgorde. In de praktijk kunnen eindgebruikers de rotatie van de gecombineerde alternatoren van het nationale net niet omkeren, maar ze kunnen hetzelfde effect bereiken door willekeurige twee van de drie hitte draden die aan een drie-fase last worden geleverd, om te wisselen.

Hitte Draden Wisselen

Het wisselen van twee hitte draden is een eenvoudige methode om fasevolgorde om te keren. Overweeg een lopende 1‑2‑3 rotatie: 1‑2‑3‑1‑2‑3‑… Het omkeren van de volgorde naar 3‑2‑1 is equivalent aan het wisselen van welke twee draden dan ook. Het resultaat is altijd een omgekeerde volgorde (bijv. 2‑1‑3, 1‑3‑2, of 3‑2‑1).

Alle mogelijkheden van het wisselen van willekeurige twee draden.

Samenvatting

• Faserotatie (of fasevolgorde) verwijst naar de volgorde waarin de spanninggolfvormen van een polyfase AC-bron hun pieken bereiken. Voor een drie-fase systeem bestaan er slechts twee volgordes: 1‑2‑3 en 3‑2‑1, corresponderend met de twee mogelijke richtingen van alternatorrotatie.
• Faserotatie heeft geen impact op puur resistieve lasten, maar beïnvloedt ongebalanceerde reactieve lasten, gedemonstreerd door de fasevolgorde detectorcircuit.
• Het omkeren van fasevolgorde kan bereikt worden door het wisselen van willekeurige twee van de drie hitte aansluitingen die een drie-fase last voeden.

Gerelateerde Werkbladen

• Polyphase Energiesystemen Werkblad