Drie-Fase Y en Delta Configuraties: Ontwerp, Analyse en Betrouwbaarheid

Drie-Fase Wye (Y) Verbinding

Drie-fase energiesystemen kunnen gebouwd worden door drie spanningbronnen aan een gemeenschappelijk punt te verbinden—de klassieke Y (of ster) configuratie.

Deze rangschikking plaatst één einde van elke bron op een gedeeld knooppunt, terwijl de andere uiteinden naar de last radiëren. (Figuur hieronder)

Drie-fase Y verbinding: drie spanningbronnen die een gemeenschappelijk punt delen.

Het visualiseren van elke spanningbron als een spoel (alternator of transformatorwikkeling) maakt de Y-indeling onmiskenbaar (zie figuur).

Vier-draad Y verbinding: een nul (gemeenschappelijke) vierde geleider verbindt de drie wikkelingen.

De geleiders die stroom van de wikkelingen naar de last dragen, heten lijnen, terwijl de wikkelingen zelf de fasen zijn.

Een nuldraad kan al dan niet aanwezig zijn bij het knooppunt. Wanneer inbegrepen (figuur hieronder), biedt het een pad dat beschermt tegen open-circuit fouten in één fase.

Drie-draad Y verbinding: geen nuldraad wordt gebruikt.

Spanning en Stroom Waarden in Drie-Fase Systemen

Bij meten in een drie-fase systeem is het cruciaal het referentiepunt te specificeren.

• Lijnspanning – de spanning tussen willekeurige twee lijngleiders. In het bovenstaande circuit is de lijnspanning ongeveer 208 V.
• Fasespanning – de spanning over een enkel component (bronwikkeling of last). Voor hetzelfde circuit is de fasenspanning 120 V.
• Lijnstroom – stroom die door willekeurige één lijngleider vloeit.
• Fasestroom – stroom door een enkel component.

In een gebalanceerde Y-configuratie is de lijnspanning gelijk aan de fasenspanning vermenigvuldigd met √3, terwijl de lijnstroom gelijk is aan de fasestroom:

Drie-Fase Delta (Δ) Configuratie

De Delta-indeling, genoemd naar zijn driehoekige geometrie, verbindt de drie spanningbronnen einde-aan-einde zonder een gemeenschappelijke nul. (Figuur hieronder)

Drie-fase Δ verbinding: geen gemeenschappelijke nul.

Op het eerste gezicht kan het verbinden van drie bronnen in een lus als een kortsluiting lijken, maar fasehoeken voorkomen elke circulerende stroom.

Kirchhoff's Spanningswet in Delta Verbindingen

Een snelle KVL-check bevestigt dat de drie vector spanningen sommeren tot nul, wat betekent dat er geen net aandrijvende kracht rond de lus bestaat.

Bijvoorbeeld, startend bij de bovenste wikkeling en tegen de klok in bewegend:

Alternatief, de lus breken op één knooppunt en de spanning over de breuk verifiëren is nul:

Spanning over een open Δ is nul – geen circulerende stroom.

Wanneer de Δ-verbonden bron compleet is, is de lijnspanning gelijk aan de fasenspanning, terwijl de lijnstroom de vector som van twee fasestromen wordt. Gevolgelijk:

Delta Verbinding Voorbeeld Circuitanalyse

Overweeg de volgende Δ-belaste bron (figuur hieronder). Elke lastweerstand ontvangt 120 V van zijn respectieve bronwikkeling, wat een fasestroom van 83,33 A oplevert.

De last op de Δ bron is bedraad in een Δ.

Dus is elke lijnstroom gelijk aan 144,34 A, opvallend hoger dan in het Y-verbonden geval, maar nog steeds efficiënt voor het leveren van dezelfde 30 kW bij 120 V geleider-tot-geleider.

Voordelen van het Drie-Fase Delta Systeem

• Delta-systemen elimineren de behoefte aan een nuldraad, wat de kabelbundel vereenvoudigt en materiaalkosten reduceert.
• Ze bieden superieure fouttolerantie: als één wikkeling open faalt, behouden de overige wikkelingen lijn- en lastspanningen, met slechts een lichte toename in fasestromen.
• Delta's hogere lijnstromen vereisen dikker geleiders, maar het totale kopergewicht blijft lager dan een vergelijkbaar enkelvoudig-fase systeem.
• Y-systemen worden bevorzugd wanneer dubbele spanningen (bijv. 120/208 V) of lagere lijnstromen vereist zijn.

In het geval van een bronwikkelingfout, handhaaft de Δ-configuratie de volledige lastspanning. Voor Y-verbonden bronnen kan de fout de spanning op twee lasten halveren en de derde volledig verwijderen.

Δ bron: open wikkeling laat lijnspanning op 120 V en fasenspanning ongewijzigd.

Y bron: open wikkeling halveert spanning op twee lasten en verwijdert vermogen van de derde.

Samenvatting

• Lijnen zijn de geleiders die de drie punten van een bron of last verbinden.
• Fasen zijn de individuele componenten (wikkelingen of impedanties) die het systeem vormen.
• Lijnspanning = spanning tussen willekeurige twee lijnen.
• Fasespanning = spanning over een enkel component.
• Lijnstroom = stroom door een lijn; fasestroom = stroom door een component.
• Gebalanceerd Y: lijnspanning = √3 × fasenspanning; lijnstroom = fasestroom.
• Gebalanceerd Δ: lijnspanning = fasenspanning; lijnstroom = √3 × fasestroom.
• Δ bronnen bieden grotere betrouwbaarheid bij wikkelingfout, maar Y bronnen verlagen lijnstroom voor hetzelfde vermogensuitgang.

Gerelateerde Werkbladen

• Delta en Wye 3-Fase Circuits Werkblad