Trefaset elektrisk strøm - Three-phase electric power

Trefaset transformer med firetråds udgang til 208Y/120 volt service: en ledning til neutral, andre til A-, B- og C-faser

Trefaset elektrisk strøm (forkortet 3φ ) er en almindelig type vekselstrøm, der bruges til elproduktion , transmission og distribution . Det er en type polyfasesystem, der anvender tre ledninger (eller fire inklusive en valgfri neutral returledning) og er den mest almindelige metode, der bruges af elektriske net over hele verden til at overføre strøm.

Tre-fase elektrisk strøm blev udviklet i 1880'erne af flere mennesker. Trefaset effekt virker ved, at spændingen og strømmen er 120 grader ude af fase på de tre ledninger. Som et vekselstrømssystem tillader det let at øge spændingerne ved hjælp af transformere til højspænding til transmission og ned igen til distribution, hvilket giver høj effektivitet.

Et tre-leder trefaset kredsløb er normalt mere økonomisk end et ækvivalent to-leder enkeltfaset kredsløb på samme linje til jordspænding, fordi det bruger mindre ledermateriale til at transmittere en given mængde elektrisk strøm. Trefaset effekt bruges hovedsageligt direkte til at drive store motorer og andre tunge belastninger. Små belastninger bruger ofte kun et to-trådet enfaset kredsløb, som kan stamme fra et trefaset system.

Terminologi

De ledere mellem en spændingskilde og en belastning kaldes linier, og spændingen mellem to linier kaldes netspænding . Spændingen målt mellem enhver linje og neutral kaldes fasespænding . For eksempel for en 208/120 volt service er netspændingen 208 volt, og fasespændingen er 120 volt.

Historie

Polyfase elsystemer blev uafhængigt opfundet af Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson og Nikola Tesla i slutningen af ​​1880'erne.

Den første vekselstrømsmotor i den italienske fysiker Galileo Ferraris verden. Dette var en 2-faset motor og kræver 4 ledninger, hvilket er mindre effektivt. 3-fasede motorer og generatorer blev udviklet ved at tilføje ekstra spoler og forbinde nogle af ledningerne

Trefaset strøm udviklede sig ud af elmotorudvikling. Ferraris undersøgte uafhængigt det roterende magnetfelt i 1885. Ferrarier eksperimenterede med forskellige typer asynkrone elektriske motorer. Undersøgelsen og hans undersøgelser resulterede i udviklingen af ​​en generator , som kan tænkes som en vekselstrømsmotor, der fungerer i omvendt retning, for at konvertere mekanisk (roterende) effekt til elektrisk kraft (som vekselstrøm).

Den 11. marts 1888 Ferraris offentliggjorde sin forskning i et papir til Royal Academy of Sciences i Torino (to måneder senere Nikola Tesla vundet US patent 381.968 , indleveret 12. oktober 1887. serienummer 252.132). Disse generatorer drives ved at oprette systemer med vekselstrømme forskudt fra hinanden i fase med bestemte mængder og var afhængige af roterende magnetfelt for deres drift. Den resulterende kilde til polyfasekraft fandt snart udbredt accept. Opfindelsen af flerfasemaskinen generatoren er nøglen i historien for elektrificering, som er den magt transformer . Disse opfindelser gjorde det muligt at overføre strøm via ledninger økonomisk over betydelige afstande. Polyfasekraft muliggjorde brugen af ​​vandkraft (via vandkraftværker i store dæmninger) på fjerntliggende steder, hvorved det faldende vands mekaniske energi kunne omdannes til elektricitet, som derefter kunne føres til en elektrisk motor på ethvert sted, hvor mekanisk arbejde skulle udføres. Denne alsidighed udløste væksten i kraftoverførselsnetværk på kontinenter rundt om i verden.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky udviklede den trefasede elektriske generator og en trefaset elektrisk motor (1888) og studerede stjerne- og deltaforbindelser . Tri-fasesystemets triumf blev vist i Europa på den internationale elektrotekniske udstilling i 1891, hvor Dolivo-Dobrovolsky brugte dette system til at overføre elektrisk strøm i en afstand af 176 km med 75% effektivitet . I 1891 skabte han også en trefaset transformer og kortsluttet ( egernbur ) induktionsmotor . Han designede verdens første trefasede vandkraftværk i 1891.

Princip

Normaliserede bølgeformer af de øjeblikkelige spændinger i et trefasesystem i en cyklus med tiden stigende til højre. Faseordren er 1–2–3. Denne cyklus gentages med frekvens for elsystemet. Ideelt set forskydes hver fases spænding , strøm og effekt fra de andres 120 °.

Tre-faset elektrisk kraftoverførselsledning

Trefaset transformer (Békéscsaba, Ungarn): til venstre er de primære ledninger og til højre er de sekundære ledninger

I et symmetrisk trefaset strømforsyningssystem bærer tre ledere hver en vekselstrøm med samme frekvens og spændingsamplitude i forhold til en fælles reference, men med en faseforskel på en tredjedel af en cyklus (dvs. 120 grader ud af fase) mellem hver. Den fælles reference er normalt forbundet med jord og ofte til en strømførende leder kaldet neutral. På grund af faseforskellen når spændingen på enhver leder sit højdepunkt på en tredjedel af en cyklus efter en af ​​de andre ledere og en tredjedel af en cyklus før den resterende leder. Denne faseforsinkelse giver konstant kraftoverførsel til en afbalanceret lineær belastning. Det gør det også muligt at producere et roterende magnetfelt i en elektrisk motor og generere andre fasearrangementer ved hjælp af transformere (f.eks. Et tofasesystem ved hjælp af en Scott-T-transformer ). Amplituden af ​​spændingsforskellen mellem to faser er (1.732 ...) gange amplituden af ​​spændingen i de enkelte faser. ${\ displaystyle {\ sqrt {3}}}$

De symmetriske trefasesystemer, der er beskrevet her, kaldes simpelthen trefasesystemer, fordi selvom det er muligt at designe og implementere asymmetriske trefasede kraftsystemer (dvs. med ulige spændinger eller faseskift), bruges de ikke i praksis fordi de mangler de vigtigste fordele ved symmetriske systemer.

I et trefasesystem, der fodrer en afbalanceret og lineær belastning, er summen af ​​de øjeblikkelige strømme for de tre ledere nul. Med andre ord er strømmen i hver leder i størrelse lig med summen af ​​strømme i de to andre, men med det modsatte tegn. Returvejen for strømmen i enhver faseleder er de to andre faseledere.

Konstant strømoverførsel og afbrydelse af fasestrømme er mulige med et hvilket som helst antal (større end en) fase, hvilket bevarer kapacitets-leder-materialeforholdet, der er det dobbelte af enfasestrømmen. To faser resulterer imidlertid i en mindre jævn (pulserende) strøm til belastningen (hvilket gør jævn kraftoverførsel til en udfordring), og mere end tre faser komplicerer infrastrukturen unødigt.

Trefasede systemer kan have en fjerde ledning, der er almindelig i lavspændingsfordeling. Dette er den neutrale ledning. Neutralen gør det muligt at levere tre separate enfasede forsyninger ved en konstant spænding og bruges normalt til at levere flere enfasede belastninger. Forbindelserne er arrangeret således, at der så vidt muligt i hver gruppe trækkes lige kraft fra hver fase. Længere oppe i distributionssystemet er strømmen normalt velafbalanceret. Transformatorer kan være forbundet med en firetrådssekundær og en tretråds primær, samtidig med at de tillader ubalancerede belastninger og de tilhørende neutrale strømme på sekundærsiden.

Fasesekvens

Ledninger til de tre faser identificeres typisk ved farver, der varierer fra land til land. Faserne skal forbindes i den rigtige rækkefølge for at opnå den påtænkte rotationsretning for trefasede motorer. For eksempel fungerer pumper og blæsere ikke omvendt. Bevarelse af fasernes identitet er påkrævet, hvis to kilder kunne forbindes samtidigt; en direkte forbindelse mellem to forskellige faser er en kortslutning .

Fordele

Sammenlignet med en enfaset vekselstrømforsyning, der bruger to ledere (fase og neutral ), kan en trefaset forsyning uden neutral og samme fase-til-jord spænding og strømkapacitet pr. Fase transmittere tre gange så meget strøm ved hjælp af kun 1,5 gange så mange ledninger (dvs. tre i stedet for to). Således fordobles forholdet mellem kapacitet og ledermateriale. Forholdet mellem kapacitet og ledermateriale stiger til 3: 1 med et ujordet trefaset og centerjordet enfaset system (eller 2,25: 1, hvis begge anvender grunde af samme måler som lederne).

Trefasede forsyninger har egenskaber, der gør dem ønskelige i elektriske strømdistributionssystemer:

• Fasestrømmene har en tendens til at annullere hinanden og summerer til nul i tilfælde af en lineær afbalanceret belastning. Dette gør det muligt at reducere størrelsen af ​​nullederen, fordi den bærer lidt eller ingen strøm. Med en afbalanceret belastning bærer alle faseledere den samme strøm og kan derfor have samme størrelse.
• Effektoverførsel til en lineær afbalanceret belastning er konstant. I motor-/generatorapplikationer hjælper dette med at reducere vibrationer.
• Trefasede systemer kan producere et roterende magnetfelt med en bestemt retning og konstant størrelse, hvilket forenkler designet af elektriske motorer, da der ikke kræves et startkredsløb.

De fleste husholdningsbelastninger er enfasede. I nordamerikanske boliger kan trefaset strøm fodre en boligblok, mens husholdningens belastninger er forbundet som enfaset. I områder med lavere densitet kan en enkelt fase bruges til distribution. Nogle husholdningsapparater med høj effekt, såsom elektriske komfurer og tørretumblere, drives af et splitfasesystem ved 240 volt eller fra to faser i et trefasesystem ved 208 volt.

Generering og distribution

Animation af trefasestrøm

Venstre billede: elementær seks-leder trefaset generator med hver fase ved hjælp af et separat par transmissionsledninger. Højre billede: elementær tre-leder trefaset generator, der viser, hvordan faserne kun kan dele tre ledninger.

På kraftværket konverterer en elektrisk generator mekanisk strøm til et sæt med tre elektriske AC -strømme , en fra hver spole (eller vikling) i generatoren. Viklingerne er arrangeret således, at strømme har samme frekvens, men med toppe og trug i deres bølgeformer forskudt for at give tre komplementære strømme med en faseseparation af en tredjedel cyklus ( 120 ° eller 2π ⁄ 3 radianer ). Den generatorfrekvensen er typisk 50 eller 60 Hz , afhængigt af landet.

På kraftværket ændrer transformatorer spændingen fra generatorer til et niveau, der er egnet til transmission for at minimere tab.

Efter yderligere spændingskonverteringer i transmissionsnettet omdannes spændingen endelig til standardudnyttelsen, før der tilføres strøm til kunderne.

De fleste bilgeneratorer genererer trefaset vekselstrøm og retter det til DC med en diodebro .

Transformatorforbindelser

En "delta" tilsluttet transformatorvikling er forbundet mellem faser i et trefasesystem. En "wye" transformer forbinder hver vikling fra en fasetråd til et fælles neutralt punkt.

En enkelt trefaset transformer kan bruges, eller tre enfasede transformere.

I et "åbent delta" eller "V" system bruges kun to transformere. Et lukket delta, der består af tre enfasede transformere, kan fungere som et åbent delta, hvis en af ​​transformatorerne har fejlet eller skal fjernes. I åbent delta skal hver transformer bære strøm for sine respektive faser samt strøm for den tredje fase, derfor reduceres kapaciteten til 87%. Med en af tre transformere mangler, og de resterende to på 87% effektivitet, kapaciteten er 58% ( 2 / 3 på 87%).

Hvor et delta-fodret system skal jordes til påvisning af vildstrøm til jord eller beskyttelse mod overspænding, kan der tilsluttes en jordforbindelse (normalt en zigzag-transformer ) for at tillade jordfejlstrømme at vende tilbage fra enhver fase til jord. En anden variation er et "hjørnejordet" deltasystem, som er et lukket delta, der er jordet ved et af krydsene mellem transformere.

Tre- og firetråds kredsløb

Wye (Y) og delta (Δ) kredsløb

Der er to grundlæggende trefasede konfigurationer: wye (Y) og delta (Δ). Som vist i diagrammet kræver en deltakonfiguration kun tre ledninger til transmission, men en wye (stjerne) konfiguration kan have en fjerde ledning. Den fjerde ledning, hvis den findes, er tilvejebragt som en neutral og er normalt jordet. Tre- og firetrådsbetegnelserne tæller ikke jordledningen til stede over mange transmissionslinjer, som udelukkende er til fejlsikring og ikke bærer strøm ved normal brug.

Et firetrådssystem med symmetriske spændinger mellem fase og neutral opnås, når neutralen er forbundet til det "fælles stjernepunkt" for alle forsyningsviklinger. I et sådant system vil alle tre faser have den samme spændingsstørrelse i forhold til neutralen. Andre ikke-symmetriske systemer er blevet brugt.

Fire-wire wye-systemet bruges, når der skal betjenes en blanding af enfaset og trefaset belastning, f.eks. Blandet belysning og motorbelastning. Et eksempel på anvendelse er lokal distribution i Europa (og andre steder), hvor hver kunde kun må fodres fra en fase og neutral (som er fælles for de tre faser). Når en gruppe kunder, der deler den neutrale, tegner ulige fasestrømme, bærer den fælles neutrale ledning de strømme, der skyldes disse ubalancer. Elingeniører forsøger at designe trefaset elsystem til et hvilket som helst sted, så strømmen fra hver af de tre faser er den samme, så langt som muligt på dette sted. Elingeniører forsøger også at arrangere distributionsnetværket, så belastningerne afbalanceres så meget som muligt, da de samme principper, der gælder for individuelle lokaler, også gælder for det store distributionssystems effekt. Derfor gør forsyningsmyndighederne alt for at fordele den effekt, der trækkes på hver af de tre faser, over et stort antal lokaler, således at der i gennemsnit så næsten som muligt ses en afbalanceret belastning på forsyningspunktet.

En delta-wye-konfiguration på tværs af en transformerkerne (bemærk, at en praktisk transformer normalt ville have et andet antal omdrejninger på hver side).

Til hjemmebrug kan nogle lande som Storbritannien levere en fase og neutral ved høj strøm (op til 100  A ) til en ejendom, mens andre som Tyskland kan levere 3 faser og neutrale til hver kunde, men med en lavere sikring rating, typisk 40–63  A pr. fase, og "roteret" for at undgå den effekt, at der er en tendens til, at der lægges mere belastning på den første fase.

En transformer til et " high-leg delta " -system, der bruges til blandede enfasede og trefasede belastninger på det samme distributionssystem. Trefasede belastninger såsom motorer tilsluttes L1, L2 og L3. Enfasede belastninger ville være forbundet mellem L1 eller L2 og neutral eller mellem L1 og L2. L3-fasen er 1,73 gange L1- eller L2-spændingen til neutral, så dette ben bruges ikke til enfasede belastninger.

Baseret på wye (Y) og delta (Δ) forbindelse. Generelt er der fire forskellige typer trefasede transformerviklingsforbindelser til transmission og distribution.

• wye (Y) - wye (Y) bruges til lille strøm og højspænding.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) bruges til store strømme og lave spændinger.
• Delta (Δ) - wye (Y) bruges til trin -up transformere, dvs. på genereringsstationer.
• wye (Y) - Delta (Δ) bruges til nedtrapningstransformatorer, dvs. i slutningen af ​​transmissionen.

I Nordamerika, en høj-ben delta er forsyning undertiden anvendes, hvor én vikling af en delta-tilsluttet transformer fodring belastningen er midtpunktsudtag og at midterudtaget er jordet og forbundet som en neutral som vist i det andet diagram. Denne opsætning producerer tre forskellige spændinger: Hvis spændingen mellem midterhanen (neutral) og hver af de øverste og nederste vandhaner (fase og antifase) er 120  V (100%), er spændingen over fase- og antifaseledningerne er 240 V (200%), og den neutrale til "høje ben" spænding er ≈ 208 V (173%).

Grunden til at levere den delta -tilsluttede forsyning er normalt at drive store motorer, der kræver et roterende felt. Imidlertid vil de pågældende lokaler også kræve de "normale" nordamerikanske 120 V -forsyninger, hvoraf to er afledt (180 grader "ude af fase") mellem de "neutrale" og et af de midtudtagne fasepunkter.

Balancerede kredsløb

I det perfekt afbalancerede tilfælde deler alle tre linjer tilsvarende belastninger. Ved at undersøge kredsløbene kan vi udlede relationer mellem netspænding og strøm og belastningsspænding og strøm for wye- og delta -tilsluttede belastninger.

I et afbalanceret system vil hver linje producere lige store spændingsstørrelser ved fasevinkler med lige stor afstand fra hinanden. Med V ₁ som vores reference og V ₃ halter V ₂ halter V ₁ , ved hjælp af vinkelnotation , og V _LN spændingen mellem linjen og neutralen har vi:

${\ displaystyle {\ begin {align} V_ {1} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 0^{\ circ}, \\ V_ {2} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {-120}^{\ circ}, \\ V_ {3} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {+120}^{\ circ}. \ Slut {justeret}}}$

Disse spændinger indføres enten i en wye- eller delta -tilsluttet belastning.

Wye (eller stjerne; Y)

Trefaset vekselstrømsgenerator forbundet som en wye- eller stjernekilde til en wye- eller stjerneforbundet belastning

Spændingen set af belastningen afhænger af belastningsforbindelsen; for wye-sagen giver tilslutning af hver belastning til en fasespænding (line-til-neutral):

${\ displaystyle {\ begin {align} I_ {1} & = {\ frac {V_ {1}} {\ venstre | Z _ {\ tekst {total}} \ højre |}} \ vinkel (-\ theta), \ \ [2pt] I_ {2} & = {\ frac {V_ {2}} {\ venstre | Z _ {\ tekst {total}} \ højre |}} \ vinkel \ venstre (-120^{\ circ}-\ theta \ højre), \\ [2pt] I_ {3} & = {\ frac {V_ {3}} {\ venstre | Z _ {\ tekst {total}} \ højre |}} \ vinkel \ venstre (120^{ \ circ}-\ theta \ right), \ end {align}}}$

hvor Z _total er summen af ​​linje- og belastningsimpedanser ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), og θ er fasen af ​​den totale impedans ( Z _total ).

Fasevinkelforskellen mellem spænding og strøm i hver fase er ikke nødvendigvis 0 og er afhængig af typen af ​​belastningsimpedans, Z _y . Induktive og kapacitive belastninger får strømmen til enten at forsinke eller føre spændingen. Den relative fasevinkel mellem hvert par linjer (1 til 2, 2 til 3 og 3 til 1) vil dog stadig være -120 °.

Et fasordiagram for en wye -konfiguration, hvor V _ab repræsenterer en netspænding og V _an repræsenterer en fasespænding. Spændinger afbalanceres som:

(α = 0 i dette tilfælde.)

Ved at anvende Kirchhoffs nuværende lov (KCL) på den neutrale knude, summerer de tre fasestrømme den samlede strøm i den neutrale linje. I det afbalancerede tilfælde:

${\ displaystyle I_ {1}+I_ {2}+I_ {3} = I _ {\ text {N}} = 0.}$

Delta (Δ)

Trefaset vekselstrømsgenerator forbundet som en wye-kilde til en delta-tilsluttet belastning

I deltakredsløbet er belastninger forbundet på tværs af linjerne, og derfor ser belastninger linje-til-linje spændinger:

${\ displaystyle {\ begin {align} V_ {12} & = V_ {1} -V_ {2} = \ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 0^{\ circ} \ højre)-\ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {-120}^{\ circ} \ højre) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 30^{\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {1} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {V_ {1}}+30^{\ circ} \ højre), \\ [3pt] V_ {23} & = V_ { 2} -V_ {3} = \ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {-120}^{\ circ} \ højre)-\ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 120^{ \ circ} \ højre) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {-90}^{\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {2} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {V_ {2}}+30^{\ circ} \ højre), \\ [3pt] V_ {31} & = V_ {3} -V_ {1} = \ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 120^{\ circ} \ højre)-\ venstre (V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 0^{\ circ} \ højre) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 150^{\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {3} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {V_ {3}}+30^{\ circ} \ til højre). \\\ slut {align}}}$

(Φ _v1 er faseskiftet for den første spænding, der normalt anses for at være 0 °; i dette tilfælde, Φ _v2 = −120 ° og Φ _v3 = −240 ° eller 120 °.)

Yderligere:

${\ displaystyle {\ begin {align} I_ {12} & = {\ frac {V_ {12}} {\ venstre | Z _ {\ Delta} \ højre |}} \ vinkel \ venstre (30^{\ circ}- \ theta \ højre), \\ [2pt] I_ {23} & = {\ frac {V_ {23}} {\ venstre | Z _ {\ Delta} \ højre |}} \ vinkel \ venstre (-90^{\ circ}-\ theta \ højre), \\ [2pt] I_ {31} & = {\ frac {V_ {31}} {\ venstre | Z _ {\ Delta} \ højre |}} \ vinkel \ venstre (150^ {\ circ}-\ theta \ right), \ end {align}}}$

hvor θ er fasen af ​​delta -impedans ( Z _Δ ).

Relative vinkler bevares, så jeg ₃₁ lags I ₂₃ lags I ₁₂ ved 120 °. Beregning af linjestrømme ved hjælp af KCL ved hver deltaknude giver:

${\ displaystyle {\ begin {align} I_ {1} & = I_ {12} -I_ {31} = I_ {12} -I_ {12} \ vinkel 120^{\ circ} \\ & = {\ sqrt { 3}} I_ {12} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {I_ {12}}-30^{\ circ} \ højre) = {\ sqrt {3}} I_ {12} \ vinkel (-\ theta) \ end {align}}}$

og tilsvarende for hinanden linje:

${\ displaystyle {\ begin {align} I_ {2} & = {\ sqrt {3}} I_ {23} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {I_ {23}}-30^{\ circ} \ højre) = {\ sqrt {3}} I_ {23} \ vinkel \ venstre (-120^{\ circ}-\ theta \ højre), \\ [2pt] I_ {3} & = {\ sqrt {3}} I_ {31} \ vinkel \ venstre (\ phi _ {I_ {31}}-30^{\ circ} \ højre) = {\ sqrt {3}} I_ {31} \ vinkel \ venstre (120^{\ circ} -\ theta \ right), \ end {align}}}$

hvor, igen, θ er den fase af delta impedans ( Z _Δ ).

En deltakonfiguration og et tilsvarende fasordiagram over dets strømme. Fasespændinger er lig med netspændinger, og strømme beregnes som:

Den samlede overførte effekt er:

Inspektion af et fasediagram eller konvertering fra fasornotation til kompleks notation belyser, hvordan forskellen mellem to line-til-neutrale spændinger giver en line-to-line spænding, der er større med en faktor √ 3 . Da en deltakonfiguration forbinder en belastning på tværs af faserne i en transformer, leverer den line-to-line spændingsforskellen, som er √ 3 gange større end den line-to-neutrale spænding, der leveres til en belastning i wye-konfigurationen. Da den overførte effekt er V ² /Z, skal impedansen i deltakonfigurationen være 3 gange, hvad den ville være i en wye -konfiguration, for at den samme effekt kan overføres.

Enfasede belastninger

Undtagen i et højbenet delta- system og et hjørnejordet delta-system kan enfasebelastninger forbindes på tværs af to faser, eller en belastning kan forbindes fra fase til neutral. Fordeling af enfasebelastninger mellem faserne i et trefasesystem afbalancerer belastningen og gør mest økonomisk brug af ledere og transformere.

I et symmetrisk trefaset firetrådet, wye-system har de tre faseledere den samme spænding til systemneutralen. Spændingen mellem ledere er √ 3 gange faselederen til neutral spænding:

${\ displaystyle V _ {\ text {LL}} = {\ sqrt {3}} V _ {\ text {LN}}.}$

Strømmene, der vender tilbage fra kundernes lokaler til forsyningstransformatoren, deler alle den neutrale ledning. Hvis belastningerne er jævnt fordelt på alle tre faser, er summen af ​​returstrømmene i den neutrale ledning cirka nul. Enhver ubalanceret faselastning på transformatorens sekundære side vil bruge transformerkapaciteten ineffektivt.

Hvis forsyningsneutralen er brudt, opretholdes fase-til-neutral spænding ikke længere. Faser med højere relativ belastning vil opleve reduceret spænding, og faser med lavere relativ belastning vil opleve forhøjet spænding op til fase-til-fase spændingen.

Et delta med højt ben giver fase-til-neutralt forhold mellem V _LL = 2  V _LN  , men LN belastning pålægges en fase. En transformatorproducents side tyder på, at LN -belastning ikke overstiger 5% af transformerkapaciteten.

Da √ 3 ≈ 1,73, definerer V _LN som 100% giver V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Hvis V _LL blev indstillet til 100%, så V _LN ≈ 57,7% .

Ubalanceret belastning

Når strømmen på de tre strømførende ledninger i et trefasesystem ikke er ens eller ikke er i en nøjagtig 120 ° fasevinkel, er effekttabet større end for et perfekt afbalanceret system. Metoden til symmetriske komponenter bruges til at analysere ubalancerede systemer.

Ikke-lineære belastninger

Ved lineære belastninger bærer neutralen kun strømmen på grund af ubalance mellem faserne. Gasudladningslamper og -anordninger, der anvender ensretter-kondensator-front-end, såsom switch-mode strømforsyninger , computere, kontorudstyr og sådanne producerer tredjeordens harmoniske, der er i fase i alle forsyningsfaser. Følgelig tilføjer sådanne harmoniske strømme i neutralen i et wye -system (eller i den jordede (zigzag) transformer i et deltasystem), hvilket kan få neutralstrømmen til at overstige fasestrømmen.

Trefasede belastninger

Trefaset elektrisk maskine med roterende magnetfelter

En vigtig klasse af trefaset belastning er elmotoren . En trefaset induktionsmotor har et enkelt design, iboende højt startmoment og høj effektivitet. Sådanne motorer anvendes i industrien til mange anvendelser. En trefaset motor er mere kompakt og billigere end en enfaset motor af samme spændingsklasse og rating, og enfasede vekselstrømsmotorer over 10  HK (7,5 kW) er ualmindelige. Trefasede motorer vibrerer også mindre og holder derfor længere end enfasede motorer med samme effekt, der bruges under de samme betingelser.

Modstandsvarmelaster såsom elektriske kedler eller rumopvarmning kan tilsluttes trefasesystemer. Elektrisk belysning kan også være forbundet på samme måde.

Linjefrekvensflimmer i lys er skadeligt for højhastighedskameraer, der bruges i sportsbegivenhedsudsendelser til slowmotion -afspilninger. Det kan reduceres ved jævnt spredende linjefrekvensbetjente lyskilder på tværs af de tre faser, så det oplyste område lyser fra alle tre faser. Denne teknik blev anvendt med succes ved OL i Beijing 2008.

Ensrettere kan bruge en trefaset kilde til at producere en seks-puls jævnstrømsudgang. Outputtet fra sådanne ensrettere er meget glattere end ensrettet enfase og falder i modsætning til enfaset ikke til nul mellem impulser. Sådanne ensrettere kan bruges til batteriopladning, elektrolyseprocesser såsom aluminiumproduktion eller til drift af DC -motorer. "Zig-zag" -transformatorer kan foretage ækvivalent med seksfaset fuldbølgerektifikation, tolv impulser pr. Cyklus, og denne metode anvendes lejlighedsvis til at reducere omkostningerne ved filtreringskomponenterne, samtidig med at kvaliteten af ​​den resulterende DC forbedres.

Trefaset stik brugt tidligere på elektriske komfurer i Tyskland

Et eksempel på en trefaset belastning er den elektriske lysbueovn, der anvendes til stålfremstilling og til raffinering af malme.

I mange europæiske lande er elektriske ovne normalt designet til en trefaset tilførsel med permanent forbindelse. Individuelle varmeenheder er ofte forbundet mellem fase og neutral for at muliggøre forbindelse til et enkeltfaset kredsløb, hvis trefaset ikke er tilgængeligt. Andre sædvanlige trefasede belastninger i hjemmet er tankløse vandopvarmningssystemer og varmelegemer . Boliger i Europa og Storbritannien har standardiseret på et nominelt 230 V mellem enhver fase og jord. (Eksisterende forsyninger forbliver nær 240 V i Storbritannien.) De fleste grupper af huse får mad fra en trefaset gade transformer, så individuelle lokaler med efterspørgsel over gennemsnittet kan fodres med en anden eller tredje fase forbindelse.

Trefaset elektrisk smartmåler

Den første nye trefasede SMETS2-måler, udviklet af Aclara Technologies, blev monteret på vegne af den britiske energileverandør, Good Energy , i Gloucestershire, England i august 2020.

Den første trefasede SMETS2-måler i en erhvervsejendom blev installeret i Aberdare, South Wales i august 2020.

Fasekonvertere

Fasekonvertere bruges, når trefaset udstyr skal betjenes på en enfaset strømkilde. De bruges, når trefaset strøm ikke er tilgængelig, eller omkostninger ikke er forsvarlige. Sådanne omformere kan også tillade, at frekvensen varieres, hvilket muliggør hastighedsregulering. Nogle jernbanelokomotiver bruger en enfaset kilde til at køre trefasede motorer, der føres gennem et elektronisk drev.

En roterende fasekonverter er en trefaset motor med særlige startarrangementer og effektfaktorkorrektion, der producerer afbalancerede trefasespændinger. Når de er korrekt konstrueret, kan disse roterende omformere tillade tilfredsstillende drift af en trefaset motor på en enfaset kilde. I en sådan anordning udføres energilagringen af de roterende komponenters inerti (svinghjulseffekt). Et eksternt svinghjul findes undertiden i den ene eller begge ender af skaftet.

En trefaset generator kan drives af en enfaset motor. Denne motorgenerator-kombination kan levere en frekvensskifterfunktion samt fasekonvertering, men kræver to maskiner med alle deres udgifter og tab. Motorgenerator-metoden kan også danne en afbrydelig strømforsyning, når den bruges sammen med et stort svinghjul og en batteridrevet DC-motor; en sådan kombination vil levere næsten konstant effekt sammenlignet med det midlertidige frekvensfald, der opleves med et standby -generator -sæt, indtil standby -generatoren starter.

Kondensatorer og autotransformatorer kan bruges til at tilnærme et trefasesystem i en statisk fasekonverter, men spændingen og fasevinklen i den ekstra fase er muligvis kun nyttig ved visse belastninger.

Drev med variabel frekvens og digitale faseomformere bruger elektroniske strømforsyninger til at syntetisere en afbalanceret trefaset forsyning fra enfaset indgangseffekt.

Test

Verifikation af fasesekvensen i et kredsløb er af betydelig praktisk betydning. To kilder til trefaset strøm må ikke tilsluttes parallelt, medmindre de har den samme fasesekvens, f.eks. Når en generator tilsluttes et strømforsynet distributionsnet eller ved tilslutning af to transformere parallelt. Ellers vil sammenkoblingen opføre sig som en kortslutning, og overskydende strøm vil strømme. Trefasemotors rotationsretning kan vendes ved at skifte to faser; det kan være upraktisk eller skadeligt at teste en maskine ved momentant at aktivere motoren til at observere dens rotation. Fasesekvens for to kilder kan verificeres ved at måle spænding mellem par af terminaler og observere, at terminaler med meget lav spænding mellem dem vil have den samme fase, hvorimod par, der viser en højere spænding, er i forskellige faser.

Hvor den absolutte faseidentitet ikke er påkrævet, kan faserotationstestinstrumenter bruges til at identificere rotationssekvensen med én observation. Faserotationstestinstrumentet kan indeholde en miniaturet trefaset motor, hvis rotationsretning kan observeres direkte gennem instrumenthuset. Et andet mønster bruger et par lamper og et internt faseskiftende netværk til at vise faserotationen. En anden type instrument kan tilsluttes en tre-faset motor uden strøm og kan registrere de små spændinger forårsaget af restmagnetisme, når motorakslen drejes i hånden. En lampe eller andre indikatorer lyser for at vise spændingssekvensen ved terminalerne for den givne akselrotationsretning.

Alternativer til trefaset

Splittet elektrisk strøm

Anvendes når trefaset strøm ikke er tilgængelig og giver mulighed for at levere dobbelt den normale udnyttelsesspænding til belastninger med høj effekt.

To-fase elektrisk strøm

Bruger to vekselstrømsspændinger med et 90-graders faseskift mellem dem. To-fasede kredsløb kan forbindes med to par ledere, eller to ledninger kan kombineres, hvilket kun kræver tre ledninger til kredsløbet. Strømme i den fælles leder tilføjer 1,4 gange strømmen i de enkelte faser, så den fælles leder skal være større. To-fase og tre-fasede systemer kan forbindes med en Scott-T transformer , opfundet af Charles F. Scott . Meget tidlige vekselstrømsmaskiner, især de første generatorer ved Niagara Falls , brugte et tofasesystem, og nogle resterende tofasede distributionssystemer eksisterer stadig, men trefasesystemer har fortrængt tofasesystemet til moderne installationer.

Monocyklisk kraft

Et asymmetrisk modificeret tofaset elsystem, der blev brugt af General Electric omkring 1897, som blev forfulgt af Charles Proteus Steinmetz og Elihu Thomson . Dette system blev udviklet for at undgå krænkelse af patent. I dette system blev en generator viklet med en fuldfaset enfaset vikling beregnet til belysning af belastninger og med en lille fraktion (normalt 1/4 af netspændingen) vikling, der producerede en spænding i kvadratur med hovedviklingerne. Hensigten var at bruge denne "power wire" ekstra vikling til at levere startmoment til induktionsmotorer, hvor hovedviklingen giver strøm til belysningsbelastninger. Efter udløbet af Westinghouse-patenterne på symmetriske tofasede og trefasede energifordelingssystemer faldt det monocykliske system ud af brug; det var svært at analysere og varede ikke længe nok til, at tilfredsstillende energimåling kunne udvikles.

Systemer i høj fase

Er blevet bygget og testet for kraftoverførsel. Sådanne transmissionslinjer vil typisk bruge seks eller tolv faser. Højfaset rækkefølge transmissionslinjer tillader overførsel af lidt mindre end forholdsmæssigt højere effekt gennem et givet volumen uden bekostning af en højspændings jævnstrøm (HVDC) omformer i hver ende af linjen. De kræver dog tilsvarende flere stykker udstyr.

DC

AC blev historisk brugt, fordi den let kunne omdannes til højere spændinger til langdistanceoverførsel. Moderne elektronik kan dog øge DC-spændingen med høj effektivitet, og DC mangler hudeffekt, som gør det muligt for transmissionsledninger at være lettere og billigere, og derfor giver højspændings jævnstrøm lavere tab over lange afstande.

Farvekoder

Ledere i et trefasesystem identificeres normalt med en farvekode for at muliggøre en afbalanceret belastning og for at sikre den korrekte fasedrejning for motorer . Brugte farver overholder muligvis International Standard IEC 60446 (senere IEC 60445 ), ældre standarder eller slet ingen standard og kan variere selv inden for en enkelt installation. For eksempel i USA og Canada bruges forskellige farvekoder til jordede (jordede) og ujordede systemer.

Se også

Noter

Referencer

eksterne links

• Vekselstrømshistorik og tidslinje