Trefaset elektrisk kraft - Three-phase electric power

Trefaset transformator med firetråds utgang for 208Y/120 volt service: en ledning for nøytral, andre for A, B og C faser

Trefaset elektrisk kraft (forkortet 3φ ) er en vanlig type vekselstrøm som brukes i produksjon , overføring og distribusjon av elektrisitet . Det er en type flerfasesystem som bruker tre ledninger (eller fire inkludert en valgfri nøytral returtråd) og er den vanligste metoden som brukes av elektriske nett over hele verden for å overføre strøm.

Trefaset elektrisk kraft ble utviklet på 1880-tallet av flere mennesker. Trefaset effekt fungerer ved at spenningen og strømmen er 120 grader ute av fase på de tre ledningene. Som et AC -system tillater det lett å øke spenningene ved hjelp av transformatorer til høyspenning for overføring, og tilbake for distribusjon, noe som gir høy effektivitet.

En tre-leder trefaset krets er vanligvis mer økonomisk enn en ekvivalent to-leders enfaset krets på samme linje til jordspenning fordi den bruker mindre ledermateriale til å overføre en gitt mengde elektrisk kraft. Trefaset kraft brukes hovedsakelig direkte til å drive store motorer og andre tunge belastninger. Små belastninger bruker ofte bare en to-tråds enfaset krets, som kan stamme fra et trefasesystem.

Terminologi

De ledere mellom en spenningskilde og en belastning kalles linjer, og spenningen mellom to linjer som kalles linjespenningen . Spenningen målt mellom hvilken som helst linje og nøytral kalles fasespenning . For eksempel, for en 208/120 volt tjeneste, er nettspenningen 208 Volt, og fasespenningen er 120 Volt.

Historie

Polyfase kraftsystemer ble uavhengig oppfunnet av Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson og Nikola Tesla på slutten av 1880-tallet.

Den første vekselstrømsmotoren i den italienske fysikeren Galileo Ferraris verden. Dette var en 2-faset motor og krever 4 ledninger, noe som er mindre effektivt. 3-fase motorer og generatorer ble utviklet ved å legge til ekstra spoler og koble til noen av ledningene

Trefasekraft utviklet seg ut av elektrisk motorutvikling. Ferraris undersøkte uavhengig av det roterende magnetfeltet i 1885. Ferrarier eksperimenterte med forskjellige typer asynkrone elektriske motorer. Forskningen og studiene hans resulterte i utviklingen av en generator , som kan tenkes som en vekselstrømsmotor som opererer i revers, for å konvertere mekanisk (roterende) kraft til elektrisk kraft (som vekselstrøm).

11. mars 1888, og Ferraris publisert sin forskning i et papir til Royal Academy of Sciences i Torino (to måneder senere Nikola Tesla vunnet US Patent 381968 , søknad innlevert 12. oktober 1887. Serienummer 252132). Disse generatorene opererte ved å lage systemer med vekselstrømmer forskjøvet fra hverandre i fase med bestemte mengder, og var avhengige av roterende magnetfelt for driften. Den resulterende kilden til polyfasekraft fant snart utbredt aksept. Oppfinnelsen av polyfase-generatoren er nøkkelen i historien til elektrifisering, som er strømtransformatoren . Disse oppfinnelsene gjorde det mulig å overføre strøm via ledninger økonomisk over betydelige avstander. Polyfasekraft muliggjorde bruk av vannkraft (via vannkraftgenererende anlegg i store demninger) på avsidesliggende steder, noe som gjorde at mekanisk energi fra det fallende vannet kunne konverteres til elektrisitet, som deretter kunne mates til en elektrisk motor hvor som helst der mekanisk arbeid måtte utføres. Denne allsidigheten utløste veksten av kraftoverføringsnettverk på kontinenter rundt om i verden.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky utviklet den trefasede elektriske generatoren og en trefaset elektrisk motor (1888) og studerte stjerne- og deltaforbindelser . Triumfsystemet til triumf ble vist i Europa på den internasjonale elektro-tekniske utstillingen i 1891, der Dolivo-Dobrovolsky brukte dette systemet til å overføre elektrisk kraft i en avstand på 176 km med 75% effektivitet . I 1891 opprettet han også en trefaset transformator og kortsluttet ( ekornbur ) induksjonsmotor . Han tegnet verdens første trefasede vannkraftverk i 1891.

Prinsipp

Normaliserte bølgeformer for øyeblikksspenningene i et trefasesystem i en syklus med tiden som øker til høyre. Faseordren er 1–2–3. Denne syklusen gjentar seg med frekvensen til kraftsystemet. Ideelt sett blir hver fases spenning , strøm og effekt forskjøvet fra de andre med 120 °.

Tre-fase elektriske kraftoverføringslinjer

Trefasetransformator (Békéscsaba, Ungarn): til venstre er de primære ledningene og til høyre er de sekundære ledningene

I et symmetrisk trefaset strømforsyningssystem bærer tre ledere hver en vekselstrøm med samme frekvens og spenningsamplitude i forhold til en felles referanse, men med en faseforskjell på en tredjedel av en syklus (dvs. 120 grader ut av fase) mellom Hver. Den vanlige referansen er vanligvis koblet til jord og ofte til en strømførende leder som kalles nøytral. På grunn av faseforskjellen når spenningen på en hvilken som helst leder toppen på en tredjedel av en syklus etter en av de andre lederne og en tredjedel av en syklus før den gjenværende lederen. Denne faseforsinkelsen gir konstant kraftoverføring til en balansert lineær belastning. Det gjør det også mulig å produsere et roterende magnetfelt i en elektrisk motor og generere andre fasearrangementer ved hjelp av transformatorer (for eksempel et tofasesystem ved bruk av en Scott-T-transformator ). Amplituden til spenningsforskjellen mellom to faser er (1.732 ...) ganger amplituden til spenningen til de enkelte fasene. ${\ displaystyle {\ sqrt {3}}}$

De symmetriske trefasesystemene beskrevet her omtales ganske enkelt som trefasesystemer fordi, selv om det er mulig å designe og implementere asymmetriske trefasede kraftsystemer (dvs. med ulik spenning eller faseforskyvning), brukes de ikke i praksis fordi de mangler de viktigste fordelene med symmetriske systemer.

I et trefasesystem som gir en balansert og lineær belastning, er summen av momentane strømmer til de tre lederne null. Med andre ord er strømmen i hver leder like stor som summen av strømmen i de to andre, men med det motsatte tegnet. Returbanen for strømmen i en hvilken som helst faseleder er de to andre faseledere.

Konstant kraftoverføring og avbrytelse av fasestrømmer er mulig med et hvilket som helst antall (større enn en) fase, og opprettholder kapasitets-til-leder-materialforholdet som er det dobbelte av enfasestrømmen. To faser resulterer imidlertid i en mindre jevn (pulserende) strøm til lasten (noe som gjør jevn kraftoverføring til en utfordring), og mer enn tre faser kompliserer infrastrukturen unødvendig.

Trefasesystemer kan ha en fjerde ledning, vanlig i lavspenningsfordeling. Dette er den nøytrale ledningen. Nøytralen gjør det mulig å levere tre separate enfasede forsyninger med konstant spenning og brukes ofte for å forsyne flere enfasede belastninger. Tilkoblingene er arrangert slik at så langt det er mulig i hver gruppe, trekkes like kraft fra hver fase. Lenger opp i distribusjonssystemet er strømmen vanligvis godt balansert. Transformatorer kan være koblet til en firetrådssekundær og en tretråds primær, mens de tillater ubalansert belastning og de tilhørende nøytrale strømmer på sekundærsiden.

Fasesekvens

Kabling for de tre fasene er vanligvis identifisert av farger som varierer fra land til land. Fasene må kobles til i riktig rekkefølge for å oppnå tiltenkt rotasjonsretning for trefasede motorer. For eksempel fungerer ikke pumper og vifter omvendt. Det er nødvendig å opprettholde fasenes identitet hvis to kilder kan kobles til samtidig; en direkte sammenkobling mellom to forskjellige faser er en kortslutning .

Fordeler

Sammenlignet med en enfaset vekselstrømforsyning som bruker to ledere (fase og nøytral ), kan en trefaset forsyning uten nøytral og samme fase-til-jord spenning og strømkapasitet per fase overføre tre ganger så mye strøm ved å bruke bare 1,5 ganger så mange ledninger (dvs. tre i stedet for to). Dermed dobles forholdet mellom kapasitet og ledermateriale. Forholdet mellom kapasitet og ledermateriale øker til 3: 1 med et ujordet trefaset og senterjordet enfaset system (eller 2,25: 1 hvis begge benytter grunner av samme måler som lederne).

Trefaseforsyninger har egenskaper som gjør dem ønskelige i elektriske fordelingssystemer:

• Fasestrømmene har en tendens til å avbryte hverandre og summerer til null ved lineær balansert belastning. Dette gjør det mulig å redusere størrelsen på nøytrallederen fordi den bærer liten eller ingen strøm. Med en balansert belastning bærer alle faseledere samme strøm og kan derfor ha samme størrelse.
• Kraftoverføring til en lineær balansert belastning er konstant. I motor-/generatorapplikasjoner bidrar dette til å redusere vibrasjoner.
• Trefasesystemer kan produsere et roterende magnetfelt med en spesifisert retning og konstant størrelse, noe som forenkler utformingen av elektriske motorer, da det ikke er nødvendig med noen startkrets.

De fleste husholdningsbelastningene er enfaset. I nordamerikanske boliger kan trefaset strøm mate en boligblokk, mens husholdningsbelastningen er koblet som enfase. I områder med lavere tetthet kan en enkelt fase brukes for distribusjon. Noen husholdningsapparater med høy effekt, for eksempel elektriske ovner og tørketrommel, drives av et delt fase-system på 240 volt eller fra to faser i et trefasesystem med 208 volt.

Generering og distribusjon

Animasjon av trefasestrøm

Venstre bilde: elementær seks-leder trefaset generator med hver fase ved bruk av et separat par overføringsledninger. Høyre bilde: elementær tre-leders trefaset generator som viser hvordan fasene bare kan dele tre ledninger.

På kraftstasjonen konverterer en elektrisk generator mekanisk kraft til et sett med tre elektriske AC -strømmer , en fra hver spole (eller vikling) til generatoren. Viklingene er arrangert slik at strømmen er på samme frekvens, men med toppene og bunnene i bølgeformene deres forskjøvet for å gi tre komplementære strømmer med en faseseparasjon av en tredjedel syklus ( 120 ° eller 2π ⁄ 3 radianer ). Den generatorfrekvensen er typisk 50 eller 60 Hz , avhengig av land.

På kraftstasjonen endrer transformatorer spenningen fra generatorer til et nivå som er egnet for overføring for å minimere tap.

Etter ytterligere spenningskonvertering i transmisjonsnettet, blir spenningen endelig transformert til standardutnyttelsen før strøm tilføres kunder.

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

Transformatorforbindelser

En "delta" tilkoblet transformatorvikling er koblet mellom faser i et trefasesystem. En "wye" transformator kobler hver vikling fra en fasetråd til et felles nøytralt punkt.

En enkelt trefasetransformator kan brukes, eller tre enfasetransformatorer.

I et "åpent delta" eller "V" system brukes bare to transformatorer. Et lukket delta laget av tre enfasede transformatorer kan fungere som et åpent delta hvis en av transformatorene har mislyktes eller må fjernes. I åpent delta må hver transformator bære strøm for sine respektive faser, så vel som strøm for den tredje fasen, derfor reduseres kapasiteten til 87%. Med en av tre transformatorer mangler og de resterende to med 87% effektivitet, er kapasiteten 58% ( 2 ⁄ 3 av 87%).

Når et delta-matet system må jordes for deteksjon av herreløs strøm til jord eller beskyttelse mot overspenning, kan en jordingstransformator (vanligvis en sikksakk-transformator ) kobles til slik at jordfeilstrømmer kan komme tilbake fra en hvilken som helst fase til en jord. En annen variant er et "hjørnejordet" delta -system, som er et lukket delta som er jordet i et av kryssene mellom transformatorer.

Kretser med tre og fire ledninger

Wye (Y) og delta (Δ) kretser

Det er to grunnleggende trefasekonfigurasjoner: wye (Y) og delta (Δ). Som vist i diagrammet krever en deltakonfigurasjon bare tre ledninger for overføring, men en wye (stjerne) konfigurasjon kan ha en fjerde ledning. Den fjerde ledningen, hvis den er tilstede, er gitt som en nøytral og er normalt jordet. Tre- og firetrådsbetegnelsene teller ikke jordledningen som er tilstede over mange overføringslinjer, som utelukkende er for feilbeskyttelse og ikke bærer strøm ved normal bruk.

Et firetrådssystem med symmetriske spenninger mellom fase og nøytral oppnås når nøytralet er koblet til det "felles stjernepunktet" for alle forsyningsviklinger. I et slikt system vil alle tre fasene ha den samme størrelsen på spenning i forhold til nøytralet. Andre ikke-symmetriske systemer har blitt brukt.

Fire-wire wye-systemet brukes når en blanding av enfaset og trefaset last skal betjenes, for eksempel blandet belysning og motorbelastning. Et eksempel på søknad er lokal distribusjon i Europa (og andre steder), hvor hver kunde bare kan mates fra en fase og nøytral (som er felles for de tre fasene). Når en gruppe kunder som deler den nøytrale trekker ulik fasestrøm, bærer den vanlige nøytrale ledningen strømmen som følge av disse ubalansene. Elektriske ingeniører prøver å designe trefaset kraftsystem for et hvilket som helst sted, slik at strømmen som trekkes fra hver av de tre fasene er den samme, så langt som mulig på dette stedet. Elektriske ingeniører prøver også å arrangere distribusjonsnettverket slik at belastningene balanseres så mye som mulig, siden de samme prinsippene som gjelder for individuelle lokaler, også gjelder for distribusjonssystemets kraft i stor skala. Derfor anstrenges forsyningsmyndighetene for å fordele strømmen fra hver av de tre fasene over et stort antall lokaler, slik at en gjennomsnittlig balanse i gjennomsnitt blir sett på forsyningspunktet.

En delta-wye-konfigurasjon på tvers av en transformatorkjerne (merk at en praktisk transformator vanligvis ville ha et annet antall svinger på hver side).

For hjemmebruk kan noen land som Storbritannia levere en fase og nøytral med høy strøm (opptil 100  A ) til en eiendom, mens andre som Tyskland kan levere tre faser og nøytral til hver kunde, men med en lavere sikring vurdering, vanligvis 40–63  A per fase, og "rotert" for å unngå effekten av at mer belastning har en tendens til å bli lagt på den første fasen.

En transformator for et " high-leg delta " -system som brukes til blandet enfaset og trefaset belastning på det samme distribusjonssystemet. Trefasebelastninger som motorer kobles til L1, L2 og L3. Enfasebelastninger vil være koblet mellom L1 eller L2 og nøytral, eller mellom L1 og L2. L3-fasen er 1,73 ganger L1- eller L2-spenningen til nøytral, så dette benet brukes ikke til enfasebelastninger.

Basert på wye (Y) og delta (Δ) tilkobling. Vanligvis er det fire forskjellige typer trefasede transformatorviklinger for overføring og distribusjon.

• wye (Y) - wye (Y) brukes til liten strøm og høyspenning.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) brukes for store strømmer og lave spenninger.
• Delta (Δ) - wye (Y) brukes for trinnvise transformatorer, dvs. på generasjonsstasjoner.
• wye (Y) - Delta (Δ) brukes for trappetransformatorer, dvs. på slutten av overføringen.

I Nord-Amerika brukes noen ganger en høybenet delta- forsyning der en vikling av en delta-tilkoblet transformator som mater lasten, er midtstappet og at midtkranen er jordet og koblet som en nøytral som vist i det andre diagrammet. Dette oppsettet gir tre forskjellige spenninger: Hvis spenningen mellom senterkranen (nøytral) og hver av topp- og bunnkranene (fase og antifase) er 120  V (100%), er spenningen over fasen og antifaselinjene er 240 V (200%), og nøytral til "høy ben" spenning er ≈ 208 V (173%).

Grunnen til å tilby den delta -tilkoblede forsyningen er vanligvis for å drive store motorer som krever et roterende felt. Imidlertid vil de aktuelle lokalene også kreve de "normale" nordamerikanske 120 V -forsyningene, hvorav to er avledet (180 grader "ut av fase") mellom de "nøytrale" og et av de midtuttappede fasepunktene.

Balanserte kretser

I det perfekt balanserte tilfellet deler alle tre linjene tilsvarende belastninger. Ved å undersøke kretsene kan vi utlede forhold mellom linjespenning og strøm, og lastspenning og strøm for wye- og delta -tilkoblede laster.

I et balansert system vil hver linje produsere like store spenningsstørrelser i fasevinkler med like store avstand fra hverandre. Med V ₁ som referanse og V ₃ lagging V ₂ lagging V ₁ , ved hjelp av vinkelenotasjon , og V _LN spenningen mellom linjen og nøytralen har vi:

${\ displaystyle {\ begynne {justert} V_ {1} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel 0^{\ circ}, \\ V_ {2} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {-120}^{\ circ}, \\ V_ {3} & = V _ {\ tekst {LN}} \ vinkel {+120}^{\ circ}. \ End {justert}}}$

Disse spenningene mates inn i enten en wye- eller delta -tilkoblet belastning.

Wye (eller stjerne; Y)

Trefase vekselstrømgenerator koblet som en wye- eller stjernekilde til en wye- eller stjernekoblet belastning

Spenningen sett av lasten vil avhenge av lastforbindelsen; for wye-saken gir tilkobling av hver last til en fase (linje-til-nøytral) spenning:

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

hvor Z _total er summen av linje- og lastimpedanser ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), og θ er fasen av den totale impedansen ( Z _totalt ).

Fasevinkelforskjellen mellom spenning og strøm i hver fase er ikke nødvendigvis 0 og er avhengig av typen lastimpedans, Z _y . Induktive og kapasitive belastninger vil føre til at strømmen enten forsinker eller leder spenningen. Den relative fasevinkelen mellom hvert par linjer (1 til 2, 2 til 3 og 3 til 1) vil imidlertid fortsatt være -120 °.

Et fasordiagram for en wye -konfigurasjon, der V _ab representerer en linjespenning og V _an representerer en fasespenning. Spenningen er balansert som:

(α = 0 i dette tilfellet.)

Ved å anvende Kirchhoffs nåværende lov (KCL) på den nøytrale noden, summerer de tre fasestrømmene til den totale strømmen i nøytrallinjen. I det balanserte tilfellet:

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

Delta (Δ)

Trefase vekselstrømgenerator koblet som en wye-kilde til en delta-tilkoblet belastning

I deltakretsen er belastninger koblet over linjene, og så ser laster linje-til-linje spenninger:

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

(Φ _v1 er faseskiftet for den første spenningen, vanligvis antatt å være 0 °, i dette tilfellet Φ _v2 = -120 ° og Φ _v3 = −240 ° eller 120 °.)

Lengre:

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

hvor θ er fasen av deltaimpedans ( Z _Δ ).

Relative vinkler bevares, så jeg ₃₁ lags I ₂₃ lags I ₁₂ ved 120 °. Beregning av linjestrømmer ved bruk av KCL på hver deltaknode gir:

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

og på samme måte for hverandre linje:

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

hvor, igjen, θ er den fase av delta impedans ( Z _Δ ).

En deltakonfigurasjon og et tilsvarende fasordiagram over dets strømmer. Fasespenninger er lik linjespenninger, og strømmer beregnes som:

Den overførte kraften er:

Inspeksjon av et fasordiagram, eller konvertering fra fasornotasjon til kompleks notasjon, belyser hvordan forskjellen mellom to linje-til-nøytrale spenninger gir en linje-til-linje spenning som er større med en faktor √ 3 . Ettersom en deltakonfigurasjon kobler en last på tvers av fasene i en transformator, leverer den spenningsforskjellen fra linje til linje, som er √ 3 ganger større enn linje-til-nøytral spenning levert til en last i wye-konfigurasjonen. Siden den overførte effekten er V ² /Z, må impedansen i deltakonfigurasjonen være 3 ganger det den ville være i en wye -konfigurasjon for at den samme effekten skal overføres.

Enfasede belastninger

Bortsett fra i et høybenet deltasystem og et hjørnegrunnet deltasystem, kan enfasebelastninger kobles over to faser, eller en last kan kobles fra fase til nøytral. Fordeling av enfaselast mellom fasene i et trefasesystem balanserer belastningen og bruker mest økonomisk bruk av ledere og transformatorer.

I et symmetrisk trefaset firetrådet, wye-system har de tre faseledere samme spenning til systemnøytralen. Spenningen mellom ledere er √ 3 ganger faselederen til nøytral spenning:

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

Strømmene som kommer tilbake fra kundenes lokaler til forsyningstransformatoren deler alle den nøytrale ledningen. Hvis lastene er jevnt fordelt på alle tre fasene, er summen av returstrømmene i den nøytrale tråden omtrent null. Enhver ubalansert faselastning på sekundærsiden av transformatoren vil bruke transformatorens kapasitet ineffektivt.

Hvis forsyningsnøytralen brytes, opprettholdes ikke lenger fase-til-nøytral spenning. Faser med høyere relativ belastning vil oppleve redusert spenning, og faser med lavere relativ belastning vil oppleve forhøyet spenning, opp til fase-til-fase spenning.

Et høybenet delta gir fase-til-nøytralt forhold mellom V _LL = 2  V _LN  , men LN-belastning pålegges en fase. En transformatorprodusents side antyder at LN -lasting ikke overstiger 5% av transformatorkapasiteten.

Siden √ 3 ≈ 1,73 gir definisjon av V _LN som 100% V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Hvis V _LL ble satt til 100%, så V _LN ≈ 57,7% .

Ubalansert belastning

Når strømmen på de tre strømførende ledningene i et trefasesystem ikke er like eller ikke har en eksakt 120 ° fasevinkel, er effekttapet større enn for et perfekt balansert system. Metoden for symmetriske komponenter brukes til å analysere ubalanserte systemer.

Ikke-lineære belastninger

Med lineære belastninger bærer nøytralen bare strømmen på grunn av ubalanse mellom fasene. Gassutladningslamper og enheter som bruker front-end for likeretter-kondensator, for eksempel strømbrytere i brytermodus , datamaskiner, kontorutstyr og slikt, produserer harmonier fra tredje orden som er i fase i alle forsyningsfasene. Følgelig legger slike harmoniske strømmer til i nøytralen i et wye -system (eller i den jordede (sikksakk) transformatoren i et deltasystem), noe som kan føre til at nøytralstrømmen overstiger fasestrømmen.

Trefasede belastninger

Trefaset elektrisk maskin med roterende magnetfelt

En viktig klasse med trefaset belastning er den elektriske motoren . En trefaset induksjonsmotor har en enkel design, iboende høyt startmoment og høy effektivitet. Slike motorer brukes i industrien for mange bruksområder. En trefaset motor er mer kompakt og rimeligere enn en enfaset motor av samme spenningsklasse og karakter, og enfasede vekselstrømsmotorer over 10  HK (7,5 kW) er uvanlige. Trefasemotorer vibrerer også mindre og varer derfor lenger enn enfasede motorer med samme effekt som brukes under de samme forholdene.

Motstandsoppvarmingsbelastninger som elektriske kjeler eller romoppvarming kan kobles til trefasesystemer. Elektrisk belysning kan også være koblet på samme måte.

Linjefrekvensflimmer i lys er skadelig for høyhastighetskameraer som brukes i kringkasting av sportsbegivenheter for repriser i sakte film . Den kan reduseres ved jevnt spredte frekvensbetjente lyskilder over de tre fasene slik at det opplyste området lyser fra alle tre fasene. Denne teknikken ble vellykket brukt under OL i Beijing 2008.

Likerettere kan bruke en trefaset kilde for å produsere en seks-puls DC-utgang. Utgangen til slike likerettere er mye jevnere enn ensrettet enfaset, og i motsetning til enfaset faller den ikke til null mellom pulser. Slike likerettere kan brukes til batterilading, elektrolyseprosesser som aluminiumsproduksjon eller til drift av likestrømsmotorer. "Sikksakk" -transformatorer kan utgjøre ekvivalent med seksfaset fullbølge-utbedring, tolv pulser per syklus, og denne metoden brukes av og til for å redusere kostnadene for filtreringskomponentene, samtidig som kvaliteten på den resulterende likestrømmen forbedres.

Trefaset plugg som tidligere ble brukt på elektriske ovner i Tyskland

Et eksempel på en trefaset belastning er lysbueovnen som brukes i stålfremstilling og ved raffinering av malm.

I mange europeiske land er elektriske ovner vanligvis designet for en trefaset mating med permanent tilkobling. Individuelle varmeenheter kobles ofte mellom fase og nøytral for å muliggjøre tilkobling til en enfaset krets hvis trefase ikke er tilgjengelig. Andre vanlige trefaselaster i husholdningsfeltet er tankløse vannoppvarmingssystemer og oppvarmingsovner . Boliger i Europa og Storbritannia har standardisert seg på en nominell 230 V mellom en fase og en jord. (Eksisterende forsyninger forblir nær 240 V i Storbritannia.) De fleste husgruppene mates fra en trefaset gatetransformator, slik at individuelle lokaler med over gjennomsnittlig etterspørsel kan mates med en andre eller tredje fase tilkobling.

Trefaset elektrisk smartmåler

Den første nye trefasede SMETS2-måleren, utviklet av Aclara Technologies, ble montert på vegne av Storbritannias energileverandør, Good Energy , i Gloucestershire, England i august 2020.

Den første trefasede SMETS2-måleren i en næringseiendom ble installert i Aberdare, Sør-Wales i august 2020.

Fasekonvertere

Fasekonvertere brukes når trefaset utstyr må drives på en enfaset strømkilde. De brukes når trefaset strøm ikke er tilgjengelig eller kostnaden ikke er forsvarlig. Slike omformere kan også tillate at frekvensen varieres, slik at hastighetskontroll kan gjøres. Noen jernbanelokomotiver bruker en enfaset kilde til å drive trefasede motorer matet gjennom en elektronisk stasjon.

En roterende fasekonverter er en trefasemotor med spesielle startarrangementer og effektfaktorkorreksjon som gir balanserte trefasespenninger. Når de er riktig utformet, kan disse roterende omformerne tillate tilfredsstillende drift av en trefasemotor på en enfaset kilde. I en slik enhet utføres energilagringen av tregheten (svinghjulseffekten) til de roterende komponentene. Noen ganger finnes et eksternt svinghjul på den ene eller begge ender av akselen.

En trefasegenerator kan drives av en enfaset motor. Denne motorgenerator-kombinasjonen kan tilby en frekvensvekslerfunksjon samt fasekonvertering, men krever to maskiner med alle sine utgifter og tap. Motorgenerator-metoden kan også danne en avbruddsfri strømforsyning når den brukes i forbindelse med et stort svinghjul og en batteridrevet DC-motor; en slik kombinasjon vil levere nesten konstant effekt sammenlignet med det midlertidige frekvensfallet som et standbygeneratorsett gir til standbygeneratoren starter.

Kondensatorer og autotransformatorer kan brukes til å tilnærme et trefasesystem i en statisk fasekonverter, men spenningen og fasevinkelen til tilleggsfasen kan bare være nyttig for visse belastninger.

Variabler med frekvens og digitale fasekonvertere bruker kraftelektroniske enheter til å syntetisere en balansert trefaset forsyning fra enfaset inngangseffekt.

Testing

Verifikasjon av fasesekvensen i en krets er av betydelig praktisk betydning. To kilder til trefaset strøm må ikke kobles parallelt med mindre de har samme fasesekvens, for eksempel ved tilkobling av en generator til et strømførende distribusjonsnettverk eller ved tilkobling av to transformatorer parallelt. Ellers vil sammenkoblingen oppføre seg som en kortslutning, og overflødig strøm vil strømme. Rotasjonsretningen til trefasemotorer kan reverseres ved å bytte to faser; Det kan være upraktisk eller skadelig å teste en maskin ved å gi motoren et øyeblikkelig strøm til å observere rotasjonen. Fasesekvens for to kilder kan verifiseres ved å måle spenning mellom par av terminaler og observere at terminaler med svært lav spenning mellom dem vil ha samme fase, mens par som viser en høyere spenning er i forskjellige faser.

Der absolutt faseidentitet ikke er nødvendig, kan fasrotasjons testinstrumenter brukes til å identifisere rotasjonssekvensen med én observasjon. Faserotasjonstestinstrumentet kan inneholde en miniatyr trefasemotor, hvis rotasjonsretning kan observeres direkte gjennom instrumenthuset. Et annet mønster bruker et par lamper og et internt faseskiftende nettverk for å vise fasrotasjonen. En annen type instrument kan kobles til en tre-faset motor uten strøm og kan oppdage små spenninger forårsaket av gjenværende magnetisme når motorakselen roteres for hånd. En lampe eller andre indikatorlamper viser spenningssekvensen ved terminalene for den gitte akselrotasjonsretningen.

Alternativer til trefase

Splittfaset elektrisk kraft

Brukes når trefaset strøm ikke er tilgjengelig, og gjør det mulig å levere dobbel normal spenning for høyeffektbelastninger.

To-fase elektrisk kraft

Bruker to AC-spenninger, med et 90-graders faseskift mellom dem. To-fase kretser kan kobles med to par ledere, eller to ledninger kan kombineres, og krever bare tre ledninger for kretsen. Strømmer i den vanlige lederen legger til 1,4 ganger strømmen i de enkelte fasene, så den vanlige lederen må være større. To-fase og tre-fase systemer kan kobles sammen av en Scott-T transformator , oppfunnet av Charles F. Scott . Svært tidlige AC-maskiner, særlig de første generatorene ved Niagara Falls , brukte et tofasesystem, og noen resterende tofasede distribusjonssystemer eksisterer fortsatt, men trefasesystemer har fortrengt tofasesystemet for moderne installasjoner.

Monocyklisk kraft

Et asymmetrisk modifisert tofaset kraftsystem som ble brukt av General Electric rundt 1897, forkjemper av Charles Proteus Steinmetz og Elihu Thomson . Dette systemet ble utviklet for å unngå patentbrudd. I dette systemet ble en generator viklet med en fullfaset enfaset vikling beregnet på belysning av laster og med en liten brøkdel (vanligvis 1/4 av linjespenningen) vikling som produserte en spenning i kvadratur med hovedviklingene. Intensjonen var å bruke denne "kraftledningen" ekstra viklingen for å gi startmoment for induksjonsmotorer, med hovedviklingen som gir strøm for belysning. Etter utløpet av Westinghouse-patenter på symmetriske tofasede og trefasede kraftdistribusjonssystemer, falt det monocykliske systemet ut av bruk; den var vanskelig å analysere og varte ikke lenge nok til at tilfredsstillende energimåling ble utviklet.

Systemer i høy fase

Har blitt bygget og testet for kraftoverføring. Slike overføringslinjer vil vanligvis bruke seks eller tolv faser. Overfasingslinjer i høyfaseordre tillater overføring av litt mindre enn proporsjonalt høyere effekt gjennom et gitt volum uten bekostning av en høyspent likestrøm (HVDC) omformer i hver ende av linjen. Imidlertid krever de tilsvarende flere utstyr.

DC

AC ble historisk brukt fordi den lett kunne transformeres til høyere spenninger for langdistanseoverføring. Imidlertid kan moderne elektronikk øke spenningen til likestrøm med høy effektivitet, og likestrøm mangler hudeffekt som gjør at overføringskabler kan være lettere og billigere, og derfor gir høyspennings likestrøm lavere tap over lange avstander.

Fargekoder

Ledere i et trefasesystem identifiseres vanligvis med en fargekode, for å muliggjøre balansert belastning og for å sikre riktig fasrotasjon for motorer . Farger som brukes kan følge Internasjonal Standard IEC 60446 (senere IEC 60445 ), eldre standarder eller ingen standard i det hele tatt og kan variere selv i en enkelt installasjon. For eksempel, i USA og Canada, brukes forskjellige fargekoder for jordede (jordede) og ujordede systemer.

Se også

Merknader

Referanser

Eksterne linker

• Strømhistorikk og tidslinje