Neden üç fazlı güç? Neden daha fazla sayıda faz olmasın?

Tarihsel nedenlerin ötesinde, üç fazın baskın faz sayısı haline gelmesinin bir nedeni var mı?

Bir faza ve iki faza, yani gerekli iletken miktarının azaltılmasının ve motorların durduğunda (ve daha az titreşimli) tork sağlayabileceğinin avantajlarının farkındayım.

Bunun nedeni, artan karmaşıklık pahasına (artan tel sayısı (daha küçük CSA)) pahasına, yalnızca tork uygulamasının pürüzsüzlüğünde küçük bir artışla, azalan verimlerden kaynaklanmaktadır.

Açık olmak gerekirse, fazların hepsi eşit bir şekilde dağılmıştır, yani 72 faz ile ayrılmış beş faz.

PlasmaHH'nin cevabına ek olarak, endüstri neredeyse yalnızca üç fazlı güç kullanır çünkü bir endüksiyon motorunun bilinen bir doğrultuda başlatılması ve çalıştırılması için en az üç fazlı bir kaynağa ihtiyacı vardır. Tek fazlı asenkron motorlar, aynıları yapmak için kayıplı, güvenilmez ve pahalı hileler gerektirir (ekstra sargılar, kayıplı sargılar, hıza duyarlı anahtar, kapasitörler vb.).

Arz ızgarası, üretim ve teslimat açısından en verimli olduğu için üç faza dayanmaktadır. Örneğin 9 fazlı bir ızgara kullanmak, tüm dağıtım ızgarası için 9 kablo kullanılmasını gerektirir, uygun maliyetli değildir.

Bahsedilen yüksek dereceli motorlar hat tarafından üretilen fazları kullanmaz. Kademeli motorlar daha hassas kontrol için daha fazla faz kullanır. Yüksek dereceli çok fazlı redresörler, dalgalanmayı azaltmak için genellikle daha fazla "faz" ile tasarlanmıştır, ancak fazlar yerel olarak, girişin bir şekilde doğrudan LC kayması veya bir motor jeneratör seti kullanılarak faz kaydırılmasıyla üretilir.

Tek fazlı güç dağıtımına sahip olduğunuzda, her ikisi de aynı akımı taşıyan bir faza ve bir geri dönüşe ihtiyacınız vardır.

Şimdi bunun yerine simetrik üç fazlı güç kullanıyorsanız, mevcut taşıma kabiliyetinin üçte birini kullanarak üç faz kullanırsınız ve nötrden kurtulabilirsiniz. Bu sadece bakırdan biraz tasarruf sağlar. Şimdi daha fazla faz eklerseniz, daha fazla bakır kaydedemezsiniz, ancak yalnızca karmaşıklık ekleyin.

Eğer varsa asimetrik üç fazlı güç, sen nötr kurtulmak değil, ancak karşılığında tüm üç aşamadan birleşik akımını idare edebilmek için gerek yoktur. Yine bazı bakırlar kaydedildi. Ancak daha fazla faz eklemek, nötr için gereken bakır miktarını o kadar azaltamayacak.

Yani evet, sonuçta ortalama uygulamada neredeyse hiç kazanç için daha fazla maliyet. Böylece çok özel şeyler için sadece üç fazdan fazlasını bulacaksınız.

Üçü, dairenin etrafına eşit aralıklarla yerleştirilmiş ve belirli bir yönde dönen bir manyetik alan oluşturmak için kullanılabilecek en düşük faz sayısıdır.

Daha fazla faz sadece bir endüksiyon motorunda daha fazla kablo ve daha fazla sargı gerektirir.

İki faz 90 derece aralıklıysa (" dörtlü ") döner bir manyetik alan kurabilir . Çalışma kapasitörleri gibi dörtlü üreteçli hileler , tek fazlı gücü kesen endüksiyon motorlarında kullanılır.

İki fazlı güç avantajları olmadığı ortaya çıktı. Motorlar üç fazda daha düzgün çalışır ve dengeli iki faz dört iletken gerektirir, üç faz sadece üç gerektirir. Yani, üç fazlı bir jeneratörü, tam olarak üç kablo kullanarak üç fazlı bir endüksiyon motoruyla bağlayabiliriz. Üç kablolu iki faz mümkündür, ancak dengeli olmaz. İletkenlerden ikisi fazları taşıyacak ve üçüncü iletken nötr görevi görecektir. Bunun anlamı, bir kablonun diğer ikisi için bir geri dönüş görevi gördüğü için daha fazla akımı kullanması gerektiğidir. Üç faz altındaki üç iletkenin hepsi aynı akımı taşır: dengelenmişler.

Tüm bu nedenlerden ötürü, üç faz bir optimumu temsil eder. Elektrik endüksiyon motorları için kullanılıyorsa, üç fazdan fazlası israflıdır ve bu yüzden üçten azdır.

Bununla birlikte, iki fazlı sistemler kullanılmış, altı ve on iki fazlı gibi daha yüksek dereceli fazlı sistemler de kullanılmaya devam etmiş, çünkü bazı özel avantajları var.

Diğer cevaplara eklenme:

Asıl amaç, en az üç faza sahip olmanız, motorunuzun beklenen yönde çalışmasına izin vermesidir. Tek fazlı asenkron motorlar için bazı geçici çözümler gereklidir (başlatma sırasında kullanılan bir kondansatöre ek kablo döşemek gibi). Önceki cevaplarda doğru bir şekilde açıklandı.

Neden daha fazla değil? Basitçe - gerekli değildir ve maliyet yaratır. Bu sadece kabloların sorunu değil (bakırın kullanılması, izolasyonun kullanılması) aynı zamanda yapım problemidir. 9 fazlı havai hatlar için bir kule düşünebiliyor musunuz? Eh, muhtemelen yapabilirsiniz - bazen biri iki fazlı iki hatta daha fazlasını tutan kulelerle karşılaşabilir:

(Wikipedia'dan resim)

Buradaki asıl sorun, iletkenlerin ve iletkenlerin ve malzemelerin büyük oranda kullanılmasını gerektiren topraklama (veya kule yapısı) arasında uygun yalıtım mesafesini sağlamaktır.

Ayrıca, daha fazla fazınız varsa, başarısızlık olasılığı daha yüksektir. Tabii ki, bu durumda (örneğin - kesik bir iletken) toplam asimetri daha düşük olacaktır, ancak tüm hattın kapatılması gerekliliği riski daha yüksek olacaktır.

Daha fazla faz için bir jeneratör oluşturmak da karmaşıktır. Tipik olarak, düşük hızda hidrojenatörlerin birçok kutup çifti vardır, bu yüzden 24 kutup çifti değil, bir veya iki (örneğin, 12 faz için) vermek uygun olur, ancak termal jeneratör-türbin birimleri için karmaşıktır. Genellikle bir kutup çifti vardır, bazen iki. Bu, 3000 rpm hıza (50 Hz ağ için) yol açar. Statorun mümkün olan en düşük riski taşıyan böyle bir makineden güç alması gerekir, bu nedenle daha az faz, sırayla kısa devre şansı anlamına gelir. Daha fazla fazın tanıtılması, çok daha pahalı stator yapımı gerektirecektir.

Ayrıca, bugün bir güç elektroniği frekans dönüştürücüsüne sahip olmak, evreleri çarpmak, rektifiye etmek vb. Bir sorun olmasa bile, bunun sadece 30 yıl önce ve elbette bir sorun olduğunu unutmayın. Sonra insanlar üç faz kullanmaya karar verdiler ve şimdi geçiş yapmak imkansız.

Neden sadece 3 faz? Daha fazla faza ihtiyacımız olursa, 3 fazı, bunu yapmak için kablolu bir transformatör kullanarak 6 faz / 12 faza vb. Kolayca dönüştürebiliriz. Daha fazla fazın ana uygulaması tam köprülü rektifiye edilmiş kondansatör bankına daha az dalgalanma voltajı sağlamaktır. Daha önce hiç görmedim ama onlar hakkında elektrik mühendisliği yaparken üniversitedeki eski bir öğretim görevlisinden öğrendim.

Ayrıca, 3 fazlı bir bağlantıya bağlı 3 eşleştirilmiş direnç delta konfigürasyonumuz olduğunu söyleyelim. Zamanla kullanılan güç DC ile çalışan bir dirençle aynı olacaktır, çünkü bir faz% 0 olduğunda diğer iki faz% 66,66 ve% 33,33 olacaktır ve doğru hatırlıyorsam. Bu ilişki aynı zamanda bir evreden gelen gücün diğer evreleri geri çevireceği anlamına gelir. 3 faz harika değil mi!

Özetlemek gerekirse, ek aşamalara gerek yoktur, çünkü sonunda kolayca daha fazla aşamaya dönüştürebilirsiniz. Genellikle 3 faz zaten harika olduğu için yapılmaz.

Bu yardımcı olur umarım.

Üç fazın çok önemli bir özelliği vardır: Eğer üç fazın hepsinde güce (V ^ 2 / R) bakarsanız ve toplarsanız, bu güç tüm döngü boyunca SABİT olur. Bu, 3 fazlı motorların sabit bir güçte kullanabileceği ve jeneratörlerin sabit bir yük gördüğü anlamına gelir. Bu ilişkiyi elde etmek için 2 faz yetersiz.

Biri daha yüksek faz sayımları kullanabilir, ancak kablo bağlanması daha fazla maliyetlidir ve çoğu durumda herhangi bir ek avantaj sağlamaz. 3 faz seçilmiştir çünkü iyi özelliklere sahip minimum kablo sayısıdır.

Diğer cevapların çoğu, bir motorun güvenilir bir şekilde çalışması veya belirli bir yöne dönmesi ve sürekli güç kullanması için 3 faza ihtiyacınız olduğunu yanlış bir şekilde belirtir. Aslında, bu, birbirlerinden 90 ° uzakta iki faz ile yapılabilir. Yine de tanımlanmış yön ve bir döngü boyunca sabit güç çekimi elde edersiniz.

Bununla birlikte, böyle bir iki fazlı sistem asgari üç tel gerektirecektir, ancak üç telin içinden geçen akım sabit güç yükü için simetrik olmayacaktır. Öyleyse yine de üç kabloya ihtiyacınız varsa, bu üç kabloyu mümkün olduğu kadar verimli ve esnek bir şekilde kullanmanın en iyi yolu nedir? Cevap aslında kullandığımız üç fazlı sistemdir. 90 ° faz dışı bir ortak ve iki "sıcak" hat yerine, her ikisi de diğer 120'den faz dışı üç simetrik sıcak hattınız var. Simetrik 3 fazlı bir sistem için ortalama gerilimin (ve dengeli bir yük için akımın) her zaman 0 olduğunu unutmayın. Bu 2 fazlı bir sistem için doğru değildir.

Daha fazla aşama, size istenen herhangi bir ek özellik sağlamaz, bu yüzden sadece karmaşıklık ve maliyet katacaktır.

Gerilim, tanım olarak, iki iletken arasındadır. Eğer bir iletkeniniz varsa, voltajınız yoktur. Gerilim yok, güç yok, hiçbir şey olmuyor. Çok kullanışlı değil.

İki iletkeniniz varsa, bir gerilime izin veren bir çiftiniz (2C2) vardır. Biz buna tek faz diyoruz. Şimdi aslında olayları başarabiliriz, bu sadece bir iletkene göre çok büyük bir avantaj. Ama sadece bir şeyi gerçekleştirebilirsin; Yükün nasıl bağlanabileceği konusunda bir değişiklik yoktur. Başka bir deyişle, voltaja yalnızca bir boyut gelir: pozitif veya negatif. Yaygın sorunlardan biri, tek fazlı bir motoru doğrudan bir AC hattına bağladığınızda, hangi yöne döneceğine ya da herhangi bir şekilde yapıp yapamayacağına dair hiçbir garantinizin olmadığıdır.

Üç iletkeniniz varsa, üç gerilime izin veren üç çiftiniz (3C2) vardır. Biz buna üç faz diyoruz. Şimdi farklı zamanlarda üç şeyin olmasını sağlayabiliriz . Örneğin, bir daire içinde düzenlenmiş üç elektromıknatısa sahip olabilir ve hepsini bir sırada açabilirsiniz. Şimdi bir motorun hangi yönde döneceğini garanti edebiliriz. Bu, tek faza göre önemli bir avantajdır. Başka bir deyişle, şu anda gerilime iki boyutumuz var ; iki boyutlu uzayda bir vektör ile temsil edilir. İki olası dönüş yönüne karşılık gelen yalnızca iki olası iletken düzenleme ((3-1)!) Vardır.

Bunu dört iletkene uzatırsanız, altı çiftiniz (4C2) olur, bu yüzden bir sonraki adım altı fazlı voltajdır. Altı fazın üç fazın üzerinde hangi avantajları olurdu? Eh, şimdi var (4-1)! = 6 muhtemel iletken düzenek düzenlemeleri, yani bir düzlemde dönecek bir şeye neden olmaya çalışıyorsanız, şeyleri bununla tutarlı olmayan bir şekilde bağlayabileceğiniz anlamına gelir. Yani altı sargılı bir endüksiyon motorunuz varsa, onu sadece bir yön veya diğerinden ziyade, normal hızın yarısında korkunç titreşecek ve dönecek şekilde takmanız mümkün olacaktır. Bu bir artı değil.

Ancak, rotorunuzun bir yerine üç derecelik dönme serbestliğine sahip olduğunu varsayalım. Altı faz ve uygun bir manyetik kutup düzeneği düzenlemesiyle , sabit konumda yüzen küresel bir rotorda dönme (yuvarlanma, adım ve yalpalama) meydana gelebilir . Böyle bir şey bildiğim kadarıyla olmadığından, bu gerçekten yararlı bir uygulama olarak nitelenmiyor. (Belki de manyetik kutupların bir bedenin etrafında döndüğü, yerçekimsiz bir ortamda? Fakat o zaman, hepsi nasıl aynı altı-fazlı AC hattına bağlı?) Tabii ki, dört boyutlu bir alanda, sahip olabileceğimiz Böyle bir sistem ve hala üç dönme yönünün hepsini de küresel stator / rotor düzeneğimizin dışındaki başka bir yüke çevirirseniz, bu düzenek hella faydalı olabilir.

Bu arada, 3 + 1 uzaya geri döndüğümde, endüstriyel güç elektroniği dünyasında çalışıyorum ve başka cevaplarda bahsettiğim faz kayma transformatörlerini kullanan sistemler gördüm. Bir isimlendirme meselesi olarak, konuştuğum hiç kimse, "altı faz" oluşturmak üzere üç faz dışı AC bacağı üretmek için bir faz kayması transformatörü kullanmayı tanımlamaz. (Matematiğimde, onbeş faza sahip olacaktınız, ama bu hala kullanılan dil değil.) Bir redresörden üç fazı bir kap içine geçirirken, döngü başına altı akım alırsınız. Bu tür bir sistem için, on iki darbe alırsınız, böylece bu tür sisteme on iki darbe denir.

(Genel olarak, on iki darbeli doğrultucu iki altı darbeli redresördür. İki motor sürücünüz varsa, DC bus'larını doğrudan birbirine bağlayabilir ve her birini farklı bir üç fazlı setle besleyebilirsiniz. Veya tek başına bir set için redresör kullanın ve DC girişini kalan sürücüye besleyin.)

Altı darbeli bir redresörü on iki darbeli bir redresörle aynı yüklerle karşılaştırıyorsanız, her akım darbesi aynı yükü süren daha fazla olmalarını telafi etmek için daha küçük olmalıdır . Bu, hattaki genel akımı, sinüs dalgasına benzeyen bir şekilde gösterir, yani harmonikler azalır. Kapaklar üzerindeki dalgalanma da daha düşüktür, ancak bunun hakkında çok endişelenecek birini tanımıyorum.

Onsekiz darbeli bir sistem ve üç redresör ile daha büyük harmonik iyileştirmeleri sağlanabilir. (36-faz!) Yüksek voltaj ve güçlerde, daha fazla sayıda paralel doğrultucu bulunabilir. Orta gerilim VFD hattındaki bu belge 11 kV'da 54 darbeli bir redresöre referans veriyor!

TL; DR

Üç fazlı güç bize üç boyutlu bir uzayda faydalı olanın sınırı olan bir dönme serbestlik derecesi verir.

Diğer bir basit sebep: Ek fazlar mevcut olanlara "iki benzer" olacaktır. Başka bir ifadeyle: Herhangi bir ilave faz, mevcut üç tel arasındaki voltajların doğrusal bir birleşimi olabilir - sinüs ve kosinüsün kapsadığı vektör alanı sadece iki boyutludur.

Sorunun bir başka yönü, yüksek gerilimli iletim hatları için iletken geometrileri konusudur. Üç hatlı olarak, endüktans ve indüklenmiş çapraz karışma akımları problemleri en aza indirgenir ve ilave bir iletken çokluğu olmasından daha kolay filtrelenir. Maliyetler, daha fazla iletken içeren avantajlardan daha hızlı artar.

Power Technologies Inc. şirketinin kurucusu Lionel Barthold bu durumu şöyle açıkladı:

" Neden 3 Fazlı Güç? Neden 6 ya da 12 Değil? "

Daha yüksek faz sistemleri tasarlamasına rağmen, özellikle de trafo merkezlerinde ihtiyaç duyulan tüm trafolar için azalan getiriler nedeniyle pratik olmadıklarını söylüyor. Faz sayısını iki katına çıkardığınızda, alt istasyonlardaki ekipman miktarını da iki katına çıkarmanız gerekir.