Capitolul 10 - Circuite AC polifazice

Ce este sistemele de alimentare în fază divizată?

Sistemele de alimentare în fază divizată ating eficiența ridicată a conductorului și riscul scăzut de siguranță prin împărțirea tensiunii totale în părți mai mici și alimentarea sarcinilor multiple la acele tensiuni mai mici, în timp ce atrag curenți la niveluri tipice unui sistem de tensiune completă.

Apropo, această tehnică funcționează la fel de bine pentru sistemele de alimentare de curent continuu ca și pentru sistemele de curent alternativ monofazate. Astfel de sisteme sunt de obicei denumite sisteme cu trei fire, mai degrabă decât split-phase, deoarece „phase” este un concept limitat la AC.

Dar știm din experiența noastră cu vectori și numere complexe că tensiunile de curent alternativ nu se adaugă întotdeauna așa cum credem că ar fi dacă ar fi defazate între ele.

Acest principiu, aplicat sistemelor de alimentare, poate fi folosit pentru a produce sisteme de alimentare cu eficiență chiar mai mare a conductorilor și pericol de șoc mai mic decât în ​​cazul fazei divizate.

Exemple

Două surse de tensiune de 120 ° în afara fazei

Să presupunem că am avut două surse de tensiune alternativă conectate în serie la fel ca sistemul în fază divizată pe care l-am văzut înainte, cu excepția faptului că fiecare sursă de tensiune a fost 120 ° defazată cu cealaltă: (Figura de mai jos)

alimentare

Pereche de surse de 120 Vac, fazate la 120 °, similar cu faza divizată.

Deoarece fiecare sursă de tensiune este de 120 de volți și fiecare rezistor de sarcină este conectat direct în paralel cu sursa respectivă, tensiunea pe fiecare sarcină trebuie să fie de asemenea de 120 de volți. Având în vedere curenți de sarcină de 83,33 amperi, fiecare sarcină trebuie să disipeze încă 10 kilowați de putere.

Cu toate acestea, tensiunea dintre cele două fire „fierbinți” nu este de 240 volți (120 ∠ 0 ° - 120 ∠ 180 °) deoarece diferența de fază dintre cele două surse nu este de 180 °. În schimb, tensiunea este:

Nominal, spunem că tensiunea dintre conductorii „fierbinți” este de 208 volți (rotunjind în sus) și, astfel, tensiunea sistemului de alimentare este desemnată ca 120/208.

Dacă calculăm curentul prin conductorul „neutru”, constatăm că nu este zero, chiar și cu rezistențe de sarcină echilibrate. Legea actuală a lui Kirchhoff ne spune că curenții care intră și ies din nod între cele două sarcini trebuie să fie zero: (Figura de mai jos)

Sârmă neutră transportă un curent în cazul unei perechi de surse fazate la 120 °.

Constatări și concluzii

Deci, constatăm că firul „neutru” poartă un 83,33 amperi, la fel ca fiecare fir „fierbinte”.

Rețineți că transmitem încă 20 kW de putere totală către cele două încărcături, cu firul „fierbinte” al fiecărei încărcături transportând 83,33 amperi ca înainte.

Cu aceeași cantitate de curent prin fiecare fir „fierbinte”, trebuie să folosim aceiași conductori de cupru cu ecartament, deci nu am redus costurile de sistem față de sistemul 120/240 în fază divizată.

Cu toate acestea, am realizat un câștig în siguranță, deoarece tensiunea totală dintre cei doi conductori „fierbinți” este cu 32 de volți mai mică decât în ​​sistemul cu fază divizată (208 volți în loc de 240 volți).

Trei surse de tensiune de 120 ° în afara fazei

Faptul că firul neutru transportă 83,33 amperi de curent ridică o posibilitate interesantă: întrucât transportă curent oricum, de ce să nu folosim cel de-al treilea fir ca un alt conductor „fierbinte”, alimentând un alt rezistor de sarcină cu o a treia sursă de 120 volți având un unghi de fază de 240 °?

În acest fel, am putea transmite mai multă putere (încă 10 kW) fără a mai fi nevoie să adăugăm conductori. Să vedem cum ar putea arăta acest lucru: (Figura de mai jos)

Cu o a treia sarcină fazată la 120 ° față de celelalte două, curenții sunt aceiași ca pentru două sarcini.

Calcule SPICE pentru sistem trifazat

O analiză matematică completă a tuturor tensiunilor și curenților din acest circuit ar necesita utilizarea unei teoreme de rețea, cea mai ușoară fiind Teorema superpoziției.

Vă voi scuti de calculele lungi, extrase, pentru că ar trebui să puteți înțelege intuitiv că cele trei surse de tensiune la trei unghiuri de fază diferite vor furniza 120 de volți fiecare la o triadă echilibrată de rezistențe de sarcină.

Pentru a demonstra acest lucru, putem folosi SPICE pentru a face calculele pentru noi: (Figura de mai jos, listarea SPICE: sistem de alimentare polifazată 120/208)

Circuit SPICE: Trei sarcini 3-Φ fazate la 120 °.

Destul de sigur, obținem 120 de volți pe fiecare rezistor de sarcină, cu (aproximativ) 208 de volți între oricare doi conductori „fierbinți” și curenți de conductori egali cu 83,33 amperi. (Figura de mai jos)

La acel curent și tensiune, fiecare sarcină va disipa 10 kW de putere.

Observați că acest circuit nu are un conductor „neutru” pentru a asigura o tensiune stabilă la toate sarcinile dacă ar trebui să se deschidă.

Ceea ce avem aici este o situație similară circuitului nostru de alimentare în fază divizată, fără conductor „neutru”: dacă o sarcină ar trebui să se deschidă, tensiunea scade pe sarcina (sarcinile) rămasă (i) se va schimba.

Pentru a asigura stabilitatea tensiunii de încărcare în cazul unei alte deschideri de sarcină, avem nevoie de un fir neutru pentru a conecta nodul sursă și nodul de încărcare împreună:

Circuit SPICE adnotat cu rezultate de simulare: Trei 3-Φ sarcini fazate la 120 °.

Atâta timp cât sarcinile rămân echilibrate (rezistență egală, curenți egali), firul neutru nu va trebui să transporte deloc curent. Este acolo doar în cazul în care unul sau mai multe rezistențe de sarcină ar trebui să nu se deschidă (sau să fie oprite printr-un comutator de deconectare).

Circuit polifazic

Acest circuit pe care l-am analizat cu trei surse de tensiune se numește circuit polifazat. Prefixul „poli” înseamnă pur și simplu „mai mult de unul”, ca în „politeism” (credința în mai multe zeități), „poligon” (o formă geometrică formată din mai multe segmente de linie: de exemplu, pentagon și hexagon) și „ poliatomică ”(o substanță compusă din mai multe tipuri de atomi).

Deoarece sursele de tensiune sunt toate la unghiuri de fază diferite (în acest caz, trei unghiuri de fază diferite), acesta este un circuit „polifazat”.

Mai precis, este un circuit trifazat, de tipul utilizat în principal în sistemele mari de distribuție a energiei.

Sistem trifazat versus sistem monofazat

Sistem monofazat

Să analizăm avantajele unui sistem de alimentare trifazat față de un sistem monofazat cu tensiune de încărcare și capacitate de putere echivalente. Un sistem monofazat cu trei sarcini conectate direct în paralel ar avea un curent total foarte mare (83,33 ori 3 sau 250 amperi. (Figura de mai jos)

Pentru comparație, trei sarcini de 10 Kw pe un sistem de 120 Vac trag 250 A.

Acest lucru ar necesita 3/0 sârmă de cupru gage (foarte mare!), La aproximativ 510 lire sterline pe mie de picioare și cu un preț considerabil atașat. Dacă distanța de la sursă la încărcare a fost de 1000 de picioare, am avea nevoie de peste o jumătate de tonă de sârmă de cupru pentru a face treaba.

Sistem în fază divizată

Pe de altă parte, am putea construi un sistem split-fază cu două sarcini de 15 kW, 120 volți. (Figura de mai jos)

Sistemul în fază divizată atrage jumătate din curentul de 125 A la 240 Vac comparativ cu sistemul 120 Vac.

Curentul nostru este jumătate din ceea ce era cu circuitul paralel simplu, ceea ce reprezintă o mare îmbunătățire.

Am putea scăpa folosind sârmă de cupru de calibru numărul 2 la o masă totală de aproximativ 600 de lire sterline, calculând aproximativ 200 de lire sterline pe mia de picioare, cu trei curse de câte 1000 de picioare între sursă și sarcini. Cu toate acestea, trebuie să luăm în considerare și riscul crescut de siguranță al prezenței 240 volți în sistem, chiar dacă fiecare sarcină primește doar 120 volți.

În general, există un potențial mai mare pentru apariția unui șoc electric periculos.

Sistem trifazat

Când contrastăm aceste două exemple cu sistemul nostru trifazat (Figura de mai sus), avantajele sunt destul de clare.

În primul rând, curenții conductorilor sunt destul de puțini (83,33 amperi față de 125 sau 250 amperi), permițând utilizarea unui fir mult mai subțire și mai ușor. Putem folosi sârmă de calibru numărul 4 la aproximativ 125 de lire pe mie de picioare, care va totaliza 500 de lire (patru curse de 1000 de picioare fiecare) pentru circuitul nostru de exemplu.

Aceasta reprezintă economii semnificative de costuri față de sistemul în fază divizată, cu avantajul suplimentar că tensiunea maximă din sistem este mai mică (208 față de 240).

O întrebare rămâne de răspuns: cum obținem în lume trei surse de tensiune alternativă ale căror unghiuri de fază sunt la o distanță de exact 120 °?

Evident, nu putem atinge central un înfășurare a transformatorului sau alternatorului, așa cum am făcut în sistemul split-phase, deoarece acest lucru ne poate oferi doar forme de undă de tensiune care sunt fie în fază, fie la 180 ° defazate.

Poate că am putea găsi o modalitate de a folosi condensatori și inductoare pentru a crea defazări de 120 °, dar apoi aceste defazări ar depinde și de unghiurile de fază ale impedanțelor noastre de sarcină (înlocuirea unei sarcini capacitive sau inductive pentru o sarcină rezistivă s-ar schimba Tot!).

Cel mai bun mod de a obține schimbările de fază pe care le căutăm este să îl generăm la sursă: construiți un generator de curent alternativ (alternator) asigurând puterea în așa fel încât câmpul magnetic rotativ să treacă prin trei seturi de înfășurări de sârmă, fiecare set distanțate la 120 ° în jurul circumferinței mașinii ca în figura de mai jos.

(a) Alternator monofazat, (b) Alternator trifazat.

Împreună, cele șase înfășurări „pol” ale unui alternator trifazat sunt conectate pentru a cuprinde trei perechi de înfășurare, fiecare pereche producând tensiune alternativă cu un unghi de fază 120 ° deplasat față de oricare dintre celelalte două perechi de înfășurare.

Conexiunile dintre perechile de înfășurări (așa cum se arată pentru alternatorul monofazat: firul jumper între înfășurările 1a și 1b) au fost omise din desenul alternatorului trifazat pentru simplitate.

În exemplul nostru de circuit, am arătat cele trei surse de tensiune conectate împreună într-o configurație „Y” (uneori numită configurație „stea”), cu un cablu din fiecare sursă legat de un punct comun (nodul în care am atașat „neutrul” conductor).

Modul obișnuit de a descrie această schemă de conectare este de a desena înfășurările în formă de „Y”, ca în figura de mai jos.

Configurarea alternatorului „Y”.

Configurația „Y” nu este singura opțiune deschisă pentru noi, dar este probabil cea mai ușor de înțeles la început. Mai multe despre acest subiect mai târziu în capitol.

REVIZUIRE:

  • Un sistem de alimentare monofazat este unul în care există o singură sursă de tensiune AC (o formă de undă de tensiune cu o sursă).
  • Un sistem de alimentare în fază divizată este unul în care există două surse de tensiune, deplasate la 180 ° una de cealaltă, alimentând două sarcini conectate în serie. Avantajul acestui lucru este capacitatea de a avea curenți de conductori mai mici, menținând în același timp tensiuni de sarcină reduse din motive de siguranță.
  • Un sistem de alimentare polifazat folosește mai multe surse de tensiune la unghiuri de fază diferite între ele (multe „faze” ale formelor de undă de tensiune la locul de muncă). Un sistem de alimentare polifazat poate furniza mai multă putere la o tensiune mai mică cu conductori cu gage mai mici decât sistemele monofazate sau split-fazate.
  • Sursele de tensiune defazate necesare unui sistem de alimentare polifazat sunt create în alternatoare cu mai multe seturi de înfășurări de sârmă. Aceste seturi de înfășurare sunt distanțate în jurul circumferinței rotației rotorului la unghiul (unghiurile) dorit (e).