Трифазні системи живлення Багатофазні схеми змінного струму Підручник з електроніки
Розділ 10 - Багатофазні схеми змінного струму
Що таке розділені фази енергосистем?
Розділенофазні енергосистеми досягають своєї високої ефективності провідника та низького ризику безпеки, розподіляючи загальну напругу на менші частини та подаючи кілька навантажень при тих менших напругах, отримуючи струми на рівнях, типових для системи повної напруги.
Ця техніка, до речі, працює так само добре для систем живлення постійного струму, як і для однофазних систем змінного струму. Такі системи зазвичай називають трипровідними, а не роздільно-фазовими, оскільки поняття "фаза" є обмеженим до змінного струму.
Але ми знаємо з нашого досвіду роботи з векторами та комплексними числами, що напруги змінного струму не завжди складаються, як ми думаємо, зробили б, якщо вони не входять у фазу між собою.
Цей принцип, застосований до енергосистем, може бути використаний для створення енергосистем з ще більшою ефективністю провідника та меншою небезпекою удару, ніж із розділеною фазою.
Приклади
Два джерела фазової напруги на 120 °
Припустимо, що у нас було два джерела змінного струму, підключених послідовно, подібно до роздільно-фазної системи, яку ми бачили раніше, за винятком того, що кожне джерело напруги було на 120 ° поза фазою з іншим: (Малюнок нижче)
Пара джерел 120 В змінного струму з фазою 120 °, подібно до розділеної фази.
Оскільки кожне джерело напруги дорівнює 120 вольт, а кожен резистор навантаження підключений безпосередньо паралельно своєму відповідному джерелу, напруга на кожному навантаженні також має становити 120 вольт. Враховуючи струм навантаження 83,33 ампер, кожне навантаження все одно повинно розсіювати 10 кіловат потужності.
Однак напруга між двома «гарячими» проводами не становить 240 вольт (120 ∠ 0 ° - 120 ∠ 180 °), оскільки різниця фаз між двома джерелами не становить 180 °. Натомість напруга:
Номінально ми говоримо, що напруга між «гарячими» провідниками становить 208 вольт (округлення вгору), і, отже, напруга енергосистеми позначається як 120/208.
Якщо ми обчислюємо струм через «нейтральний» провідник, ми виявляємо, що він не дорівнює нулю, навіть із збалансованими опорами навантаження. Поточний закон Кірхгофа говорить нам, що струми, що надходять і виходять із вузла між двома навантаженнями, повинні бути нульовими: (Малюнок нижче)
Нейтральний провід несе струм у випадку пари фазових джерел 120 °.
Висновки та висновки
Отже, ми виявляємо, що «нейтральний» провід несе цілих 83,33 ампер, як і кожен «гарячий» провід.
Зверніть увагу, що ми все ще передаємо 20 кВт загальної потужності на два вантажі, при цьому «гарячий» провід кожного вантажу несе 83,33 ампер, як і раніше.
При однаковій кількості струму через кожний «гарячий» провід ми повинні використовувати однакові мідні провідники, тому ми не зменшили витрати на систему порівняно з двофазною системою 120/240.
Однак ми усвідомили виграш у безпеці, оскільки загальна напруга між двома «гарячими» провідниками на 32 вольт нижча, ніж у розділеній фазі (208 вольт замість 240 вольт).
Три джерела фази напруги 120 °
Той факт, що нульовий провід несе 83,33 ампер струму, створює цікаву можливість: оскільки він і так несе струм, чому б не використати цей третій провід як ще один «гарячий» провідник, живлячи інший резистор навантаження з третім джерелом 120 вольт з фазовим кутом 240 °?
Таким чином, ми могли б передавати більше потужності (ще 10 кВт) без необхідності додавати більше провідників. Давайте подивимося, як це може виглядати: (Малюнок нижче)
При третьому навантаженні, фазованому 120 ° до двох інших, струми такі ж, як і для двох навантажень.
Розрахунки SPICE для трифазної системи
Повний математичний аналіз усіх напруг і струмів у цій схемі потребує використання теореми мережі, найпростішою з яких є теорема суперпозиції.
Я позбавлю вас довгих затяжних розрахунків, тому що ви повинні мати можливість інтуїтивно зрозуміти, що три джерела напруги під трьома різними фазовими кутами подають по 120 вольт на збалансовану тріаду навантажувальних резисторів.
Для підтвердження цього ми можемо використовувати SPICE для розрахунку за нас: (Малюнок нижче, список SPICE: багатофазна енергосистема 120/208)
Схема SPICE: Три 3-Φ навантаження, фазовані при 120 °.
Звичайно, ми отримуємо 120 вольт на кожному резисторі навантаження, з (приблизно) 208 вольтами між будь-якими двома «гарячими» провідниками та струмами провідників, рівними 83,33 ампер. (Малюнок нижче)
При цьому струмі та напрузі кожне навантаження буде розсіювати 10 кВт потужності.
Зверніть увагу, що ця схема не має “нейтрального” провідника, щоб забезпечити стабільну напругу на всіх навантаженнях, якщо їх слід розімкнути.