Dreiphasen-Stromversorgungssysteme

Was sind Split-Phase Power Systems?

Split-Phase-Stromsysteme erreichen ihren hohen Leiterwirkungsgrad und Geringes Sicherheitsrisiko durch Aufteilen der Gesamtspannung in kleinere Teile und Betreiben mehrerer Lasten mit diesen niedrigeren Spannungen, während Ströme auf den für ein Vollspannungssystem typischen Werten gezogen werden.

Diese Technik funktioniert übrigens für Gleichstromsysteme genauso gut wie für einphasige Wechselstromsysteme. Solche Systeme werden normalerweise als Dreidraht bezeichnet Systeme statt Split-Phase weil „Phase“ ein auf Wechselstrom beschränkter Begriff ist.

Aber wir wissen aus unserer Erfahrung mit Vektoren und komplexen Zahlen, dass sich Wechselspannungen nicht immer so addieren, wie wir denken, wenn sie phasenverschoben sind.

Dieses auf Stromnetze angewendete Prinzip kann genutzt werden, um Stromsysteme mit noch höheren Leiterwirkungsgraden und geringerer Stromschlaggefahr als bei Split-Phase zu bauen.

Beispiele

Zwei 120° phasenverschobene Spannungsquellen

Angenommen, wir hätten zwei Wechselspannungsquellen in Reihe geschaltet, genau wie das zuvor gesehene Split-Phase-System, außer dass jede Spannungsquelle um 120° phasenverschoben war:(Abbildung unten)

Paar von 120-VAC-Quellen mit 120°-Phase, ähnlich der Split-Phase.

Da jede Spannungsquelle 120 Volt beträgt und jeder Lastwiderstand direkt parallel zu seiner jeweiligen Quelle geschaltet ist, muss die Spannung an jeder Last muss 120 Volt sein. Bei Lastströmen von 83,33 Ampere muss jede Last immer noch 10 Kilowatt Leistung verbrauchen.

Die Spannung zwischen den beiden „heißen“ Drähten beträgt jedoch nicht 240 Volt (120 0° - 120 ∠ 180°), da die Phasendifferenz zwischen den beiden Quellen nicht 180° beträgt. Stattdessen beträgt die Spannung:

Nominell sagen wir, dass die Spannung zwischen „heißen“ Leitern 208 Volt beträgt (aufgerundet), und daher wird die Netzspannung als 120/208 bezeichnet.

Wenn wir den Strom durch den „Neutralleiter“ berechnen, stellen wir fest, dass er nicht ist Null, auch bei symmetrischen Lastwiderständen. Das Kirchhoffsche Stromgesetz sagt uns, dass die Ströme, die in den Knoten zwischen den beiden Lasten ein- und austreten, null sein müssen:(Abbildung unten)

Der Neutralleiter führt bei einem Paar von 120°-Phasenquellen einen Strom.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Wir stellen also fest, dass der „neutrale“ Draht volle 83,33 Ampere trägt, genau wie jeder „heiße“ Draht.

Beachten Sie, dass wir immer noch 20 kW Gesamtleistung an die beiden Lasten übertragen, wobei der "heiße" Draht jeder Last wie zuvor 83,33 Ampere liefert.

Mit der gleichen Strommenge durch jeden „heißen“ Draht müssen wir Kupferleiter mit der gleichen Stärke verwenden, sodass wir die Systemkosten gegenüber dem 120/240-System mit geteilter Phase nicht reduziert haben.

Wir haben jedoch einen Sicherheitsgewinn realisiert, da die Gesamtspannung zwischen den beiden „heißen“ Leitern 32 Volt niedriger ist als im Split-Phase-System (208 Volt statt 240 Volt).

Drei 120° phasenverschobene Spannungsquellen

Die Tatsache, dass der Neutralleiter 83,33 Ampere Strom führt, bietet eine interessante Möglichkeit:Da er sowieso Strom führt, warum nicht diesen dritten Draht als weiteren "heißen" Leiter verwenden und einen anderen Lastwiderstand mit einer dritten 120-Volt-Quelle mit einem Phasenwinkel versorgen von 240°?

Auf diese Weise könnten wir mehr übermitteln Leistung (weitere 10 kW) ohne weitere Leiter hinzuzufügen. Sehen wir uns an, wie das aussehen könnte:(Abbildung unten)

Bei einer dritten Last, die um 120° zu den anderen beiden phasenverschoben ist, sind die Ströme die gleichen wie bei zwei Lasten.

SPICE-Berechnungen für Dreiphasensysteme

Eine vollständige mathematische Analyse aller Spannungen und Ströme in dieser Schaltung würde die Verwendung eines Netzwerktheorems erfordern, das einfachste ist das Superpositionstheorem.

Ich erspare Ihnen die langwierigen Berechnungen, denn Sie sollten intuitiv verstehen können, dass die drei Spannungsquellen bei drei verschiedenen Phasenwinkeln jeweils 120 Volt an einen symmetrischen Dreier von Lastwiderständen liefern.

Um dies zu beweisen, können wir SPICE verwenden, um die Berechnung für uns durchzuführen:(Abbildung unten, SPICE-Auflistung:120/208 mehrphasiges Stromsystem)

SPICE-Schaltung:Drei 3-Φ-Lasten mit 120° Phasenlage.

120/208 Mehrphasennetz v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1,44 r2 2 4 1,44 r3 3 4 1,44 .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2 ) i(v3) .end 

SPANNUNG ÜBER JEDE LAST freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 SPANNUNG ZWISCHEN „HEISSEN“ LEITERN freq v (1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 STROM ÜBER JEDE SPANNUNGSQUELLE Freq i(v1) i(v2) i(v3 ) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Tatsächlich erhalten wir 120 Volt an jedem Lastwiderstand mit (ungefähr) 208 Volt zwischen zwei beliebigen "heißen" Leitern und Leiterströmen von 83,33 Ampere. (Abbildung unten)

Bei diesem Strom und dieser Spannung verbraucht jede Last 10 kW Leistung.

Beachten Sie, dass dieser Stromkreis keinen „neutralen“ Leiter hat, um eine stabile Spannung für alle Lasten zu gewährleisten, falls eine geöffnet werden sollte.

Was wir hier haben, ist eine ähnliche Situation wie bei unserem Split-Phase-Stromkreis ohne „Neutralleiter“:Wenn eine Last ausfallen sollte, ändern sich die Spannungsabfälle über die verbleibende(n) Last(en).

Um die Lastspannungsstabilität im Falle einer weiteren Lastöffnung zu gewährleisten, benötigen wir einen Neutralleiter, um den Quellknoten und den Lastknoten miteinander zu verbinden:

SPICE-Schaltung mit Simulationsergebnissen annotiert:Drei 3-Φ-Lasten, die um 120° phasenverschoben sind.

Solange die Lasten ausgeglichen bleiben (gleicher Widerstand, gleiche Ströme), muss der Neutralleiter überhaupt keinen Strom führen. Es ist nur für den Fall vorhanden, dass ein oder mehrere Lastwiderstände ausfallen sollten (oder durch einen Trennschalter abgeschaltet werden).

Mehrphasenschaltung

Diese Schaltung, die wir mit drei Spannungsquellen analysiert haben, heißt Polyphase Schaltkreis. Das Präfix „poly“ bedeutet einfach „mehr als eins“, wie in „poly Theismus“ (Glaube an mehr als eine Gottheit), „poly gon“ (eine geometrische Form aus mehreren Liniensegmenten:zum Beispiel Fünfeck und Sechseck ) und „poly atomar“ (eine Substanz, die aus mehreren Arten von Atomen besteht).

Da die Spannungsquellen alle unterschiedliche Phasenwinkel haben (in diesem Fall drei verschiedene Phasenwinkel), ist dies ein „poly Phase“-Schaltung.

Genauer gesagt handelt es sich um eine Dreiphasenschaltung , die hauptsächlich in großen Stromverteilungssystemen verwendet wird.

Dreiphasensystem versus Einphasensystem

Einphasensystem

Lassen Sie uns die Vorteile eines dreiphasigen Stromsystems gegenüber einem einphasigen System mit äquivalenter Lastspannung und Leistungskapazität betrachten. Ein einphasiges System mit drei direkt parallel geschalteten Lasten hätte einen sehr hohen Gesamtstrom (83,33 mal 3 oder 250 Ampere). (Abbildung unten)

Zum Vergleich ziehen drei 10-kW-Lasten an einem 120-Vac-System 250 A.

Dies würde einen Kupferdraht der Stärke 3/0 erfordern (sehr groß!), bei etwa 510 Pfund pro tausend Fuß und mit einem beträchtlichen Preisschild verbunden. Wenn die Entfernung von der Quelle zur Last 300 m betragen würde, bräuchten wir mehr als eine halbe Tonne Kupferdraht, um die Arbeit zu erledigen.

Split-Phase-System

Andererseits könnten wir ein Split-Phase-System mit zwei 15 kW, 120 Volt Verbrauchern bauen. (Abbildung unten)

Split-Phase-System verbraucht die Hälfte des Stroms von 125 A bei 240 Vac im Vergleich zu 120 Vac-Systemen.

Unser Strom ist halb so groß wie bei der einfachen Parallelschaltung, was eine große Verbesserung darstellt.

Wir könnten damit durchkommen, Kupferdraht der Stärke 2 mit einer Gesamtmasse von etwa 600 Pfund zu verwenden, was etwa 200 Pfund pro tausend Fuß mit drei Strecken von jeweils 1000 Fuß zwischen Quelle und Lasten rechnen würde. Allerdings müssen wir auch das erhöhte Sicherheitsrisiko berücksichtigen, wenn 240 Volt im System vorhanden sind, obwohl jede Last nur 120 Volt erhält.

Insgesamt besteht ein größeres Potenzial für einen gefährlichen Stromschlag.

Dreiphasensystem

Wenn wir diese beiden Beispiele unserem Dreiphasensystem (Abbildung oben) gegenüberstellen, sind die Vorteile ziemlich klar.

Erstens sind die Leiterströme um einiges geringer (83,33 Ampere gegenüber 125 oder 250 Ampere), was die Verwendung von viel dünneren und leichteren Drähten ermöglicht. Wir können Draht der Stärke Nr. 4 mit etwa 125 Pfund pro tausend Fuß verwenden, was insgesamt 500 Pfund (vier Läufe von jeweils 300 Fuß) für unsere Beispielschaltung ergibt.

Dies stellt erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber dem Split-Phase-System dar, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die maximale Spannung im System niedriger ist (208 gegenüber 240).

Eine Frage bleibt zu beantworten:Wie um alles in der Welt bekommen wir drei Wechselspannungsquellen, deren Phasenwinkel genau 120° auseinander liegen?

Offensichtlich können wir eine Transformator- oder Generatorwicklung nicht wie beim Split-Phase-System mittig abgreifen, da dies uns nur Spannungswellenformen liefern kann, die entweder gleichphasig oder um 180 ° phasenverschoben sind.

Vielleicht könnten wir eine Möglichkeit finden, Kondensatoren und Induktoren zu verwenden, um Phasenverschiebungen von 120° zu erzeugen, aber dann würden diese Phasenverschiebungen auch von den Phasenwinkeln unserer Lastimpedanzen abhängen (das Ersetzen einer kapazitiven oder induktiven Last für eine ohmsche Last würde sich ändern alles!).

Der beste Weg, um die gesuchten Phasenverschiebungen zu erzielen, besteht darin, sie an der Quelle zu erzeugen:Konstruieren Sie den Wechselstromgenerator (Wechselstromgenerator), der die Leistung liefert, so, dass das rotierende Magnetfeld an drei Sätzen von Drahtwicklungen vorbeiläuft, jeder Satz 120° um den Umfang der Maschine herum angeordnet, wie in der Abbildung unten gezeigt.

(a) Einphasen-Lichtmaschine, (b) Dreiphasen-Lichtmaschine.

Zusammen sind die sechs „Pol“-Wicklungen eines Drehstromgenerators so verbunden, dass sie drei Wicklungspaare umfassen, wobei jedes Paar Wechselspannung mit einem Phasenwinkel von 120° versetzt zu den anderen beiden Wicklungspaaren erzeugt.

Die Verbindungen zwischen den Wicklungspaaren (wie für den einphasigen Generator gezeigt:der Überbrückungsdraht zwischen den Wicklungen 1a und 1b) wurden der Einfachheit halber in der Zeichnung des dreiphasigen Generators weggelassen.

In unserer Beispielschaltung zeigten wir die drei Spannungsquellen, die in einer „Y“-Konfiguration (manchmal als „Stern“-Konfiguration bezeichnet) miteinander verbunden waren, wobei eine Leitung jeder Quelle an einem gemeinsamen Punkt (dem Knoten, an dem wir den „Neutralleiter“ befestigt haben) verbunden war. Dirigent).

Die übliche Art, dieses Verbindungsschema darzustellen, besteht darin, die Wicklungen in Form eines „Y“ wie in der Abbildung unten zu zeichnen.

Generator „Y“-Konfiguration.

Die „Y“-Konfiguration ist nicht die einzige Option, die uns offen steht, aber sie ist wahrscheinlich am Anfang am einfachsten zu verstehen. Mehr zu diesem Thema später in diesem Kapitel.

RÜCKBLICK:

• Eine einphasige Stromversorgungssystem ist eines, in dem es nur eine Wechselspannungsquelle gibt (eine Quellenspannungswellenform).
• Eine Split-Phase Stromversorgungssystem ist eines, bei dem es zwei Spannungsquellen gibt, die um 180° phasenverschoben sind und zwei in Reihe geschaltete Lasten versorgen. Dies hat den Vorteil, dass aus Sicherheitsgründen niedrigere Leiterströme bei gleichzeitig niedrigen Lastspannungen möglich sind.
• Eine Polyphase Das Stromversorgungssystem verwendet mehrere Spannungsquellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln (viele „Phasen“ von Spannungswellenformen bei der Arbeit). Ein mehrphasiges Stromsystem kann mit Leitern mit kleinerem Querschnitt mehr Leistung bei weniger Spannung liefern als ein- oder mehrphasige Systeme.
• Die für ein mehrphasiges Stromsystem erforderlichen phasenverschobenen Spannungsquellen werden in Generatoren mit mehreren Drahtwicklungssätzen erzeugt. Diese Wicklungssätze sind um den Umfang der Rotorrotation in den gewünschten Winkeln angeordnet.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Mehrphasenstromsysteme