Einphasige Stromversorgungssysteme

Das schematische Diagramm eines einphasigen Stromsystems zeigt wenig über die Verdrahtung eines praktischen Stromkreises.

Oben abgebildet ist ein sehr einfacher Wechselstromkreis. Wenn die Verlustleistung des Lastwiderstands erheblich wäre, könnten wir dies als „Leistungsstromkreis“ oder „Stromversorgungssystem“ bezeichnen, anstatt ihn nur als regulären Stromkreis zu betrachten.

Die Unterscheidung zwischen einem „Stromkreis“ und einem „normalen Stromkreis“ mag willkürlich erscheinen, aber die praktischen Bedenken sind es definitiv nicht.

Praktische Schaltungsanalyse

Ein solches Problem sind die Größe und die Kosten der Verkabelung, die erforderlich ist, um Strom von der Wechselstromquelle an die Last zu liefern. Normalerweise machen wir uns keine Gedanken über diese Art von Bedenken, wenn wir nur einen Stromkreis analysieren, um die Gesetze der Elektrizität kennenzulernen.

In der realen Welt kann dies jedoch ein großes Problem darstellen. Wenn wir der Quelle in der obigen Schaltung einen Spannungswert und den beiden Lastwiderständen auch Verlustleistungswerte zuweisen, können wir den Verdrahtungsbedarf für diese spezielle Schaltung bestimmen:

Aus praktischen Gründen ist die Verkabelung für die 20-kW-Lasten bei 120 VAC ziemlich umfangreich (167 A).

83,33 Ampere für jeden Lastwiderstand in der obigen Abbildung ergeben 166,66 Ampere Gesamtstromkreis. Dies ist eine nicht geringe Strommenge und würde Kupferdrahtleiter von mindestens 1/0 Gauge erfordern.

Ein solcher Draht hat einen Durchmesser von weit über 1/4 Zoll (6 mm) und wiegt über 300 Pfund pro tausend Fuß. Bedenken Sie, dass Kupfer auch nicht billig ist! Es wäre in unserem besten Interesse, Wege zu finden, diese Kosten zu minimieren, wenn wir ein Stromversorgungssystem mit großen Leiterlängen konzipieren würden.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, die Spannung der Stromquelle zu erhöhen und Lasten zu verwenden, die so gebaut sind, dass sie bei dieser höheren Spannung jeweils 10 kW abführen.

Die Lasten müssten natürlich höhere Widerstandswerte haben, um die gleiche Leistung wie zuvor (jeweils 10 kW) bei einer höheren Spannung als zuvor abzuführen.

Der Vorteil wäre ein geringerer Strombedarf, wodurch kleinere, leichtere und billigere Drähte verwendet werden können:

Gleiche 10-kW-Lasten bei 240 VAC erfordern weniger Verkabelung als bei 120 VAC (83 A).

Jetzt unsere Gesamtzahl Der Schaltkreisstrom beträgt 83,33 Ampere, die Hälfte dessen, was er vorher war.

Wir können jetzt Draht der Stärke 4 verwenden, der weniger als die Hälfte von dem Gewicht von 1/0-Draht pro Längeneinheit wiegt. Dies ist eine erhebliche Reduzierung der Systemkosten ohne Leistungseinbußen.

Aus diesem Grund entscheiden sich die Entwickler von Stromverteilungssystemen für die Übertragung von elektrischem Strom mit sehr hohen Spannungen (viele Tausend Volt), um von den Einsparungen zu profitieren, die durch die Verwendung kleinerer, leichterer und billigerer Kabel erzielt werden.

Gefahren einer Erhöhung der Quellspannung

Diese Lösung ist jedoch nicht ohne Nachteile. Ein weiteres praktisches Problem bei Stromkreisen ist die Gefahr eines Stromschlags durch hohe Spannungen.

Auch dies ist normalerweise nicht die Art von Dingen, auf die wir uns beim Erlernen der Gesetze der Elektrizität konzentrieren, aber es ist ein sehr berechtigtes Anliegen in der realen Welt, insbesondere wenn es um große Strommengen geht.

Der durch die Erhöhung der Stromkreisspannung erzielte Effizienzgewinn birgt für uns eine erhöhte Stromschlaggefahr. Stromverteilungsunternehmen gehen dieses Problem an, indem sie ihre Stromleitungen an hohen Masten oder Türmen entlangziehen und die Leitungen mit großen Porzellanisolatoren von den tragenden Strukturen isolieren.

Am Point of Use (dem Stromkunden) stellt sich immer noch die Frage, welche Spannung zum Versorgen von Lasten verwendet werden soll.

Hochspannung erhöht die Systemeffizienz durch reduzierten Leiterstrom, aber es kann nicht immer praktikabel sein, die Stromkabel am Verwendungspunkt außer Reichweite zu halten, wie sie in Verteilungssystemen außerhalb der Reichweite liegen können.

Dieser Kompromiss zwischen Effizienz und Gefahr ist ein Kompromiss, den die Entwickler von europäischen Stromversorgungssystemen riskieren, da alle ihre Haushalte und Geräte mit einer Nennspannung von 240 Volt betrieben werden, anstatt wie in Nordamerika mit 120 Volt.

Aus diesem Grund müssen Touristen aus Amerika, die Europa besuchen, kleine Abspanntransformatoren für ihre tragbaren Geräte mit sich führen, um die 240-V-Wechselspannung (Volt Wechselspannung) auf eine geeignetere 120-V-Wechselspannung zu reduzieren.

Lösungen für die Spannungsversorgung von Verbrauchern

Abwärtstransformatoren am Endpunkt des Stromverbrauchs

Gibt es eine Möglichkeit, die Vorteile einer gleichzeitigen Effizienzsteigerung und eines verringerten Sicherheitsrisikos zu realisieren?

Eine Lösung wäre die Installation von Abwärtstransformatoren am Endpunkt des Stromverbrauchs, so wie es der amerikanische Tourist in Europa tun muss.

Dies wäre jedoch teuer und unbequem für alles andere als für sehr kleine Lasten (bei denen die Transformatoren billig gebaut werden können) oder sehr große Lasten (bei denen die Kosten für dicke Kupferdrähte die Kosten eines Transformators übersteigen würden).

Zwei Lasten mit niedrigerer Spannung in Reihe

Eine alternative Lösung bestünde darin, eine Stromversorgung mit höherer Spannung zu verwenden, um zwei Lasten mit niedrigerer Spannung in Reihe zu schalten. Dieser Ansatz kombiniert die Effizienz eines Hochvoltsystems mit der Sicherheit eines Niedervoltsystems:

In Reihe geschaltete 120-Vac-Lasten, angetrieben von einer 240-Vac-Quelle bei 83,3 A Gesamtstrom.

Beachten Sie die Polaritätsmarkierungen (+ und -) für jede angezeigte Spannung sowie die unidirektionalen Pfeile für den Strom.

Größtenteils habe ich es vermieden, "Polaritäten" in den von uns analysierten Wechselstromkreisen zu kennzeichnen, obwohl die Notation gültig ist, um einen Bezugsrahmen für die Phase bereitzustellen.

In späteren Abschnitten dieses Kapitels werden Phasenbeziehungen sehr wichtig, daher führe ich diese Notation zu Beginn des Kapitels zu Ihrer Vertrautheit ein.

Der Strom durch jede Last ist der gleiche wie in der einfachen 120-Volt-Schaltung, aber die Ströme addieren sich nicht, da die Lasten in Reihe und nicht parallel geschaltet sind.

Die Spannung an jeder Last beträgt nur 120 Volt, nicht 240, daher ist der Sicherheitsfaktor besser. Wohlgemerkt, wir haben immer noch volle 240 Volt an den Stromkabeln, aber jede Last arbeitet mit reduzierter Spannung.

Wenn jemand einen Schock erleidet, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass er mit den Leitern einer bestimmten Last in Kontakt kommt und nicht durch den Kontakt über die Hauptkabel eines Stromsystems.

Änderungen am Design mit zwei Lastserien

Dieses Design hat nur einen Nachteil:Die Folgen, wenn eine Last nicht geöffnet oder ausgeschaltet wird (vorausgesetzt, jede Last hat einen seriellen Ein-/Ausschalter zum Unterbrechen des Stroms) sind nicht gut.

Da es sich um eine Reihenschaltung handelt, würde der Strom auch in der anderen Last stoppen, wenn sich eine der Lasten öffnen würde. Aus diesem Grund müssen wir das Design etwas modifizieren:(Abbildung unten)

Durch Hinzufügen eines Neutralleiters können Lasten einzeln angesteuert werden.

Split-Phase Power System

Anstelle eines einzelnen 240-Volt-Netzteils verwenden wir zwei 120-Volt-Netzteile (in Phase zueinander!) in Reihe, um 240 Volt zu erzeugen, und führen dann einen dritten Draht zum Verbindungspunkt zwischen den Lasten, um den Fall einer Last zu bewältigen öffnen.

Dies wird als Split-Phase bezeichnet Stromversorgungssystem. Drei kleinere Drähte sind immer noch billiger als die zwei Drähte, die beim einfachen parallelen Design benötigt werden, sodass wir in Bezug auf die Effizienz immer noch die Nase vorn haben.

Der aufmerksame Beobachter wird feststellen, dass der Neutralleiter nur die Differenz tragen muss des Stroms zwischen den beiden Lasten zurück zur Quelle.

Im obigen Fall führt der Neutralleiter bei perfekt „ausgeglichenen“ Lasten, die gleiche Mengen an Strom verbrauchen, keinen Strom.

Beachten Sie, wie der Neutralleiter am Ende der Stromversorgung mit Erde verbunden ist. Dies ist ein übliches Merkmal in Stromversorgungssystemen mit „Neutralleitern“, da die Erdung des Neutralleiters zu jedem Zeitpunkt die geringstmögliche Spannung zwischen einem „heißen“ Draht und der Erdung gewährleistet.

Ein wesentlicher Bestandteil eines Split-Phase-Power-Systems ist die duale Wechselspannungsquelle. Glücklicherweise ist das Entwerfen und Bauen eines solchen nicht schwierig.

Da die meisten Wechselstromsysteme ihren Strom ohnehin von einem Abwärtstransformator erhalten (Absenkung der Spannung von hohen Verteilungsebenen auf eine Spannung auf Benutzerebene wie 120 oder 240), kann dieser Transformator mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung gebaut werden:

Amerikanischer 120/240-V-Wechselstrom wird von einem Netztransformator mit Mittelanzapfung abgeleitet.

Wenn der Wechselstrom direkt von einem Generator (Lichtmaschine) kommt, können die Spulen für den gleichen Effekt auf ähnliche Weise mittig angezapft werden. Der zusätzliche Aufwand für die Aufnahme eines Mittelanzapfungsanschlusses in eine Transformator- oder Generatorwicklung ist minimal.

Hier werden die (+) und (-) Polaritätsmarkierungen wirklich wichtig. Diese Notation wird oft verwendet, um auf die Phasen von mehreren zu verweisen Wechselspannungsquellen, so dass klar ist, ob sie sich gegenseitig unterstützen („boosten“) oder gegensätzlich („ruckeln“).

Ohne diese Polaritätsmarkierungen können die Phasenbeziehungen zwischen mehreren AC-Quellen sehr verwirrend sein. Beachten Sie, dass die Split-Phase-Quellen im Schaltplan (jeweils 120 Volt ∠ 0°) mit Polaritätsmarkierungen (+) bis (-) genauso wie Serienbatterien alternativ als solche dargestellt werden können:(Abbildung unten)

Split-Phase 120/240-Vac-Quelle entspricht zwei Serien, die 120-Vac-Quellen unterstützen.

Um die Spannung zwischen „heißen“ Drähten mathematisch zu berechnen, müssen wir subtrahieren Spannungen, weil ihre Polaritätsmarkierungen zeigen, dass sie einander entgegengesetzt sind:

Wenn wir den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Quellen (den Neutralleiter) mit der gleichen Polaritätsmarkierung (-) markieren, müssen wir ihre relativen Phasenverschiebungen als 180 ° auseinander ausdrücken. Andernfalls würden wir zwei Spannungsquellen in direktem Gegensatz zueinander bezeichnen, was 0 Volt zwischen den beiden "heißen" Leitern ergeben würde.

Warum nehme ich mir die Zeit, auf Polaritätsmarkierungen und Phasenwinkel einzugehen? Es wird im nächsten Abschnitt mehr Sinn machen!

Stromversorgungssysteme in amerikanischen Haushalten und in der Leichtindustrie sind am häufigsten von der Split-Phase-Variante und liefern so genannte 120/240 VAC-Leistung. Der Begriff „Split-Phase“ bezieht sich lediglich auf die Split-Voltage-Versorgung in einem solchen System.

Allgemeiner wird diese Art der Wechselstromversorgung als einphasig bezeichnet weil beide Spannungswellenformen in Phase oder in Schritt zueinander sind.

Der Begriff „Single Phase“ ist ein Kontrapunkt zu einer anderen Art von Energiesystem namens „Polyphase“, die wir im Folgenden genauer untersuchen werden. Entschuldigung für die lange Einführung, die zum Titelthema dieses Kapitels führte.

Die Vorteile von mehrphasigen Stromsystemen werden deutlicher, wenn man sich zuerst mit einphasigen Systemen auskennt.

RÜCKBLICK:

• Einphasig Stromversorgungssysteme werden durch eine Wechselstromquelle mit nur einer Spannungswellenform definiert.
• Eine Split-Phase Stromversorgungssystem ist eines mit mehreren (gleichphasigen) Wechselspannungsquellen, die in Reihe geschaltet sind und Lasten mit mehr als einer Spannung mit mehr als zwei Drähten versorgen. Sie werden hauptsächlich verwendet, um ein Gleichgewicht zwischen Systemeffizienz (geringe Leiterströme) und Sicherheit (geringe Lastspannungen) zu erreichen.
• Split-Phase-AC-Quellen können ganz einfach erzeugt werden, indem die Spulenwicklungen von Transformatoren oder Generatoren mittig angezapft werden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Mehrphasenstromsysteme