Dreiphasige Stromversorgungssysteme: Grundlagen und Vorteile

Was ist Split-Phase-Strom?

Split-Phase-Systeme verbessern die Leiterausnutzung und reduzieren Sicherheitsrisiken, indem sie die Gesamtspannung in niedrigere Niveaus aufteilen. Jede Last arbeitet bei reduzierter Spannung, doch die Ströme bleiben typisch für ein Vollspannungssystem.

Obwohl der Begriff „Phase“ streng ein AC-Konzept ist, gilt dasselbe Prinzip für DC. Diese werden meist Drei-Leiter-Systeme genannt statt Split-Phase.

Da AC-Spannungen, die aus der Phase sind, sich nicht einfach addieren, können wir dieses Verhalten nutzen, um Stromversorgungssysteme mit noch größerer Leitereffizienz und geringeren Schlaggefahren als Split-Phase zu schaffen.

Beispiele

Zwei 120° aus der Phase versetzte Spannungsquellen

Betrachten Sie zwei AC-Spannungsquellen, in Reihe geschaltet wie in einem Split-Phase-System, aber jede Quelle ist 120° aus der Phase zur anderen versetzt:

 

Paar 120-Vac-Quellen, 120° phasenverschoben, ähnlich Split-Phase.

 

Jede Quelle liefert 120 V, und jeder Lastwiderstand liegt direkt parallel zu seiner jeweiligen Quelle. Folglich beträgt die Spannung an jeder Last 120 V, und mit einem Laststrom von 83,33 A dissipiert jede Last 10 kW.

Die Spannung zwischen den beiden „heißen“ Leitern ist nicht 240 V (120° – 180°), da die Phasendifferenz 120° beträgt. Stattdessen ist die Leiter-Leiter-Spannung:

 

 

Nominal bezeichnet man die Spannung zwischen den heißen Leitern als 208 V (gerundet), sodass das System als 120/208 bezeichnet wird.

Die Berechnung des Neutralleiterstroms zeigt, dass er nicht null ist, selbst bei ausbalancierten Lasten. Das Kirchhoffsche Knotengesetz verlangt, dass die Ströme, die in den Knoten zwischen den beiden Lasten eintreten und verlassen, sich aufheben:

 

 

Der Neutralleiter führt volle 83,33 A, genau wie jeder heiße Leiter.

 

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Obwohl der Neutralleiter denselben Strom wie die heißen Leiter führt, bleibt die gesamt gelieferte Leistung 20 kW (10 kW pro Last). Da die Leiter-Leiter-Spannung nur 208 V beträgt – 32 V niedriger als die Split-Phase 240 V – ist die Sicherheit verbessert, ohne die Leiterkosten zu ändern, da derselbe Kupferquerschnitt erforderlich ist.

Drei 120° aus der Phase versetzte Spannungsquellen

Der Neutralleiterstrom suggeriert, dass wir ihn als zusätzlichen heißen Leiter nutzen könnten. Hinzufügen einer dritten 120-V-Quelle, 240° aus der Phase versetzt, erlaubt einer vierten Last, dieselben drei Leiter zu teilen:

 

Mit einer dritten Last, 120° phasenverschoben zu den anderen beiden, bleiben die Ströme dieselben wie bei zwei Lasten.

 

SPICE-Berechnungen für ein Dreiphasensystem

Während eine vollständige Netzwerkanalyse den Superpositionssatz nutzen würde, ist das intuitive Ergebnis, dass drei 120-V-Quellen, 120° auseinander, 120 V an jeden ausbalancierten Lastwiderstand liefern.

SPICE bestätigt dies:

 

SPICE-Schaltung: Drei 3-Phasen-Lasten, 120° phasenverschoben.

 

120/208 polyphase power system 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 AN JEDER 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 DURCH JEDE QUELLE freq i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Die Ergebnisse zeigen 120 V an jeder Last, ~208 V zwischen je zwei heißen Leitern und 83,33 A in jedem Leiter. Jede Last dissipiert somit 10 kW.

Dem Schaltkreis fehlt ein Neutralleiter für Spannungsstabilität. Fällt eine Last aus, sehen die verbleibenden Lasten veränderte Spannungen. Ein Neutralleiter sichert stabilen Betrieb bei ausbalancierten Lasten und führt keinen Strom, solange keine Last ausfällt oder getrennt wird.

 

SPICE-Schaltung annotiert mit Simulationsergebnissen: Drei 3-Phasen-Lasten, 120° phasenverschoben.

 

Polyphasenschaltung

Was wir untersucht haben – drei Spannungsquellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln – nennt man einen Polyphasenschaltkreis. Das Präfix „poly“ bedeutet „mehr als eins“, wie in „Polytheismus“ oder „Polygon“. In Stromversorgungssystemen bezeichnet es mehrere phasenverschobene Spannungswellenformen.

Speziell ist ein dreiphasiger Schaltkreis die häufigste Form von Polyphasensystemen und versorgt große Verteilnetze.

Dreiphasensystem vs. Einphasensystem

Einphasensystem

Drei identische Lasten an einem einphasigen 120-V-System ziehen insgesamt 250 A (83,33 A × 3). Für diesen Strom wäre 3/0 AWG Kupfer (≈510 lb/1.000 ft) erforderlich. Über 1.000 ft wären mehr als eine halbe Tonne Kupfer nötig.

 

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

 

Split-Phase-System

Ein Split-Phase-System kann den Strom halbieren. Zwei 15-kW-, 120-V-Lasten ziehen 125 A bei 240 V Leiterspannung, was 2 AWG Kupfer (≈200 lb/1.000 ft) erlaubt. Allerdings führt die Anwesenheit von 240 V ein höheres Schlagrisiko ein.

 

Split-Phase-System zieht halb so viel Strom (125 A bei 240 Vac) im Vergleich zum 120-Vac-System.

 

Dreiphasensystem

Im Vergleich zu den vorherigen beiden nutzt ein ausbalanciertes Dreiphasensystem nur 83,33 A pro Leiter. 4 AWG Kupfer (≈125 lb/1.000 ft) genügt, was Materialkosten senkt, während die maximale Spannung bei 208 V bleibt – niedriger als die 240 V im Split-Phase-System.

Die Hauptfrage ist, wie man drei AC-Spannungsquellen 120° auseinander erzeugt. Im Gegensatz zu Split-Phase, das einen Mittelabgriff nutzt, platziert ein Dreiphasengenerator drei Wicklungssätze 120° um den Rotor, wodurch der erforderliche Phasenversatz direkt an der Quelle entsteht.

In der Abbildung unten bilden die sechs Polwicklungen drei Paare; jedes Paar liefert eine 120-V-AC-Wellenform, 120° aus der Phase zu den anderen. Die Wicklungen sind typischerweise in „Y“ (Stern) Konfiguration verdrahtet, wobei ein Ende jeder Wicklung an einen gemeinsamen Neutralknoten angeschlossen wird.

 

(a) Einphasengenerator, (b) Dreiphasengenerator.

 

Generator Y-Konfiguration.

 

Zusammenfassung

• Ein einphasiges System hat eine AC-Spannungsquelle.
• Ein Split-Phase-System nutzt zwei 180° aus-der-Phase-Quellen, reduziert Leiterströme bei niedrigen Lastspannungen.
• Ein Polyphasen-System verwendet mehrere Spannungsquellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln, liefert mehr Leistung bei niedrigerer Spannung und mit kleineren Leitern.
• Phasenversetzte Spannungsquellen werden in Generatoren mit mehreren Wicklungssätzen erzeugt, die um den Rotor verteilt sind.

Verwandte Arbeitsblätter

• Polyphasige Stromversorgungssysteme Arbeitsblatt