Dreiphasen-Y- und Delta-Konfigurationen

Dreiphasiger Stern (Y)-Anschluss

Zunächst haben wir die Idee von Dreiphasen-Stromsystemen untersucht, indem wir drei Spannungsquellen in einer allgemein als „Y“ (oder „Stern“) bekannten Konfiguration miteinander verbunden haben.

Diese Konfiguration von Spannungsquellen ist durch einen gemeinsamen Verbindungspunkt gekennzeichnet, der eine Seite jeder Quelle verbindet. (Abbildung unten)

Dreiphasige „Y“-Verbindung hat drei Spannungsquellen, die an einem gemeinsamen Punkt angeschlossen sind.

Wenn wir eine Schaltung zeichnen, die jede Spannungsquelle als Drahtspule (Wechselstromgenerator oder Transformatorwicklung) zeigt, und etwas neu anordnen, wird die „Y“-Konfiguration in der Abbildung unten deutlicher.

Dreiphasige, vieradrige „Y“-Verbindung verwendet einen „gemeinsamen“ vierten Draht.

Die drei Leiter, die von den Spannungsquellen (Wicklungen) weg zu einer Last führen, werden typischerweise als Leitungen bezeichnet , während die Wicklungen selbst typischerweise als Phasen bezeichnet werden .

In einem Y-verbundenen System kann am Verbindungspunkt in der Mitte ein Neutralleiter angeschlossen sein oder nicht (Abbildung unten), obwohl dies sicherlich dazu beiträgt, potenzielle Probleme zu lindern, falls ein Element einer dreiphasigen Last wie besprochen ausfällt früher.

Dreiphasige, dreiadrige „Y“-Verbindung verwendet nicht den Neutralleiter.

Spannungs- und Stromwerte in Drehstromsystemen

Wenn wir Spannung und Strom in dreiphasigen Systemen messen, müssen wir genau angeben, wo wir messen.

Netzspannung bezieht sich auf die zwischen zwei beliebigen Außenleitern in einem symmetrischen Dreiphasensystem gemessene Spannung. Bei der obigen Schaltung beträgt die Netzspannung ungefähr 208 Volt.

Phasenspannung bezieht sich auf die Spannung, die an einer beliebigen Komponente (Quellwicklung oder Lastimpedanz) in einer symmetrischen dreiphasigen Quelle oder Last gemessen wird.

Für die oben gezeigte Schaltung beträgt die Phasenspannung 120 Volt. Die Begriffe Leitungsstrom und Phasenstrom folgt der gleichen Logik:Ersteres bezieht sich auf den Strom durch einen beliebigen Außenleiter und Letzteres auf den Strom durch eine beliebige Komponente.

Y-verbundene Quellen und Lasten haben immer Netzspannungen größer als Phasenspannungen und Netzströme gleich den Phasenströmen. Wenn die Y-verbundene Quelle oder Last symmetrisch ist, ist die Netzspannung gleich der Phasenspannung mal der Quadratwurzel von 3:

Die „Y“-Konfiguration ist jedoch nicht die einzige gültige, um dreiphasige Spannungsquellen oder Lastelemente miteinander zu verbinden.

Dreiphasen-Delta(Δ)-Konfiguration

Eine andere Konfiguration ist wegen ihrer geometrischen Ähnlichkeit mit dem gleichnamigen griechischen Buchstaben (Δ) als „Delta“ bekannt. Beachten Sie die Polarität für jede Wicklung in der Abbildung unten.

Dreiphasige, dreiadrige Δ-Verbindung hat keine Gemeinsamkeiten.

Auf den ersten Blick scheint es, als würden drei solche Spannungsquellen einen Kurzschluss erzeugen, wobei Elektronen um das Dreieck fließen und nur die Innenimpedanz der Wicklungen sie zurückhält.

Aufgrund der Phasenlage dieser drei Spannungsquellen ist dies jedoch nicht der Fall.

Kirchhoffs Spannungsgesetz in Dreieckschaltungen

Eine schnelle Überprüfung besteht darin, das Spannungsgesetz von Kirchhoff zu verwenden, um zu sehen, ob sich die drei Spannungen um die Schleife herum zu Null addieren. Wenn dies der Fall ist, steht keine Spannung zur Verfügung, um Strom um und um diese Schleife herum zu schieben, und folglich gibt es keinen zirkulierenden Strom.

Beginnend mit der oberen Wicklung und fortschreitend gegen den Uhrzeigersinn sieht unser KVL-Ausdruck etwa so aus:

Wenn wir diese drei Vektorgrößen addieren, addieren sie sich tatsächlich zu Null. Eine andere Möglichkeit, die Tatsache zu überprüfen, dass diese drei Spannungsquellen in einer Schleife miteinander verbunden werden können, ohne dass es zu Kreisströmen kommt, besteht darin, die Schleife an einem Verbindungspunkt zu öffnen und die Spannung über der Unterbrechung zu berechnen:(Abbildung unten)

Die Spannung über offenem Δ sollte null sein.

Beginnend mit der rechten Wicklung (120 V ∠ 120°) und fortschreitend gegen den Uhrzeigersinn sieht unsere KVL-Gleichung wie folgt aus:

Tatsächlich liegt an der Unterbrechung keine Spannung an, was uns sagt, dass kein Strom innerhalb der dreieckigen Wicklungsschleife zirkuliert, wenn diese Verbindung hergestellt ist.

Nachdem wir festgestellt haben, dass sich eine -geschaltete Drehstromquelle aufgrund von Kreisströmen nicht knusprig verbrennt, wenden wir uns der praktischen Anwendung als Stromquelle in Drehstromkreisen zu.

Da jedes Paar Außenleiter direkt über eine einzelne Wicklung in einer Δ-Schaltung verbunden ist, ist die Netzspannung gleich der Phasenspannung.

Umgekehrt ist der Linienstrom die Vektorsumme der beiden sich verbindenden Phasenströme, da jeder Linienleiter an einem Knoten zwischen zwei Wicklungen befestigt ist.

Es überrascht nicht, dass die resultierenden Gleichungen für eine Δ-Konfiguration wie folgt lauten:

Delta-Verbindungsbeispiel Schaltungsanalyse

Sehen wir uns an, wie das in einer Beispielschaltung funktioniert:(Abbildung unten)

Die Last auf der Δ-Quelle ist in einem Δ verdrahtet.

Wenn jeder Lastwiderstand 120 Volt von seiner jeweiligen Phasenwicklung an der Quelle empfängt, beträgt der Strom in jeder Phase dieser Schaltung 83,33 Ampere:

Vorteile des Delta-Dreiphasensystems

Jeder Netzstrom in diesem dreiphasigen Stromsystem beträgt also 144,34 Ampere, was wesentlich mehr ist als die Netzströme in dem Y-verbundenen System, das wir zuvor betrachtet haben.

Man könnte sich fragen, ob wir hier alle Vorteile des Drehstroms verloren haben, da wir so höhere Leiterströme haben, die dickere und teurere Drähte erfordern.

Die Antwort ist nein. Obwohl diese Schaltung drei Kupferleiter der Stärke 1 erfordern würde (bei einer Entfernung von 300 Fuß zwischen Quelle und Last entspricht dies etwas mehr als 750 Pfund Kupfer für das gesamte System), ist es immer noch weniger als die 1000 + Pfund Kupfer, die für ein einphasiges System mit gleicher Leistung (30 kW) bei gleicher Spannung (120 Volt Leiter-Leiter).

Ein entscheidender Vorteil eines -verbundenen Systems ist das Fehlen eines Neutralleiters. Bei einem Y-verbundenen System war ein Neutralleiter für den Fall erforderlich, dass eine der Phasenlasten ausfällt (oder ausgeschaltet wurde), um zu verhindern, dass sich die Phasenspannungen an der Last ändern.

Dies ist in einem Δ-verbundenen Stromkreis nicht notwendig (oder sogar möglich!).

Wenn jedes Lastphasenelement direkt über eine entsprechende Quellphasenwicklung angeschlossen ist, bleibt die Phasenspannung unabhängig von offenen Fehlern in den Lastelementen konstant.

Der vielleicht größte Vorteil der -verbundenen Quelle ist ihre Fehlertoleranz.

Es ist möglich, dass eine der Wicklungen in einer Δ-geschalteten dreiphasigen Quelle ausfällt (Abbildung unten), ohne die Lastspannung oder den Laststrom zu beeinflussen!

Selbst bei einem Ausfall der Quellenwicklung beträgt die Netzspannung immer noch 120 V und die Lastphasenspannung beträgt immer noch 120 V. Der einzige Unterschied ist der zusätzliche Strom in den verbleibenden Funktionen Quellwicklungen.

Die einzige Folge des Ausfalls einer Quellwicklung bei einer -geschalteten Quelle ist ein erhöhter Phasenstrom in den verbleibenden Wicklungen. Vergleichen Sie diese Fehlertoleranz mit einem Y-verbundenen System mit einer Open-Source-Wicklung in der Abbildung unten.

Offene „Y“-Quellwicklung halbiert die Spannung an zwei Lasten einer Δ angeschlossenen Last.

Bei einer Δ-verbundenen Last erleiden zwei der Widerstände eine reduzierte Spannung, während einer bei der ursprünglichen Netzspannung bleibt, 208. Eine Y-verbundene Last erleidet ein noch schlimmeres Schicksal (Abbildung unten) mit dem gleichen Wicklungsausfall in einer Y-verbundenen Quelle .

Open-Source-Wicklung eines "Y-Y"-Systems halbiert die Spannung an zwei Lasten und verliert eine Last vollständig.

In diesem Fall erleiden zwei Lastwiderstände eine reduzierte Spannung, während der dritte die Versorgungsspannung vollständig verliert! Aus diesem Grund werden -verbundene Quellen aus Gründen der Zuverlässigkeit bevorzugt.

Wenn jedoch Doppelspannungen benötigt werden (z. B. 120/208) oder für niedrigere Netzströme bevorzugt werden, sind Y-verbundene Systeme die Konfiguration der Wahl.

RÜCKBLICK:

• Die mit den drei Punkten einer dreiphasigen Quelle oder Last verbundenen Leiter werden als Leitungen bezeichnet .
• Die drei Komponenten einer dreiphasigen Quelle oder Last werden als Phasen bezeichnet .
• Netzspannung ist die Spannung, die zwischen zwei beliebigen Leitungen in einem Drehstromkreis gemessen wird.
• Phasenspannung ist die Spannung, die an einer einzelnen Komponente in einer dreiphasigen Quelle oder Last gemessen wird.
• Leitungsstrom ist der Strom durch eine beliebige Leitung zwischen einer dreiphasigen Quelle und einer Last.
• Phasenstrom ist der Strom durch eine beliebige Komponente, die eine dreiphasige Quelle oder Last umfasst.
• In symmetrischen "Y"-Schaltungen ist die Netzspannung gleich der Phasenspannung mal der Quadratwurzel von 3, während der Netzstrom gleich dem Phasenstrom ist.

• In symmetrischen Δ-Schaltungen ist die Netzspannung gleich der Phasenspannung, während der Netzstrom gleich dem Phasenstrom mal der Quadratwurzel von 3 ist.

• Δ-geschaltete dreiphasige Spannungsquellen bieten eine höhere Zuverlässigkeit bei einem Wicklungsausfall als Y-geschaltete Quellen. Quellen mit Y-Verbindung können jedoch die gleiche Leistung mit weniger Netzstrom liefern als Quellen mit Δ-Verbindung.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Delta- und Wye-Dreiphasenschaltungen