Tại sao điện ba pha? Tại sao không phải là một số giai đoạn cao hơn?

Có một lý do, ngoài lý do lịch sử, rằng ba giai đoạn đã trở thành số lượng giai đoạn thống trị?

Tôi nhận thức được những lợi thế chống lại một pha và hai pha, cụ thể là lượng dây dẫn giảm cần thiết, và động cơ có thể cung cấp mô-men xoắn khi bị đình trệ (và ít xung hơn).

Có phải điều này chỉ do lợi nhuận giảm dần, chỉ với một sự gia tăng nhỏ về độ trơn tru của ứng dụng mô-men xoắn, với chi phí tăng độ phức tạp (số lượng dây tăng (mặc dù CSA nhỏ hơn)).

Để rõ ràng, tất cả các giai đoạn được phân bố đều, nghĩa là năm giai đoạn cách nhau 72 độ.

Ngoài câu trả lời của PlasmaHH, ngành công nghiệp sử dụng nguồn điện ba pha gần như độc quyền vì một động cơ cảm ứng cần ít nhất nguồn cung cấp ba pha để bắt đầu và chạy theo hướng đã biết. Động cơ cảm ứng một pha đòi hỏi các thủ thuật tổn thất, không đáng tin cậy và đắt tiền để làm điều tương tự (cuộn dây thêm, cuộn dây bị mất, công tắc nhạy tốc độ, tụ điện, vv).

Lưới cung cấp dựa trên ba giai đoạn vì đó là hiệu quả nhất về mặt sản xuất và phân phối. Ví dụ, sử dụng lưới 9 pha sẽ yêu cầu chạy 9 dây cho toàn bộ lưới phân phối, không hiệu quả về chi phí.

Các động cơ bậc cao được đề cập không sử dụng các pha tạo dòng. Động cơ bước sử dụng nhiều pha để kiểm soát tốt hơn. Các bộ chỉnh lưu polyphase bậc cao được thiết kế thường có nhiều 'pha' hơn, để giảm gợn, nhưng các pha được tạo cục bộ bằng cách dịch pha đầu vào dòng bằng một số phương tiện, hoặc dịch chuyển LC trực tiếp hoặc bằng cách sử dụng bộ tạo động cơ.

Khi bạn có phân phối điện một pha, bạn cần một pha và một trở lại, cả hai đều mang cùng một dòng điện.

Nếu bây giờ bạn sử dụng năng lượng ba pha đối xứng , bạn sử dụng ba pha với một phần ba khả năng mang theo hiện tại và bạn có thể thoát khỏi trạng thái trung tính. Điều này chỉ đơn giản là tiết kiệm một số tiền bằng đồng. Nếu bây giờ bạn thêm nhiều pha, bạn không thể tiết kiệm thêm đồng, mà chỉ thêm độ phức tạp.

Nếu bạn có công suất ba pha không đối xứng , bạn không thể loại bỏ trung tính, nhưng không cần phải xử lý tất cả dòng điện kết hợp của cả ba pha. Lại một số đồng tiết kiệm. Thêm nhiều pha mặc dù sẽ không làm giảm đồng cần thiết cho trung tính nhiều như vậy.

Vì vậy, có, cuối cùng nó là chi phí nhiều hơn cho hầu như không có lợi ích trong ứng dụng trung bình. Vì vậy, bạn sẽ chỉ tìm thấy nhiều hơn ba giai đoạn cho những điều rất đặc biệt.

Ba là số pha thấp nhất được đặt cách đều nhau xung quanh vòng tròn và có thể được sử dụng để tạo ra từ trường quay theo một hướng nhất định.

Bất kỳ pha nào hơn chỉ cần nhiều dây hơn và nhiều cuộn dây hơn trong động cơ cảm ứng.

Hai pha có thể thiết lập một từ trường quay nếu chúng cách nhau 90 độ (" bậc hai "). Các thủ thuật tạo cầu phương như tụ điện chạy được sử dụng với động cơ cảm ứng chạy bằng nguồn một pha.

Điện hai pha hóa ra không có lợi thế. Động cơ chạy trơn tru hơn trên ba pha , và hai pha cân bằng cần bốn dây dẫn trong khi ba pha chỉ cần ba pha. Điều đó có nghĩa là, chúng ta có thể liên kết một máy phát ba pha với động cơ cảm ứng ba pha bằng cách sử dụng chính xác ba dây. Ba pha hai dây là có thể, nhưng nó sẽ không được cân bằng. Hai trong số các dây dẫn sẽ mang các pha, và dây dẫn thứ ba đóng vai trò là trung tính. Điều này có nghĩa là một dây phải xử lý nhiều dòng điện hơn vì nó hoạt động như một sự trở lại cho hai dây còn lại. Ba dây dẫn dưới ba pha đều mang cùng một dòng điện: chúng được cân bằng.

Vì tất cả những lý do này, ba giai đoạn thể hiện tối ưu. Nếu một điều chắc chắn là điện được sử dụng cho động cơ cảm ứng, hơn ba pha là lãng phí, và ít hơn ba pha.

Tuy nhiên, các hệ thống hai pha đã được sử dụng, cũng như các hệ thống pha bậc cao hơn, như sáu và mười hai pha, tiếp tục là do chúng có một số lợi thế đặc biệt.

Ngoài các câu trả lời khác:

Mục đích chính là có ít nhất ba giai đoạn cho phép động cơ của bạn bắt đầu theo hướng mong đợi. Đối với động cơ cảm ứng một pha, một số cách giải quyết là cần thiết (như đặt thêm dây với một tụ điện được sử dụng trong quá trình khởi động). Nó đã được giải thích chính xác trong câu trả lời trước.

Tại sao không hơn? Đơn giản - nó không cần thiết và nó tạo ra chi phí. Đó không chỉ là vấn đề của dây dẫn (vì vậy sử dụng đồng, cách điện) mà còn là vấn đề xây dựng. Bạn có thể tưởng tượng một tòa tháp cho các đường dây trên không có chín giai đoạn không? Chà, có lẽ bạn có thể - đôi khi người ta có thể gặp những tòa tháp chứa hai đường 3 pha, hoặc thậm chí nhiều hơn:

(ảnh từ Wikipedia)

Vấn đề chính ở đây là đảm bảo khoảng cách cách điện thích hợp giữa dây dẫn và dây dẫn và mặt đất (hoặc cấu trúc tháp), đòi hỏi phải sử dụng vật liệu lớn.

Ngoài ra, nếu bạn có nhiều pha, khả năng thất bại sẽ cao hơn. Tất nhiên, trong trường hợp này (giả sử - một dây dẫn bị hỏng), tổng số bất đối xứng sẽ thấp hơn, nhưng nguy cơ cần thiết phải tắt toàn bộ dòng sẽ cao hơn.

Xây dựng một máy phát điện cho nhiều giai đoạn cũng phức tạp. Thông thường, hydrogenerators, với tốc độ nhỏ, có nhiều cặp cực, vì vậy sẽ không ổn nếu không cung cấp 24 cặp cực, nhưng một hoặc hai (ví dụ, trong 12 pha), nhưng nó rất phức tạp đối với các đơn vị tua-bin máy phát nhiệt. Thường có một cặp cực, đôi khi hai. Điều này dẫn đến tốc độ 3000 vòng / phút (đối với mạng 50 Hz). Điều cần thiết là stato sẽ nhận được năng lượng từ một máy như vậy với rủi ro thấp nhất có thể, do đó, ít pha hơn có nghĩa là cơ hội ngắn mạch trong vòng quay ít hơn. Giới thiệu nhiều giai đoạn sẽ đòi hỏi xây dựng stator đắt hơn nhiều.

Cũng xin lưu ý rằng ngay cả khi ngày nay không có vấn đề gì với bộ biến tần điện tử công suất, cũng nhân các pha, chỉnh lưu, v.v., đó là vấn đề chỉ 30 năm trước, và tất nhiên hơn thế. Sau đó mọi người quyết định sử dụng ba giai đoạn, và bây giờ không thể chuyển đổi.

Tại sao chỉ có 3 pha? Vâng, nếu chúng ta cần nhiều pha hơn, chúng ta có thể chuyển đổi 3 pha dễ dàng thành 6 pha / 12 pha, v.v ... bằng cách sử dụng một máy biến áp có dây để làm như vậy. Ứng dụng chính của nhiều pha là cho điện áp gợn ít hơn vào một tụ điện chỉnh lưu toàn cầu. Tôi chưa bao giờ nhìn thấy một cái nhưng học về họ từ một giảng viên cổ đại ở trường đại học trong khi làm kỹ thuật điện.

Cũng cho biết chúng tôi có cấu hình delta gồm 3 điện trở phù hợp được kết nối với kết nối 3 pha. Công suất được sử dụng theo thời gian sẽ giống hệt với điện trở được cấp nguồn DC vì khi một pha ở mức 0%, hai pha còn lại sẽ ở mức 66,66% & 33,33% nếu tôi nhớ chính xác. Mối quan hệ này cũng có nghĩa là sức mạnh từ một pha sẽ quay trở lại các pha khác. Không phải là 3 pha tuyệt vời!

Vì vậy, để tóm tắt, không cần thêm các pha vì bạn có thể dễ dàng chuyển đổi nó thành nhiều pha hơn vào cuối. Nó thường không được thực hiện mặc dù 3 pha đã rất tuyệt vời.

Hi vọng điêu nay co ich.

Ba pha có một tính chất rất quan trọng: nếu bạn nhìn vào sức mạnh (V ^ 2 / R) trên tất cả ba pha và tính tổng chúng, sức mạnh đó là CONSTANT trong toàn bộ chu kỳ. Điều này có nghĩa là động cơ 3 pha có thể lái với công suất không đổi và máy phát điện có tải không đổi. 2 giai đoạn là không đủ để có được mối quan hệ này.

Người ta có thể sử dụng số pha cao hơn, nhưng chi phí dây cao hơn và sẽ không thực sự cung cấp bất kỳ lợi thế bổ sung nào trong hầu hết các tình huống. 3 pha được chọn vì đây là số lượng dây tối thiểu có đặc tính tốt.

Nhiều câu trả lời khác nói sai rằng bạn cần 3 pha để động cơ khởi động một cách đáng tin cậy hoặc quay theo một hướng cụ thể và sử dụng công suất không đổi. Trên thực tế, điều này có thể được thực hiện với hai giai đoạn, cách nhau 90 °. Bạn vẫn nhận được hướng xác định và rút điện liên tục trong một chu kỳ.

Tuy nhiên, một hệ thống hai pha như vậy sẽ cần tối thiểu ba dây, nhưng dòng điện qua ba dây sẽ không đối xứng với tải công suất không đổi. Vì vậy, nếu bạn cần ba dây dù sao, cách tốt nhất để sử dụng ba dây này hiệu quả và linh hoạt nhất có thể là gì? Câu trả lời là hệ thống ba pha chúng tôi thực sự sử dụng. Thay vì một dòng chung và hai dòng "nóng" lệch pha 90 °, bạn có ba dòng nóng đối xứng, mỗi dòng lệch 120 ° so với hai dòng khác. Lưu ý rằng điện áp trung bình (và dòng điện cho tải cân bằng) luôn bằng 0 đối với hệ thống 3 pha đối xứng. Điều này không đúng với hệ thống 2 pha.

Nhiều giai đoạn không cung cấp cho bạn bất kỳ thuộc tính mong muốn bổ sung nào, do đó sẽ chỉ tăng thêm độ phức tạp và chi phí.

Một điện áp, theo định nghĩa, giữa hai dây dẫn. Nếu bạn có một dây dẫn, bạn không có điện áp. Không có điện áp, không có điện, không có gì xảy ra. Không có ích lắm.

Nếu bạn có hai dây dẫn, bạn có một cặp (2C2), cho phép một điện áp. Chúng tôi gọi đây là một pha. Bây giờ chúng ta thực sự có thể làm cho mọi thứ xảy ra, đó là một lợi thế đáng kể khi chỉ có một dây dẫn. Nhưng bạn chỉ có thể làm một điều xảy ra; không có sự thay đổi có thể trong cách tải có thể được kết nối. Nói cách khác, chỉ có một chiều cho điện áp: đó là dương hoặc là âm. Một vấn đề phổ biến là nếu bạn nối trực tiếp một động cơ một pha vào một đường dây AC, bạn không có gì đảm bảo về cách nó sẽ quay, hoặc nếu nó sẽ hoàn toàn.

Nếu bạn có ba dây dẫn, bạn có ba cặp (3C2), cho phép ba điện áp. Chúng tôi gọi đây là ba giai đoạn. Bây giờ chúng ta có thể làm cho ba điều xảy ra, tại những thời điểm khác nhau . Ví dụ, bạn có thể có ba nam châm điện được sắp xếp trong một vòng tròn và bật tất cả chúng theo một trình tự. Bây giờ chúng tôi có thể đảm bảo rằng một động cơ sẽ quay, và theo hướng nào. Đây là một lợi thế đáng kể so với một pha. Nói cách khác, bây giờ chúng ta có hai chiều cho điện áp; nó được biểu thị bằng một vectơ trong không gian hai chiều. Chỉ có hai cách bố trí dây dẫn riêng biệt ((3-1)!), Tương ứng với hai hướng quay có thể có.

Nếu bạn mở rộng nó thành bốn dây dẫn, bạn có sáu cặp (4C2), vì vậy bước tiếp theo là điện áp sáu pha. Những lợi thế nào sáu pha sẽ có hơn ba pha? Chà, bây giờ có (4-1)! = 6 cách bố trí dây dẫn khác nhau có thể có, có nghĩa là nếu bạn đang cố gắng làm cho vật gì đó quay trong mặt phẳng, bạn có thể nối mọi thứ theo cách không phù hợp với điều đó. Vì vậy, nếu bạn có một động cơ cảm ứng sáu cuộn dây, có thể móc nó theo cách rung động khủng khiếp và quay với một nửa tốc độ bình thường, thay vì chỉ chọn một hướng này hay hướng khác. Đó không phải là một lợi thế.

Nhưng giả sử rằng rôto của bạn có ba bậc tự do quay thay vì một bậc. Với sáu pha và sự sắp xếp cơ học thích hợp của các cực từ, bạn có thể tạo ra sự quay (cuộn, cao độ và ngáp) trong một rôto hình cầu nổi có vị trí cố định. Vì một thứ như vậy không tồn tại theo hiểu biết của tôi, nên nó không thực sự đủ điều kiện là một ứng dụng hữu ích. (Có thể trong một môi trường không trọng lực, nơi các cực từ đang quay quanh một số vật thể? Nhưng sau đó, làm thế nào tất cả chúng được nối với cùng một dòng AC sáu pha?) một hệ thống như vậy và vẫn dịch cả ba hướng quay sang một số tải khác bên ngoài bố trí stato / rôto hình cầu của chúng tôi, sự sắp xếp này có thể hữu ích.

Trong khi đó, trở lại không gian 3 + 1, tôi làm việc trong thế giới điện tử công nghiệp và tôi đã thấy các hệ thống sử dụng loại máy biến áp lệch pha mà các câu trả lời khác đã đề cập. Là một vấn đề về danh pháp, không ai tôi từng nói sẽ mô tả bằng cách sử dụng máy biến áp lệch pha để tạo ra ba chân AC ngoài pha để tạo ra "sáu pha". (Theo toán học của tôi, bạn sẽ có mười lăm pha, nhưng đó vẫn không phải là ngôn ngữ được sử dụng.) Khi chạy ba pha qua bộ chỉnh lưu vào nắp, bạn nhận được sáu xung dòng trên mỗi chu kỳ. Đối với loại hệ thống này, bạn sẽ nhận được mười hai xung, do đó loại hệ thống đó sẽ được gọi là mười hai xung.

(Nói chung, bộ chỉnh lưu mười hai xung là hai bộ chỉnh lưu sáu xung. Nếu bạn có hai ổ đĩa động cơ, bạn có thể kết nối các thanh DC của chúng trực tiếp với nhau và cung cấp cho mỗi bộ ba pha khác nhau. Hoặc bạn có thể độc lập bộ chỉnh lưu cho một bộ và đưa đầu vào DC của nó vào ổ đĩa còn lại.)

Nếu bạn đang so sánh bộ chỉnh lưu sáu xung với bộ chỉnh lưu mười hai xung, với các tải giống hệt nhau, thì mỗi xung hiện tại phải nhỏ hơn để bù cho việc có nhiều trong số chúng điều khiển cùng tải. Điều này làm cho dòng tổng thể ngoài dòng trông hơi giống sóng hình sin, nghĩa là sóng hài bị giảm. Ripple trên mũ cũng thấp hơn, nhưng tôi chưa bao giờ biết ai quan tâm khủng khiếp về điều đó.

Cải thiện sóng hài lớn hơn có thể có với một hệ thống mười tám xung và ba bộ chỉnh lưu. (36 pha!) Ở điện áp và công suất cao hơn, thậm chí số lượng bộ chỉnh lưu song song cao hơn có thể tồn tại. Tài liệu này trên đường dây VFD trung thế tham chiếu bộ chỉnh lưu 54 xung ở 11 kV!

TL; DR

Năng lượng ba pha cho chúng ta một mức độ tự do quay, đó là giới hạn của những gì hữu ích trong không gian ba chiều.

Một lý do đơn giản khác: Các giai đoạn bổ sung sẽ là "hai tương tự" với các giai đoạn hiện có. Đặt khác nhau: Bất kỳ pha bổ sung nào chỉ đơn giản là sự kết hợp tuyến tính của các điện áp giữa ba dây hiện có - không gian vectơ được kéo dài bởi sin và cos chỉ là hai chiều.

Một khía cạnh khác của vấn đề là vấn đề hình học dây dẫn cho các đường truyền có độ căng cao. Với ba dòng, các vấn đề về độ tự cảm và dòng xuyên âm cảm ứng được giảm thiểu và dễ dàng lọc hơn, nếu có thêm nhiều dây dẫn. Các chi phí tiếp tục tăng nhanh hơn lợi ích với nhiều dây dẫn hơn.

Lionel Barthold, người sáng lập Power Technologies, Inc., đã giải thích điều này tốt:

" Tại sao điện 3 pha? Tại sao không phải 6 hay 12? "

Ông nói rằng mặc dù ông đã thiết kế các hệ thống pha cao hơn, nhưng chúng không thực tế do, như bạn nói, làm giảm lợi nhuận, đặc biệt là liên quan đến tất cả các máy biến áp cần thiết hơn tại các trạm biến áp. Khi bạn nhân đôi số lượng pha, bạn cũng phải tăng gấp đôi số lượng thiết bị tại các trạm biến áp.