Üç fazlı elektrik gücü - Three-phase electric power

208Y/120 volt servis için dört kablolu çıkışlı üç fazlı transformatör: nötr için bir kablo, A, B ve C fazları için diğerleri

Üç fazlı elektrik gücü (kısaltma 3φ ), elektrik üretimi , iletimi ve dağıtımında kullanılan yaygın bir alternatif akım türüdür . Üç kablo (veya isteğe bağlı bir nötr dönüş kablosu dahil dört) kullanan bir çok fazlı sistem türüdür ve dünya çapında elektrik şebekeleri tarafından güç aktarmak için kullanılan en yaygın yöntemdir .

Üç fazlı elektrik gücü, 1880'lerde birden fazla kişi tarafından geliştirildi. Üç fazlı güç , üç tel üzerinde 120 derece faz dışı olan voltaj ve akımlarla çalışır . Bir AC sistemi olarak, transformatörler kullanılarak gerilimlerin iletim için yüksek gerilime yükseltilmesine ve dağıtım için geri çekilmesine izin vererek yüksek verim sağlar.

Üç telli üç fazlı bir devre, belirli bir miktarda elektrik gücünü iletmek için daha az iletken malzeme kullandığından , aynı hattan toprak voltajına eşdeğer iki telli tek fazlı devreden genellikle daha ekonomiktir . Üç fazlı güç, esas olarak doğrudan büyük motorlara ve diğer ağır yüklere güç sağlamak için kullanılır . Küçük yükler genellikle yalnızca üç fazlı bir sistemden türetilebilen iki telli tek fazlı bir devre kullanır.

terminoloji

İletkenler a arasındaki voltaj kaynağı ve bir yük hatları olarak adlandırılır ve gerilim her iki hat arasında adlandırılan çizgi voltajını . Herhangi bir hat ile nötr arasında ölçülen gerilime faz gerilimi denir . Örneğin, 208/120 voltluk bir servis için hat voltajı 208 Volt ve faz voltajı 120 Volttur.

Tarih

Çok fazlı güç sistemleri, 1880'lerin sonlarında Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson ve Nikola Tesla tarafından bağımsız olarak icat edildi .

İlk AC motorlu İtalyan fizikçi Galileo Ferraris dünyasında. Bu 2 fazlı bir motordu ve daha az verimli olan 4 kablo gerektiriyor. 3 fazlı motorlar ve jeneratörler, ekstra bobinler eklenerek ve bazı tellerin bağlanmasıyla geliştirildi.

Üç fazlı güç, elektrik motorunun geliştirilmesinden gelişti. Ferraris , 1885'te döner manyetik alanı bağımsız olarak araştırdı . Ferraris, farklı asenkron elektrik motorları ile deneyler yaptı. Araştırma ve çalışmaları , mekanik (dönen) gücü elektrik gücüne (alternatif akım olarak) dönüştürmek için ters çalışan bir alternatif akım motoru olarak düşünülebilecek bir alternatörün geliştirilmesiyle sonuçlandı .

11 Mart 1888'de Ferraris, araştırmasını Torino'daki Kraliyet Bilimler Akademisi'ne bir makalesinde yayınladı (iki ay sonra Nikola Tesla , 12 Ekim 1887'de başvurusu yapılan ABD Patenti 381.968'i kazandı . Seri Numarası 252.132). Bu alternatörler, birbirlerinden belirli miktarlarda faz yer değiştiren alternatif akımlardan oluşan sistemler oluşturarak çalışırlar ve çalışmaları için dönen manyetik alana bağlıdırlar. Ortaya çıkan çok fazlı güç kaynağı kısa sürede yaygın kabul gördü. Güç transformatörü gibi çok fazlı alternatörün icadı da elektrifikasyon tarihinde anahtardır . Bu buluşlar, gücün kablolarla ekonomik olarak önemli mesafelerde iletilmesini sağladı. Çok fazlı güç, uzak yerlerde su gücünün (büyük barajlardaki hidroelektrik üretim tesisleri aracılığıyla) kullanılmasını sağladı, böylece düşen suyun mekanik enerjisinin elektriğe dönüştürülmesine ve daha sonra herhangi bir yerde bir elektrik motoruna beslenebilmesine izin verdi. mekanik işlerin yapılması gerekiyordu. Bu çok yönlülük, dünya çapındaki kıtalarda güç iletim şebekelerinin büyümesini ateşledi.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , üç fazlı elektrik jeneratörünü ve üç fazlı bir elektrik motorunu (1888) geliştirdi ve yıldız ve üçgen bağlantılarını inceledi . Üç fazlı sistemin zaferi, Dolivo-Dobrovolsky'nin bu sistemi elektrik gücünü 176 km mesafede %75 verimlilikle iletmek için kullandığı 1891 Uluslararası Elektro-Teknik Sergisinde Avrupa'da sergilendi . 1891'de ayrıca üç fazlı bir transformatör ve kısa devre ( sincap kafesli ) endüksiyon motoru yarattı . 1891'de dünyanın ilk üç fazlı hidroelektrik santralini tasarladı .

Prensip

Sağa doğru artan zamanla bir çevrimde üç fazlı bir sistemdeki anlık gerilimlerin normalleştirilmiş dalga biçimleri . Faz sırası 1‑2‑3'tür. Bu döngü , güç sisteminin frekansı ile tekrarlanır . İdeal olarak, her bir fazın voltajı , akımı ve gücü, diğerlerinden 120° kaydırılır.

Üç fazlı elektrik enerji nakil hatları

Üç fazlı transformatör (Békéscsaba, Macaristan): solda birincil kablolar ve sağda ikincil kablolar

Simetrik üç fazlı bir güç kaynağı sisteminde, üç iletkenin her biri , ortak bir referansa göre aynı frekansta ve voltaj genliğinde bir alternatif akım taşır , ancak aralarında bir döngünün üçte biri (yani 120 derece faz dışı) faz farkı vardır. her biri. Ortak referans genellikle toprağa ve genellikle nötr olarak adlandırılan akım taşıyan bir iletkene bağlanır. Faz farkı nedeniyle , herhangi bir iletken üzerindeki voltaj , diğer iletkenlerden birinden sonra bir döngünün üçte birinde ve kalan iletkenden önce bir döngünün üçte birinde zirveye ulaşır. Bu faz gecikmesi, dengeli bir lineer yüke sabit güç aktarımı sağlar. Aynı zamanda, bir elektrik motorunda dönen bir manyetik alan üretmeyi ve transformatörler (örneğin, bir Scott-T transformatörü kullanan iki fazlı bir sistem) kullanarak başka faz düzenlemeleri oluşturmayı mümkün kılar . İki faz arasındaki voltaj farkının genliği (1.732...) her bir fazın voltajının genliğinin çarpımıdır. ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$

Burada açıklanan simetrik üç fazlı sistemler, basit bir şekilde üç fazlı sistemler olarak adlandırılır, çünkü asimetrik üç fazlı güç sistemlerini tasarlamak ve uygulamak mümkün olsa da (yani, eşit olmayan gerilimler veya faz kaymaları ile), pratikte kullanılmazlar. çünkü simetrik sistemlerin en önemli avantajlarından yoksundurlar.

Dengeli ve lineer bir yükü besleyen üç fazlı bir sistemde, üç iletkenin anlık akımlarının toplamı sıfırdır. Başka bir deyişle, her iletkendeki akım, büyüklük olarak diğer ikisindeki akımların toplamına eşittir, ancak zıt işaretlidir. Herhangi bir faz iletkenindeki akımın dönüş yolu diğer iki faz iletkenidir.

Tek fazlı gücün iki katı olan kapasite-iletken malzeme oranını koruyarak, herhangi bir sayıda (birden fazla) faz ile sabit güç aktarımı ve faz akımlarını iptal etmek mümkündür. Bununla birlikte, iki faz yüke giden daha az düzgün (titreşimli) bir akımla sonuçlanır (pürüzsüz güç aktarımını zorlaştırır) ve üç fazdan fazlası altyapıyı gereksiz yere karmaşıklaştırır.

Üç fazlı sistemler, düşük voltaj dağıtımında ortak olan dördüncü bir kabloya sahip olabilir. Bu nötr tel. Nötr, sabit bir voltajda üç ayrı tek fazlı kaynağın sağlanmasına izin verir ve genellikle birden fazla tek fazlı yükün beslenmesi için kullanılır . Bağlantılar, her grupta mümkün olduğunca her fazdan eşit güç çekilecek şekilde düzenlenmiştir. Yukarı ilerletmek dağıtım sistemi , akıntılar genellikle iyi dengelenir. Transformatörler, dengesiz yüklere ve ilgili ikincil taraf nötr akımlarına izin verirken, dört kablolu ikincil ve üç kablolu birincil olacak şekilde kablolanabilir.

Faz sırası

Üç faz için kablolama tipik olarak ülkeye göre değişen renklerle tanımlanır. Üç fazlı motorların amaçlanan dönüş yönünü elde etmek için fazlar doğru sırada bağlanmalıdır. Örneğin pompalar ve fanlar ters çalışmaz. Aynı anda iki kaynak bağlanabiliyorsa, fazların kimliğinin korunması gerekir; iki farklı faz arasındaki doğrudan ara bağlantı kısa devredir .

Avantajlar

İki iletken (faz ve nötr ) kullanan tek fazlı bir AC güç kaynağı ile karşılaştırıldığında, nötr olmayan ve faz başına aynı fazdan toprağa voltaj ve akım kapasitesine sahip üç fazlı bir besleme, aşağıdakileri kullanarak üç kat daha fazla güç iletebilir. sadece 1,5 kat daha fazla kablo (yani iki yerine üç). Böylece kapasitenin iletken malzemeye oranı iki katına çıkar. Kapasitenin iletken malzemeye oranı, topraklanmamış üç fazlı ve merkezden topraklanmış tek fazlı bir sistemle 3:1'e yükselir (veya her ikisi de iletkenlerle aynı ölçünün topraklarını kullanıyorsa 2.25:1).

Üç fazlı kaynaklar, onları elektrik güç dağıtım sistemlerinde arzu edilir kılan özelliklere sahiptir:

• Faz akımları, doğrusal dengeli bir yük durumunda sıfıra toplanarak birbirini iptal etme eğilimindedir. Bu, çok az akım taşıdığı veya hiç akım taşımadığı için nötr iletkenin boyutunu küçültmeyi mümkün kılar. Dengeli bir yük ile tüm faz iletkenleri aynı akımı taşır ve bu nedenle aynı boyutta olabilir.
• Doğrusal dengeli bir yüke güç aktarımı sabittir. Motor/jeneratör uygulamalarında bu, titreşimlerin azaltılmasına yardımcı olur.
• Üç fazlı sistemler, belirli bir yön ve sabit büyüklükte dönen bir manyetik alan üretebilir , bu da herhangi bir başlatma devresi gerekmediğinden elektrik motorlarının tasarımını basitleştirir.

Çoğu ev yükü tek fazlıdır. Kuzey Amerika konutlarında üç fazlı güç bir apartman bloğunu besleyebilirken, ev yükleri tek fazlı olarak bağlanır. Düşük yoğunluklu alanlarda, dağıtım için tek bir faz kullanılabilir. Elektrikli sobalar ve çamaşır kurutma makineleri gibi bazı yüksek güçlü ev aletleri , 240 voltta bölünmüş fazlı bir sistemle veya 208 voltta üç fazlı bir sistemin iki fazından güç alır.

Üretim ve dağıtım

Üç fazlı akımın animasyonu

Soldaki resim: her fazı ayrı bir çift iletim kablosu kullanan temel altı telli üç fazlı alternatör. Sağdaki resim: fazların sadece üç kabloyu nasıl paylaşabileceğini gösteren temel üç telli üç fazlı alternatör.

En güç istasyonu , bir elektrik jeneratörü üç kümesi içine dönüştürür mekanik güç AC elektrik akımları , jeneratörün her bir bobin (veya sarma) den on. Sargılar, akımlar aynı frekansta olacak, ancak dalga formlarının tepeleri ve çukurları, üçte bir çevrimlik bir faz ayrımıyla ( 120° veya 2π ⁄ 3 radyan ) üç tamamlayıcı akım sağlamak üzere dengelenecek şekilde düzenlenir . Jeneratör frekansı , tipik olarak 50 ya da 60 Hz ülkeye bağlı olarak,.

Güç istasyonunda transformatörler , kayıpları en aza indirmek için jeneratörlerden gelen voltajı iletim için uygun bir seviyeye değiştirir .

İletim şebekesinde daha fazla voltaj dönüşümlerinden sonra, müşterilere güç sağlanmadan önce voltaj nihayet standart kullanıma dönüştürülür.

Çoğu otomotiv alternatörü, üç fazlı AC üretir ve bunu bir diyot köprüsü ile DC'ye düzeltir .

Trafo bağlantıları

Üç fazlı bir sistemin fazları arasında "delta" bağlantılı bir transformatör sargısı bağlanır. Bir "y" transformatörü, her bir sargıyı bir faz telinden ortak bir nötr noktaya bağlar.

Tek bir üç fazlı transformatör veya üç tek fazlı transformatör kullanılabilir.

"Açık delta" veya "V" sisteminde sadece iki transformatör kullanılır. Üç tek fazlı transformatörden oluşan kapalı bir delta, transformatörlerden biri arızalanırsa veya çıkarılması gerekiyorsa açık delta olarak çalışabilir. Açık deltada, her trafo kendi fazları için akım ve üçüncü faz için akım taşımalıdır, bu nedenle kapasite %87'ye düşürülür. Üç transformatörden biri eksik ve geri kalan ikisi %87 verimlilikteyken, kapasite %58'dir ( %87'nin 2 ⁄ 3 ).

Üçgen beslemeli bir sistemin toprağa giden kaçak akımın tespiti veya aşırı gerilimlerden korunma için topraklanması gerektiğinde, toprak arıza akımlarının herhangi bir fazdan toprağa dönmesine izin vermek için bir topraklama transformatörü (genellikle bir zikzak transformatörü ) bağlanabilir. Başka bir varyasyon, transformatör bağlantılarından birinde topraklanmış kapalı bir delta olan "köşeye topraklanmış" bir delta sistemidir.

Üç telli ve dört telli devreler

Wye (Y) ve delta (Δ) devreleri

İki temel üç fazlı konfigürasyon vardır: wye (Y) ve delta (Δ). Şemada gösterildiği gibi, bir delta konfigürasyonu iletim için sadece üç kablo gerektirir, ancak bir wye (yıldız) konfigürasyonunda dördüncü bir kablo olabilir. Dördüncü tel varsa, nötr olarak sağlanır ve normal olarak topraklanır. Üç telli ve dört telli tanımlamalar , yalnızca arıza koruması için olan ve normal kullanımda akım taşımayan birçok iletim hattının üzerinde bulunan topraklama kablosunu saymaz .

Nötr, tüm besleme sargılarının "ortak yıldız noktasına" bağlandığında, faz ve nötr arasında simetrik voltajlara sahip dört telli bir sistem elde edilir. Böyle bir sistemde, üç fazın tümü, nötre göre aynı büyüklükte gerilime sahip olacaktır. Diğer simetrik olmayan sistemler kullanılmıştır.

Dört telli wye sistemi, karışık aydınlatma ve motor yükleri gibi tek fazlı ve üç fazlı yüklerin bir karışımı servis edilecekse kullanılır. Bir uygulama örneği, her müşterinin yalnızca bir fazdan ve nötrden (üç fazda ortak olan) beslendiği Avrupa'daki (ve başka yerlerdeki) yerel dağıtımdır. Nötrü paylaşan bir grup müşteri eşit olmayan faz akımlarını çektiğinde, ortak nötr tel bu dengesizliklerden kaynaklanan akımları taşır. Elektrik mühendisleri, herhangi bir yer için üç fazlı güç sistemini tasarlamaya çalışırlar, böylece üç fazın her birinden çekilen güç, o sahada mümkün olduğunca aynı olur. Elektrik mühendisleri ayrıca dağıtım ağını, yükler mümkün olduğunca dengeli olacak şekilde düzenlemeye çalışırlar, çünkü bireysel tesisler için geçerli olan aynı ilkeler, geniş ölçekli dağıtım sistemi gücü için de geçerlidir. Bu nedenle, tedarik yetkilileri tarafından, üç fazın her birine çekilen gücü çok sayıda binaya dağıtmak için her türlü çaba gösterilir, böylece tedarik noktasında ortalama olarak mümkün olduğunca dengeli bir yük görülür.

Bir transformatör çekirdeği boyunca bir delta-yön konfigürasyonu (pratik bir transformatörün genellikle her iki tarafta farklı sayıda dönüşe sahip olacağını unutmayın).

Ev içi kullanım için, İngiltere gibi bazı ülkeler bir mülke yüksek akımda (100  A'ya kadar ) bir faz ve nötr sağlayabilirken , Almanya gibi diğerleri her müşteriye 3 faz ve nötr sağlayabilir, ancak daha düşük bir sigortada derecelendirme, tipik olarak faz başına 40-63 A ve ilk faza daha fazla yük binme  eğiliminden kaçınmak için "döndürülmüş".

Aynı dağıtım sistemi üzerinde tek fazlı ve üç fazlı karışık yükler için kullanılan bir " yüksek bacak delta " sistemi için bir transformatör . Motorlar gibi üç fazlı yükler L1, L2 ve L3'e bağlanır. Tek fazlı yükler L1 veya L2 ile nötr arasına veya L1 ile L2 arasına bağlanacaktır. L3 fazı, L1 veya L2 voltajının nötre olan değerinin 1,73 katıdır, bu nedenle bu bacak tek fazlı yükler için kullanılmaz.

Wye (Y) ve delta (Δ) bağlantısına göre. Genel olarak, iletim ve dağıtım amaçlı dört farklı tipte üç fazlı transformatör sargı bağlantıları vardır.

• wye (Y) - wye (Y) küçük akım ve yüksek voltaj için kullanılır.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) büyük akımlar ve düşük voltajlar için kullanılır.
• Delta (Δ) - wye (Y), yükseltici transformatörler için, yani üretim istasyonlarında kullanılır.
• wye (Y) - Delta (Δ), düşürücü transformatörler için, yani iletimin sonunda kullanılır.

Kuzey Amerika'da, yükü besleyen üçgen bağlantılı bir transformatörün bir sargısının merkez kılavuzlu olduğu ve bu merkez kılavuzun topraklandığı ve ikinci şemada gösterildiği gibi nötr olarak bağlandığı yüksek bacaklı bir delta kaynağı bazen kullanılır. Bu kurulum üç farklı voltaj üretir: Orta kademe (nötr) ile üst ve alt kademelerin (faz ve anti-faz) her biri arasındaki voltaj 120  V ise (%100), faz ve anti-faz hatları arasındaki voltaj 240 V (%200) ve nötr ila "yüksek bacak" voltajı ≈ 208 V'dir (%173).

Üçgen bağlantılı beslemenin sağlanmasının nedeni genellikle dönen bir alan gerektiren büyük motorlara güç sağlamaktır. Bununla birlikte, ilgili tesisler ayrıca, ikisi "nötr" ve merkez kılavuzlu faz noktalarından herhangi biri arasında türetilmiş (180 derece "faz dışı") "normal" Kuzey Amerika 120 V beslemesine ihtiyaç duyacaktır.

Dengeli devreler

Mükemmel dengelenmiş durumda, her üç hat da eşdeğer yükleri paylaşır. Devreleri inceleyerek, hat gerilimi ve akımı ile Y ve üçgen bağlantılı yükler için yük gerilimi ve akımı arasındaki ilişkileri türetebiliriz.

Dengeli bir sistemde her hat, birbirinden eşit aralıklarla yerleştirilmiş faz açılarında eşit voltaj büyüklükleri üretecektir. Referansımız olarak V ₁ ve açı gösterimi kullanılarak V ₃ gecikmeli V ₂ gecikmeli V _{1 ile} ve V _LN hat ile nötr arasındaki voltaj elimizde:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{hizalı}}}$

Bu voltajlar, bir wye veya delta bağlantılı yüke beslenir.

Wye (veya yıldız; Y)

Üç fazlı AC jeneratör, bir yıldız veya yıldız kaynağı olarak bir yıldız veya yıldız bağlantılı yüke bağlanır

Yükün gördüğü voltaj, yük bağlantısına bağlı olacaktır; wye durumu için, her yükü bir faza (hattan nötre) voltajlara bağlamak şunları verir:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle (-\theta ),\ \[2pt]I_{2}&={\frac {V_{2}}{\left|Z_{\text{toplam}}\right|}}\angle \left(-120^{\circ }-\ theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\frac {V_{3}}{\left|Z_{\text{toplam}}\right|}}\angle \left(120^{ \circ }-\theta \sağ),\end{hizalı}}}$

burada Z, _toplam hat ve yük empedansı toplamıdır ( Z _toplam = Z _LN + Z _-Y ) ve θ toplam empedans (aşamasıdır Z _toplam ).

Her fazın gerilimi ve akımı arasındaki faz açısı farkı mutlaka 0 değildir ve yük empedansının tipine, Z _{y'ye bağlıdır} . Endüktif ve kapasitif yükler, akımın gerilimi geciktirmesine veya yönlendirmesine neden olur. Bununla birlikte, her bir hat çifti (1 ila 2, 2 ila 3 ve 3 ila 1) arasındaki göreceli faz açısı yine −120° olacaktır.

V olan bir tüp bağlantısı yapılandırma için bir fazör diyagramı _ab bir hat gerilimini temsil eder ve V, _bir faz voltajını temsil eder. Voltajlar şu şekilde dengelenir:

(bu durumda α = 0.)

Kirchhoff'un akım yasasını (KCL) nötr düğüme uygulayarak , üç fazlı akımlar, nötr hattaki toplam akımı toplar. Dengeli durumda:

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

Delta (Δ)

Üç fazlı AC jeneratör, üçgen bağlantılı bir yüke bir yıldız kaynağı olarak bağlı

Delta devresinde yükler hatlar arasında bağlanır ve bu nedenle yükler hatlar arası voltajları görür:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=\left(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ }\right)-\left (V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ } ={\sqrt {3}}V_{1}\angle \left(\phi _{V_{1}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{23}&=V_{ 2}-V_{3}=\left(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 120^{ \circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle \left(\phi _{V_{2}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{31}&=V_{3}-V_{1}=\left(V_{\ metin{LN}}\angle 120^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}} V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle \left(\phi _{V_{3}}+30^{\circ }\ sağ).\\\end{hizalanmış}}}$

(Φ _v1 , genellikle 0° olarak alınan birinci voltaj için faz kaymasıdır; bu durumda, Φ _v2 = −120° ve Φ _v3 = −240° veya 120°.)

Daha öte:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(30^{\circ }- \theta \right),\\[2pt]I_{23}&={\frac {V_{23}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(-90^{\ circ }-\theta \sağ),\\[2pt]I_{31}&={\frac {V_{31}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(150^ {\circ }-\theta \sağ),\end{hizalı}}}$

burada θ delta empedansının fazıdır ( Z _Δ ).

Göreceli açılar korunur, bu nedenle I ₃₁ gecikme I ₂₃ gecikme I ₁₂ x 120°. Her delta düğümünde KCL kullanılarak hat akımlarının hesaplanması şunları verir:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt { 3}}I_{12}\angle \left(\phi _{I_{12}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta ) \end{hizalanmış}}}$

ve benzer şekilde birbirleri için satır:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(\phi _{I_{23}}-30^{\circ }\right) ={\sqrt {3}}I_{23}\angle \sol(-120^{\circ }-\theta \sağ),\\[2pt]I_{3}&={\sqrt {3}}I_ {31}\angle \left(\phi _{I_{31}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(120^{\circ } -\theta \sağ),\end{hizalı}}}$

burada yine θ delta empedansının ( Z _Δ ) fazıdır .

Bir delta konfigürasyonu ve akımlarının karşılık gelen bir fazör diyagramı. Faz gerilimleri hat gerilimlerine eşittir ve akımlar şu şekilde hesaplanır:

Aktarılan toplam güç:

Bir fazör diyagramının incelenmesi veya fazör gösteriminden karmaşık gösterime dönüştürülmesi, iki hattan nötr voltaj arasındaki farkın, √ 3 faktörü kadar daha büyük bir hatlar arası voltajı nasıl verdiğini aydınlatır . Delta konfigürasyonu, bir transformatörün fazları arasında bir yükü bağladığından , hat konfigürasyonunda bir yüke iletilen hattan nötr voltajdan √ 3 kat daha büyük olan hatlar arası voltaj farkını iletir . Aktarılan güç V ² /Z olduğundan, aynı gücün aktarılabilmesi için delta konfigürasyonundaki empedans, bir wye konfigürasyonunda olacağının 3 katı olmalıdır.

Tek fazlı yükler

Bir hariç yüksek bacak ö sistemi ve bir köşe topraklı delta sistemi, tek fazlı yükler, iki faza bağlı olabilir ya da bir yük nötr fazdan bağlanabilir. Üç fazlı bir sistemin fazları arasında tek fazlı yüklerin dağıtılması, yükü dengeler ve iletken ve transformatörlerin en ekonomik şekilde kullanılmasını sağlar.

Simetrik üç fazlı dört telli bir wye sisteminde, üç fazlı iletkenler sistem nötrüne aynı voltaja sahiptir. Hat iletkenleri arasındaki gerilim , faz iletkeninin nötr gerilime göre √ 3 katıdır:

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

Müşterilerin tesislerinden besleme transformatörüne dönen akımların tümü nötr kabloyu paylaşır. Yükler üç fazın tümüne eşit olarak dağıtılırsa, nötr teldeki geri dönen akımların toplamı yaklaşık olarak sıfırdır. Transformatörün sekonder tarafındaki herhangi bir dengesiz faz yüklemesi, transformatör kapasitesini verimsiz kullanacaktır.

Besleme nötrü kesilirse, faz-nötr gerilimi artık korunmaz. Daha yüksek bağıl yüklemeye sahip fazlar, düşük voltaj yaşayacak ve daha düşük bağıl yüklemeye sahip fazlar, fazdan faza voltaja kadar yüksek voltaj yaşayacaktır.

Bir yüksek bacak delta faz-nötr bir ilişki sağlar V _LL = 2  V _LN  Ancak LN yükü bir faz üzerinde uygulanır. Bir transformatör üreticisinin sayfası, LN yüklemesinin transformatör kapasitesinin %5'ini aşmamasını önerir.

Yana √ 3 tanımlayan ≈ 1.73, V _LN % 100 verir V _LL ≈% 100 x 1.73 = 173% . Eğer V _LL sonra% 100 olarak ayarlandı V _LN ≈% 57,7 .

dengesiz yükler

Üç fazlı bir sistemin üç canlı kablosundaki akımlar eşit olmadığında veya tam 120° faz açısında olmadığında, güç kaybı mükemmel dengeli bir sistemden daha büyüktür. Dengesiz sistemleri analiz etmek için simetrik bileşenler yöntemi kullanılır.

Doğrusal olmayan yükler

Lineer yüklerde, nötr sadece fazlar arasındaki dengesizlik nedeniyle akımı taşır. Anahtarlamalı güç kaynakları , bilgisayarlar, ofis ekipmanları ve benzeri gibi doğrultucu-kapasitör ön ucunu kullanan gaz deşarj lambaları ve cihazlar , tüm besleme fazlarında faz içi olan üçüncü mertebeden harmonikler üretir . Sonuç olarak, bu tür harmonik akımlar, bir yıldız sisteminde (veya bir delta sisteminde topraklanmış (zikzak) transformatörde) nötre eklenir, bu da nötr akımın faz akımını aşmasına neden olabilir.

Üç fazlı yükler

Dönen manyetik alanlara sahip üç fazlı elektrik makinesi

Üç fazlı yükün önemli bir sınıfı elektrik motorudur . Üç fazlı bir asenkron motor, basit bir tasarıma, doğası gereği yüksek başlangıç ​​torku ve yüksek verimliliğe sahiptir. Bu tür motorlar endüstride birçok uygulama için kullanılmaktadır. Üç fazlı bir motor, aynı voltaj sınıfına ve derecesine sahip tek fazlı bir motordan daha kompakt ve daha az maliyetlidir ve 10  HP'nin (7,5 kW) üzerindeki tek fazlı AC motorlar yaygın değildir. Üç fazlı motorlar ayrıca aynı koşullar altında kullanılan aynı güce sahip tek fazlı motorlardan daha az titreşir ve dolayısıyla daha uzun ömürlüdür.

Elektrikli kazanlar veya alan ısıtma gibi dirençli ısıtma yükleri , üç fazlı sistemlere bağlanabilir. Elektrikli aydınlatma da benzer şekilde bağlanabilir.

Işıktaki hat frekansı titremesi, ağır çekim tekrarları için spor müsabakası yayınlarında kullanılan yüksek hızlı kameralar için zararlıdır . Hat frekansıyla çalışan ışık kaynaklarını üç faza eşit şekilde yayarak, aydınlatılan alanın üç fazdan da aydınlatılmasıyla azaltılabilir. Bu teknik, 2008 Pekin Olimpiyatları'nda başarıyla uygulandı.

Doğrultucular , altı darbeli bir DC çıkışı üretmek için üç fazlı bir kaynak kullanabilir. Bu tür doğrultucuların çıkışı, doğrultulmuş tek fazdan çok daha düzgündür ve tek fazın aksine darbeler arasında sıfıra düşmez. Bu tür redresörler, akü şarjı, alüminyum üretimi gibi elektroliz işlemleri veya DC motorların çalıştırılması için kullanılabilir. "Zig-zag" transformatörler , altı fazlı tam dalga doğrultma, döngü başına on iki darbe eşdeğeri yapabilir ve bu yöntem, elde edilen DC'nin kalitesini artırırken filtreleme bileşenlerinin maliyetini azaltmak için zaman zaman kullanılır.

Almanya'da geçmişte elektrikli sobalarda kullanılan üç fazlı fiş

Üç fazlı yüke bir örnek, çelik yapımında ve cevherlerin rafine edilmesinde kullanılan elektrik ark ocağıdır.

Birçok Avrupa ülkesinde elektrikli sobalar genellikle kalıcı bağlantıya sahip üç fazlı besleme için tasarlanmıştır. Bireysel ısıtma üniteleri, üç faz mevcut değilse, tek fazlı bir devreye bağlantıya izin vermek için genellikle faz ve nötr arasına bağlanır. Evsel alandaki diğer olağan üç fazlı yükler, tanksız su ısıtma sistemleri ve depolama ısıtıcılarıdır . Avrupa ve Birleşik Krallık'taki evler, herhangi bir faz ve toprak arasında nominal bir 230 V'ta standardize edilmiştir. (Birleşik Krallık'ta mevcut beslemeler 240 V civarında kalıyor.) Çoğu ev grubu üç fazlı bir sokak trafosundan beslenir, böylece ortalamanın üzerinde talebe sahip bireysel tesisler ikinci veya üçüncü faz bağlantısı ile beslenebilir.

Üç fazlı elektrikli akıllı sayaç

Aclara Technologies tarafından geliştirilen ilk yeni üç fazlı SMETS2 sayacı, Ağustos 2020'de İngiltere'nin Gloucestershire kentinde, İngiltere enerji tedarikçisi Good Energy adına takıldı .

Ticari bir mülkteki ilk üç fazlı SMETS2 sayacı, Ağustos 2020'de Güney Galler, Aberdare'de kuruldu.

Faz dönüştürücüler

Faz dönüştürücüler , üç fazlı ekipmanın tek fazlı bir güç kaynağında çalıştırılması gerektiğinde kullanılır. Üç fazlı güç mevcut olmadığında veya maliyetin makul olmadığı durumlarda kullanılırlar. Bu tür dönüştürücüler ayrıca frekansın değiştirilmesine izin vererek hız kontrolüne izin verebilir. Bazı demiryolu lokomotifleri, elektronik bir sürücü aracılığıyla beslenen üç fazlı motorları sürmek için tek fazlı bir kaynak kullanır.

Bir döner faz dönüştürücü özel başlangıç düzenlemeleri ve bir üç fazlı motordur güç faktörü üç faz voltajlarını dengeli üretir düzeltme. Uygun şekilde tasarlandıklarında, bu döner dönüştürücüler, tek fazlı bir kaynak üzerinde üç fazlı bir motorun tatmin edici bir şekilde çalışmasına izin verebilir. Böyle bir cihazda enerji depolaması, dönen bileşenlerin ataleti (volan etkisi) ile gerçekleştirilir. Bazen milin bir veya iki ucunda harici bir volan bulunur.

Üç fazlı bir jeneratör, tek fazlı bir motor tarafından çalıştırılabilir. Bu motor-jeneratör kombinasyonu, faz dönüştürmenin yanı sıra bir frekans değiştirici işlevi de sağlayabilir, ancak tüm masrafları ve kayıpları ile iki makine gerektirir. Motor-jeneratör yöntemi ayrıca büyük bir volan ve pille çalışan bir DC motor ile birlikte kullanıldığında kesintisiz bir güç kaynağı oluşturabilir ; böyle bir kombinasyon, yedek jeneratör devreye girene kadar bir yedek jeneratör setinde yaşanan geçici frekans düşüşüne kıyasla neredeyse sabit güç sağlayacaktır.

Statik faz dönüştürücüde üç fazlı bir sisteme yaklaşmak için kapasitörler ve ototransformatörler kullanılabilir, ancak ek fazın voltajı ve faz açısı yalnızca belirli yükler için faydalı olabilir.

Değişken frekanslı sürücüler ve dijital faz dönüştürücüler , tek fazlı giriş gücünden dengeli bir üç fazlı kaynağı sentezlemek için güç elektroniği cihazlarını kullanır.

Test yapmak

Bir devredeki faz sırasının doğrulanması oldukça pratik öneme sahiptir. Örneğin, bir jeneratörü enerji verilmiş bir dağıtım şebekesine bağlarken veya iki transformatörü paralel bağlarken, aynı faz sırasına sahip olmadıkça iki üç fazlı güç kaynağı paralel olarak bağlanmamalıdır. Aksi takdirde, ara bağlantı kısa devre gibi davranacak ve aşırı akım akacaktır. Üç fazlı motorların dönüş yönü, herhangi iki fazın değiştirilmesiyle tersine çevrilebilir; Bir makineyi, dönüşünü gözlemlemek için motora anlık olarak enerji vererek test etmek pratik veya zararlı olabilir. İki kaynağın faz sırası, terminal çiftleri arasındaki voltaj ölçülerek ve aralarında çok düşük voltaj olan terminallerin aynı faza sahip olacağı, daha yüksek voltaj gösteren çiftlerin farklı fazlarda olduğu gözlemlenerek doğrulanabilir.

Mutlak faz özdeşliğinin gerekli olmadığı durumlarda, tek bir gözlemle dönüş sırasını belirlemek için faz dönüşü test cihazları kullanılabilir. Faz dönüşü test cihazı, dönüş yönü cihaz kasasından doğrudan gözlemlenebilen minyatür bir üç fazlı motor içerebilir. Başka bir model, faz dönüşünü görüntülemek için bir çift lamba ve dahili bir faz kaydırma ağı kullanır. Başka bir cihaz türü, enerjisi kesilmiş bir üç fazlı motora bağlanabilir ve motor şaftı elle döndürüldüğünde artık manyetizmanın neden olduğu küçük voltajları algılayabilir. Verilen mil dönüş yönü için terminallerdeki voltaj sırasını göstermek için bir lamba veya başka bir gösterge yanar.

Üç fazlı alternatifler

Bölünmüş fazlı elektrik gücü

Üç fazlı güç mevcut olmadığında kullanılır ve yüksek güçlü yükler için normal kullanım voltajının iki katı sağlanmasına izin verir.

İki fazlı elektrik gücü

Aralarında 90 elektriksel derece faz kayması olan iki AC voltajı kullanır. İki fazlı devreler, iki çift iletken ile kablolanabilir veya devre için yalnızca üç kablo gerektiren iki kablo birleştirilebilir. Ortak iletkendeki akımlar, ayrı fazlardaki akımın 1,4 katına eklenir, bu nedenle ortak iletken daha büyük olmalıdır. İki fazlı ve üç fazlı sistemler, Charles F. Scott tarafından icat edilen bir Scott-T transformatörü ile birbirine bağlanabilir . Çok erken dönem AC makineleri, özellikle Niagara Şelaleleri'ndeki ilk jeneratörler, iki fazlı bir sistem kullandı ve bazı kalan iki fazlı dağıtım sistemleri hala var, ancak üç fazlı sistemler, modern kurulumlar için iki fazlı sistemin yerini aldı.

monosiklik güç

Charles Proteus Steinmetz ve Elihu Thomson tarafından savunulan, 1897 civarında General Electric tarafından kullanılan asimetrik modifiye edilmiş iki fazlı bir güç sistemi . Bu sistem patent ihlalini önlemek için tasarlanmıştır. Bu sistemde, bir jeneratör, yükleri aydınlatmaya yönelik tam voltajlı tek fazlı bir sargı ve ana sargılarla dörtlü bir voltaj üreten küçük bir kesirli (genellikle hat voltajının 1/4'ü) sargı ile sarılmıştır. Amaç, bu "güç kablosu" ek sargısını, asenkron motorlar için başlangıç ​​torku sağlamak üzere kullanmaktı ve ana sargı, aydınlatma yükleri için güç sağlıyordu. Westinghouse'un simetrik iki fazlı ve üç fazlı güç dağıtım sistemlerine ilişkin patentlerinin süresinin dolmasının ardından monosiklik sistem kullanım dışı kaldı; analiz edilmesi zordu ve tatmin edici enerji ölçümünün geliştirilmesi için yeterince uzun sürmedi.

Yüksek fazlı sistemler

Güç aktarımı için inşa edilmiş ve test edilmiştir. Bu tür iletim hatları tipik olarak altı veya on iki faz kullanır. Yüksek fazlı iletim hatları , hattın her iki ucunda bir yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) dönüştürücü masrafı olmadan belirli bir hacim boyunca orantılı olarak daha yüksek gücün biraz daha azının transferine izin verir . Ancak, buna uygun olarak daha fazla ekipmana ihtiyaç duyarlar.

DC

AC, uzun mesafeli iletim için kolayca daha yüksek voltajlara dönüştürülebildiği için tarihsel olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, modern elektronikler DC voltajını yüksek verimlilikle yükseltebilir ve DC , iletim kablolarının daha hafif ve daha ucuz olmasına izin veren cilt etkisinden yoksundur ve bu nedenle yüksek voltajlı doğru akım , uzun mesafelerde daha düşük kayıplar verir.

Renk kodları

Üç fazlı bir sistemin iletkenleri, dengeli yüklemeye izin vermek ve motorlar için doğru faz dönüşünü sağlamak için genellikle bir renk koduyla tanımlanır . Kullanılan renkler Uluslararası IEC 60446 (daha sonra IEC 60445 ) Standardına , daha eski standartlara veya hiç standarda uymayabilir ve tek bir kurulumda bile değişebilir. Örneğin ABD ve Kanada'da topraklı (topraklı) ve topraksız sistemler için farklı renk kodları kullanılmaktadır.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar

• AC Güç Geçmişi ve Zaman Çizelgesi