Perché alimentazione trifase? Perché non un numero maggiore di fasi?

C'è una ragione, oltre le ragioni storiche, che tre fasi sono diventate il numero dominante di fasi?

Sono consapevole dei vantaggi rispetto a una fase e due fasi, vale a dire la ridotta quantità di conduttore necessaria e che i motori possono fornire coppia quando sono in stallo (e meno pulsazioni).

Ciò è dovuto esclusivamente a rendimenti decrescenti, con solo un piccolo aumento della scorrevolezza dell'applicazione della coppia, a costo di una maggiore complessità (aumento del numero di fili (anche se di CSA più piccolo)).

Per essere chiari, le fasi sono tutte distribuite uniformemente, cioè cinque fasi separate da 72 gradi.

Oltre alla risposta di PlasmaHH, l'industria utilizza quasi esclusivamente l'alimentazione trifase poiché un motore a induzione necessita di almeno un'alimentazione trifase per avviarsi e funzionare in una direzione nota. I motori a induzione monofase richiedono trucchi con perdita, inaffidabili e costosi per fare lo stesso (avvolgimenti extra, avvolgimenti con perdita, interruttore sensibile alla velocità, condensatori, ecc.).

La rete di approvvigionamento si basa su tre fasi poiché è la più efficiente in termini di generazione e consegna. L'uso di una griglia a 9 fasi, ad esempio, richiederebbe l'esecuzione di 9 fili per l'intera griglia di distribuzione, non economicamente conveniente.

I motori di ordine superiore menzionati non usano fasi generate in linea. I motori passo-passo utilizzano più fasi per un controllo più preciso. I raddrizzatori polifase di alto ordine sono progettati spesso con più "fasi", per ridurre l'ondulazione, ma le fasi sono generate localmente spostando di fase l'ingresso di linea in qualche modo, sia con spostamento LC diretto, sia utilizzando un gruppo motore-generatore.

Quando si dispone di una distribuzione di potenza monofase, sono necessari una fase e un ritorno, entrambi con la stessa corrente.

Se ora invece usi una potenza trifase simmetrica , usi tre fasi con un terzo della capacità di trasporto corrente e puoi liberarti del neutro. Questo fa semplicemente risparmiare un po 'di soldi in rame. Se ora aggiungi più fasi, non puoi salvare altro rame, ma solo aggiungere complessità.

Se hai una potenza trifase asimmetrica , non puoi liberarti del neutro, ma non è necessario essere in grado di gestire tutta la corrente combinata di tutte e tre le fasi in cambio. Ancora una volta un po 'di rame salvato. L'aggiunta di più fasi però non ridurrà così tanto il rame necessario per il neutro.

Quindi sì, alla fine è un costo maggiore per praticamente nessun guadagno nell'applicazione media. Quindi troverai solo più di tre fasi per cose molto speciali.

Tre è il numero più basso di fasi che sono equamente distanziate attorno al cerchio e che possono essere utilizzate per creare un campo magnetico rotante in una data direzione.

Altre fasi richiedono solo più fili e più avvolgimenti in un motore a induzione.

Due fasi possono impostare un campo magnetico rotante se sono distanti 90 gradi (" quadratura "). I trucchi generatori di quadrature come i condensatori di marcia vengono utilizzati con motori a induzione che alimentano l'alimentazione monofase.

La potenza a due fasi risulta non avere vantaggi. I motori funzionano in modo più fluido su tre fasi e due fasi bilanciate richiedono quattro conduttori mentre tre fasi ne richiedono solo tre. Vale a dire, possiamo collegare un generatore trifase con un motore a induzione trifase usando esattamente tre fili. È possibile trifase a due fili, ma non sarà bilanciato. Due dei conduttori eseguiranno le fasi e il terzo conduttore fungerà da neutro. Ciò significa che un filo deve gestire più corrente poiché agisce come un ritorno per gli altri due. I tre conduttori sotto trifase portano tutti la stessa corrente: sono bilanciati.

Per tutti questi motivi, tre fasi rappresentano un ottimale. Se è un dato di fatto che l'elettricità viene utilizzata per i motori a induzione, più di tre fasi è dispendiosa, e quindi meno di tre.

Tuttavia, sono stati utilizzati sistemi a due fasi, così come i sistemi di fase di ordine superiore, come sei e dodici fasi, continuano ad esserlo perché presentano alcuni vantaggi speciali.

Aggiunta ad altre risposte:

Lo scopo principale è che avere almeno tre fasi consente al motore di avviarsi nella direzione prevista. Per i motori asincroni monofase sono necessarie alcune soluzioni alternative (come mettere cavi aggiuntivi con un condensatore utilizzato durante l'avvio). È stato spiegato correttamente nelle risposte precedenti.

Perché non di più? Semplicemente: non è necessario e genera costi. Non è solo il problema dei fili (quindi l'uso di rame, isolamento) ma anche il problema di costruzione. Riesci a immaginare una torre per linee aeree con nove fasi? Bene, probabilmente puoi - a volte si possono incontrare torri che contengono due linee trifase, o anche di più:

(foto da Wikipedia)

Il problema principale qui è quello di garantire una distanza di isolamento adeguata tra conduttori e conduttori e terra (o struttura della torre), che richiede un ampio uso di materiali.

Inoltre, se hai più fasi, la possibilità di fallimento è maggiore. Naturalmente, in questo caso (diciamo - un conduttore rotto) l'asimmetria totale sarà più bassa, ma un rischio di necessità di spegnere l'intera linea sarà più alto.

Costruire un generatore per più fasi è anche complicato. Tipicamente, gli idrogeneratori, con una bassa velocità, hanno molte coppie di poli, quindi sarebbe ok non fornire coppie a 24 poli, ma uno o due (ad esempio, per 12 fasi), ma è complicato per le unità generatore-turbina termica. Di solito c'è una coppia polare, a volte due. Ciò porta a una velocità di 3000 giri / min (per rete 50 Hz). È necessario che lo statore riceva energia da tale macchina con il minor rischio possibile, quindi meno fasi significa meno possibilità di cortocircuiti a sua volta. L'introduzione di più fasi richiederebbe una costruzione dello statore molto più costosa.

Si noti inoltre che anche se oggi non è un problema avere un convertitore di frequenza per l'elettronica di potenza, anche moltiplicando fasi, rettificando ecc., È stato un problema solo 30 anni fa e ovviamente anche di più. Quindi le persone hanno deciso di utilizzare tre fasi e ora è impossibile passare.

Perché solo 3 fasi? Bene, se abbiamo bisogno di più fasi, possiamo convertire facilmente 3 fasi in 6 fasi / 12 fasi ecc. Utilizzando un trasformatore cablato per farlo. L'applicazione principale di più fasi è quella di ridurre la tensione di ripple in un banco di condensatori rettificato a ponte intero. Non ne ho mai visto uno, ma ho imparato a conoscerli da un antico docente all'università mentre facevo ingegneria elettrica.

Supponiamo anche che avessimo una configurazione delta di 3 resistori abbinati collegati a una connessione trifase. La potenza utilizzata nel tempo sarà identica a una resistenza alimentata a CC perché quando una fase è allo 0%, le altre due fasi saranno al 66,66% e 33,33% se ricordo correttamente. Questa relazione significa anche che la potenza di una fase ritornerà nelle altre fasi. La trifase non è fantastica!

Quindi, per riassumere, non sono necessarie fasi aggiuntive perché è possibile convertirlo facilmente in più fasi alla fine. Di solito non è fatto, dato che la fase 3 è già fantastica.

Spero che sia di aiuto.

La trifase ha una proprietà molto importante: se si guarda alla potenza (V ^ 2 / R) in tutte e tre le fasi e si sommano, quella potenza è COSTANTE in tutto il ciclo. Ciò significa che i motori trifase possono funzionare a potenza costante e i generatori vedono un carico costante. La fase 2 non è sufficiente per ottenere questa relazione.

Si potrebbero usare conteggi di fase più elevati, ma costa di più cablare e non offrirebbe alcun vantaggio aggiuntivo nella maggior parte delle situazioni. Viene scelta la fase 3 perché è un numero minimo di fili con buone proprietà.

Molte delle altre risposte affermano erroneamente che sono necessarie 3 fasi affinché un motore si avvii in modo affidabile o giri in una direzione specifica e per utilizzare una potenza costante. In realtà, questo potrebbe essere fatto con due fasi, a 90 ° di distanza l'una dall'altra. Ottieni comunque una direzione definita e un assorbimento di potenza costante su un ciclo.

Tuttavia, un tale sistema a due fasi richiederebbe un minimo di tre fili, ma la corrente attraverso i tre fili non sarebbe simmetrica per un carico a potenza costante. Quindi, se hai bisogno di tre fili, qual è il modo migliore per utilizzare questi tre fili nel modo più efficiente e flessibile possibile? La risposta è il sistema trifase che effettivamente utilizziamo. Invece di una linea comune e due linee "calde" a 90 ° fuori fase, si hanno tre linee calde simmetriche, ciascuna 120 ° fuori fase dalle altre due. Si noti che la tensione media (e la corrente per un carico bilanciato) è sempre 0 per un sistema trifase simmetrico. Questo non è vero per un sistema a 2 fasi.

Più fasi non offrono ulteriori proprietà desiderabili, quindi aggiungerebbero solo complessità e costi.

Una tensione è, per definizione, tra due conduttori. Se hai un conduttore, non hai tensioni. Nessuna tensione, nessuna alimentazione, non succede nulla. Non molto utile.

Se hai due conduttori, hai una coppia (2C2), che consente una tensione. Lo chiamiamo monofase. Ora possiamo effettivamente far accadere le cose, il che è un vantaggio sostanziale rispetto all'avere un solo conduttore. Ma puoi far succedere solo una cosa; non vi è alcuna variazione nel modo in cui il carico può essere collegato. Detto in altro modo, c'è solo una dimensione della tensione: è positiva o è negativa. Un problema comune è che se si collega un motore monofase direttamente a una linea CA, non si ha alcuna garanzia su come girerà o se lo farà affatto.

Se hai tre conduttori, hai tre coppie (3C2), che consente tre tensioni. Lo chiamiamo trifase. Ora possiamo far accadere tre cose, in momenti diversi . Ad esempio, potresti avere tre elettromagneti disposti in un cerchio e accenderli tutti in sequenza. Ora possiamo garantire che un motore ruoti e in quale direzione. Questo è un vantaggio sostanziale rispetto alla monofase. Detto in altro modo, ora abbiamo due dimensioni alla tensione; è rappresentato da un vettore in uno spazio bidimensionale. Esistono solo due possibili distinte disposizioni dei conduttori ((3-1)!), Che corrispondono alle due possibili direzioni di rotazione.

Se si estende questo a quattro conduttori, si hanno sei coppie (4C2), quindi il passo successivo è la tensione a sei fasi. Quali vantaggi avrebbe sei fasi rispetto a tre fasi? Bene, ora ci sono (4-1)! = 6 possibili distinte disposizioni di conduttori, il che significa che se stai provando a far ruotare qualcosa su un piano, potresti collegare le cose in modo incompatibile con quello. Quindi, se avessi un motore a induzione a sei avvolgimenti, sarebbe possibile collegarlo in modo tale da vibrare in modo orribile e ruotare a metà della velocità normale, piuttosto che scegliere solo una direzione o l'altra. Questo non è un vantaggio.

Ma supponiamo che il tuo rotore avesse tre gradi di libertà di rotazione anziché uno. Con sei fasi e un'appropriata disposizione meccanica dei poli magnetici, è possibile indurre la rotazione (rollio, beccheggio e imbardata) in un rotore sferico flottante di posizione fissa. Dal momento che una cosa del genere non esiste per quanto ne sappia, ciò non si qualifica davvero come un'applicazione utile. (Forse in un ambiente a gravità nulla, in cui i poli magnetici stanno orbitando attorno a un corpo? Ma allora, come sono tutti collegati alla stessa linea CA a sei fasi?) Naturalmente, in uno spazio quadridimensionale, dove avremmo potuto avere tale sistema e ancora tradurre tutte e tre le direzioni di rotazione in qualche altro carico al di fuori della nostra disposizione sferica di statore / rotore, questa disposizione potrebbe essere utile.

Nel frattempo, nello spazio 3 + 1, lavoro nel mondo dell'elettronica di potenza industriale e ho visto sistemi che usano il tipo di trasformatori di sfasamento che altre risposte hanno menzionato. Per quanto riguarda la nomenclatura, nessuno con cui ho parlato descriverà l'utilizzo di un trasformatore a sfasamento per generare altre tre gambe CA fuori fase per creare "sei fasi". (Secondo la mia matematica, avresti quindici fasi, ma questo non è ancora il linguaggio usato.) Quando esegui trifase attraverso un raddrizzatore in un cappuccio, ottieni sei impulsi di corrente per ciclo. Per questo tipo di sistema, otterresti dodici impulsi, quindi quel tipo di sistema sarebbe chiamato dodici impulsi.

(In generale, il raddrizzatore a dodici impulsi è due raddrizzatori a sei impulsi. Se si dispone di due azionamenti del motore, è possibile collegare i loro bus CC direttamente insieme e alimentare ciascuno con un diverso set trifase. Oppure è possibile ottenere un stand-alone raddrizzatore per un set e alimentare il suo ingresso DC nell'unità rimanente.)

Se stai confrontando un raddrizzatore a sei impulsi con un raddrizzatore a dodici impulsi, con carichi identici, ogni impulso corrente deve essere più piccolo per compensare il fatto che ce ne siano più che guidano lo stesso carico. Questo rende la corrente fuori dalla linea un po 'più simile a un'onda sinusoidale, il che significa che le armoniche sono ridotte. Anche l'ondulazione sui tappi è più bassa, ma non ho mai saputo che nessuno fosse terribilmente preoccupato per questo.

Maggiori miglioramenti delle armoniche possono essere ottenuti con un sistema a diciotto impulsi e tre raddrizzatori. (36 fasi!) A tensioni e potenze più elevate, possono esistere anche numeri più elevati di raddrizzatori in parallelo. Questo documento su una linea VFD di media tensione fa riferimento a un raddrizzatore a 54 impulsi a 11 kV!

TL; DR

Il potere trifase ci offre un grado di libertà rotazionale, che è il limite di ciò che è utile in uno spazio tridimensionale.

Un altro semplice motivo: le fasi aggiuntive sarebbero "due simili" a quelle esistenti. In altre parole: qualsiasi fase aggiuntiva sarebbe semplicemente una combinazione lineare delle tensioni tra i tre fili esistenti: lo spazio vettoriale attraversato da seno e coseno è solo bidimensionale.

Un altro aspetto del problema è la questione delle geometrie dei conduttori per le linee di trasmissione ad alta tensione. Con tre linee, i problemi di induttanza e correnti di diafonia indotta sono ridotti al minimo e filtrati più facilmente rispetto a un ulteriore multiplo di conduttori. I costi continuano ad aumentare più rapidamente dei vantaggi con più conduttori.

Lionel Barthold, fondatore di Power Technologies, Inc., lo ha spiegato bene:

" Perché alimentazione trifase? Perché non 6 o 12? "

Dice che sebbene abbia progettato sistemi di fase superiore, non sono pratici a causa, come dici tu, di rendimenti decrescenti, soprattutto per quanto riguarda tutti i trasformatori necessari nelle sottostazioni. Quando raddoppi il numero di fasi, devi anche raddoppiare la quantità di equipaggiamento nelle sottostazioni.