Capitolul 10 - Circuite AC polifazice

Diagrama schematică a sistemului de alimentare monofazat arată puțin despre cablarea unui circuit de alimentare practic.

sisteme

Prezentat mai sus, este un circuit de curent alternativ foarte simplu. Dacă disiparea puterii rezistorului de sarcină ar fi substanțială, am putea numi acest lucru „circuit de putere” sau „sistem de alimentare” în loc să îl considerăm doar ca un circuit obișnuit.

Distincția dintre un „circuit de putere” și un „circuit regulat” poate părea arbitrară, dar preocupările practice nu sunt cu siguranță.

Analiza practică a circuitului

O astfel de preocupare este dimensiunea și costul cablajului necesare pentru a furniza energie de la sursa de curent alternativ la sarcină. În mod normal, nu ne gândim prea mult la acest tip de îngrijorare dacă analizăm doar un circuit de dragul de a învăța despre legile electricității.

Cu toate acestea, în lumea reală, poate fi o preocupare majoră. Dacă acordăm sursei din circuitul de mai sus o valoare de tensiune și dăm, de asemenea, valori de disipare a puterii celor două rezistențe de sarcină, putem determina necesitățile de cablare pentru acest circuit special:

Din punct de vedere practic, cablarea pentru sarcinile de 20 kW la 120 Vac este destul de substanțială (167 A).

83,33 amperi pentru fiecare rezistență de sarcină din figura de mai sus adaugă până la 166,66 amperi curent total al circuitului. Aceasta nu este o cantitate mică de curent și ar necesita conductoare de sârmă de cupru de cel puțin 1/0 gabarit.

Un astfel de fir are un diametru de peste 1/4 inch (6 mm), cântărind peste 300 de lire sterline pe mia de picioare. Rețineți că nici cuprul nu este ieftin! Ar fi în interesul nostru să găsim modalități de a minimiza astfel de costuri dacă am proiecta un sistem de alimentare cu lungimi mari de conductori.

O modalitate de a face acest lucru ar fi creșterea tensiunii sursei de energie și utilizarea sarcinilor construite pentru a disipa 10 kW fiecare la această tensiune mai mare.

Sarcinile, desigur, ar trebui să aibă valori de rezistență mai mari pentru a disipa aceeași putere ca înainte (10 kW fiecare) la o tensiune mai mare decât înainte.

Avantajul ar fi mai mic de curent necesar, permițând utilizarea firelor mai mici, mai ușoare și mai ieftine:

Aceleași sarcini de 10 kW la 240 Vac necesită cabluri mai puțin substanțiale decât la 120 Vac (83 A).

Acum curentul total al circuitului nostru este de 83,33 amperi, jumătate din cât era înainte.

Acum putem folosi sârmă de calibru numărul 4, care cântărește mai puțin de jumătate din ceea ce face sârmă de calibru 1/0 pe unitate de lungime. Aceasta reprezintă o reducere considerabilă a costului sistemului, fără degradarea performanței.

Acesta este motivul pentru care proiectanții de sisteme de distribuție a energiei aleg să transmită energie electrică folosind tensiuni foarte mari (multe mii de volți): pentru a valorifica economiile realizate prin utilizarea unui fir mai mic, mai ușor și mai ieftin.

Pericolele creșterii tensiunii sursei

Cu toate acestea, această soluție nu este lipsită de dezavantaje. O altă preocupare practică cu privire la circuitele de alimentare este pericolul de electrocutare de la tensiuni ridicate.

Din nou, acest lucru nu este de obicei genul de lucruri pe care ne concentrăm în timp ce învățăm despre legile electricității, dar este o preocupare foarte valabilă în lumea reală, mai ales atunci când se tratează cantități mari de energie.

Câștigul de eficiență realizat prin creșterea tensiunii circuitului ne prezintă un pericol crescut de electrocutare. Companiile de distribuție a energiei electrice abordează această problemă înșirând liniile electrice de-a lungul stâlpilor sau turnurilor înalte și izolând liniile de structurile de susținere cu izolatori mari, din porțelan.

La punctul de utilizare (clientul de energie electrică), există încă problema tensiunii de utilizat pentru alimentarea sarcinilor.

Tensiunea înaltă oferă o eficiență mai mare a sistemului prin intermediul curentului redus al conductorului, dar s-ar putea să nu fie întotdeauna practic să țineți cablurile de alimentare la îndemână la punctul de utilizare, așa cum poate fi ridicat la îndemână în sistemele de distribuție.

Acest compromis între eficiență și pericol este unul pe care proiectanții de sisteme de alimentare europeni au decis să-l riscă, toate gospodăriile și aparatele lor funcționând la o tensiune nominală de 240 volți în loc de 120 volți, așa cum este în America de Nord.

Acesta este motivul pentru care turiștii din America care vizitează Europa trebuie să poarte mici transformatoare descendente pentru aparatele lor portabile, pentru a reduce puterea de 240 VAC (volți AC) până la 120 VCA mai potrivită.

Soluții pentru livrarea tensiunii către consumatori

Transformatoare reduse la punctul final al consumului de energie

Există vreo modalitate de a realiza în același timp avantajele atât ale eficienței sporite, cât și ale riscului redus pentru siguranță?

O soluție ar fi instalarea transformatoarelor descendente la punctul final al consumului de energie, la fel cum trebuie să facă turistul american în Europa.

Cu toate acestea, acest lucru ar fi scump și incomod pentru orice, în afară de sarcini foarte mici (unde transformatoarele pot fi construite ieftin) sau sarcini foarte mari (în cazul în care cheltuiala firelor groase de cupru ar depăși cheltuiala unui transformator).

Două sarcini de tensiune mai mică în serie

O soluție alternativă ar fi utilizarea unei surse de tensiune mai mare pentru a furniza energie la două sarcini de tensiune mai mică din serie. Această abordare combină eficiența unui sistem de înaltă tensiune cu siguranța unui sistem de joasă tensiune:

Serie conectată la 120 Vac sarcini, acționate de o sursă 240 Vac la 83,3 A curent total.

Observați marcajele de polaritate (+ și -) pentru fiecare tensiune afișată, precum și săgețile unidirecționale pentru curent.

În cea mai mare parte, am evitat etichetarea „polarităților” în circuitele de curent alternativ pe care le-am analizat, chiar dacă notația este validă pentru a oferi un cadru de referință pentru fază.

În secțiunile ulterioare ale acestui capitol, relațiile de fază vor deveni foarte importante, așa că introduc această notație la început în capitol pentru familiarizarea dvs.

Curentul prin fiecare sarcină este același ca în circuitul simplu de 120 volți, dar curenții nu sunt aditivi, deoarece sarcinile sunt mai degrabă în serie decât paralele.

Tensiunea pe fiecare sarcină este de numai 120 de volți, nu de 240, deci factorul de siguranță este mai bun. Atenție, avem încă 240 de volți pe cablurile sistemului de alimentare, dar fiecare sarcină funcționează la o tensiune redusă.

Dacă cineva va fi șocat, șansele sunt că va veni din contactul cu conductorii unei anumite sarcini, mai degrabă decât din contactul peste firele principale ale unui sistem de alimentare.

Modificări la proiectarea seriilor cu două încărcări

Există un singur dezavantaj în acest design: consecințele unei sarcini care nu se deschid sau sunt oprite (presupunând că fiecare încărcare are un comutator de pornire/oprire în serie pentru a întrerupe curentul) nu sunt bune.

Fiind un circuit de serie, dacă s-ar deschide oricare dintre sarcini, curentul s-ar opri și în cealaltă sarcină. Din acest motiv, trebuie să modificăm un pic designul: (Figura de mai jos)

Adăugarea unui conductor neutru permite acționarea individuală a sarcinilor.

Sistem de alimentare în fază divizată

În loc de o singură sursă de alimentare de 240 volți, folosim două surse de 120 volți (în fază una cu cealaltă!) În serie pentru a produce 240 volți, apoi rulăm un al treilea fir până la punctul de conectare dintre sarcini pentru a face față eventualității unei sarcini. deschidere.

Aceasta se numește sistem de alimentare în fază divizată. Trei fire mai mici sunt încă mai ieftine decât cele două fire necesare cu designul paralel simplu, așa că suntem încă în avans în ceea ce privește eficiența.

Observatorul înțelept va observa că firul neutru trebuie să transporte doar diferența de curent dintre cele două sarcini înapoi la sursă.

În cazul de mai sus, cu sarcini perfect „echilibrate” care consumă cantități egale de energie, firul neutru transportă curent zero.

Observați cum este conectat firul neutru la pământ la capătul sursei de alimentare. Aceasta este o caracteristică comună în sistemele de alimentare care conțin fire „neutre”, deoarece împământarea firului neutru asigură cea mai mică tensiune posibilă la un moment dat între orice fir „fierbinte” și împământare.

O componentă esențială a unui sistem de alimentare în fază divizată este sursa de tensiune alternativă duală. Din fericire, proiectarea și construirea unuia nu este dificilă.

Deoarece majoritatea sistemelor de curent alternativ își primesc puterea de la un transformator cu descărcare oricum (descrescând tensiunea de la niveluri ridicate de distribuție la o tensiune la nivel de utilizator cum ar fi 120 sau 240), acel transformator poate fi construit cu o înfășurare secundară cu apăsare centrală:

Puterea americană 120/240 Vac este derivată dintr-un transformator de utilitate central.

Dacă puterea de curent alternativ provine direct de la un generator (alternator), bobinele pot fi în mod similar atinse central pentru același efect. Cheltuielile suplimentare pentru a include o conexiune centrală într-un transformator sau înfășurarea alternatorului sunt minime.

Aici devin cu adevărat importante marcajele de polaritate (+) și (-). Această notație este adesea utilizată pentru a face referire la fazele mai multor surse de tensiune de curent alternativ, deci este clar dacă acestea se ajută reciproc sau se opun reciproc.

Dacă nu pentru aceste marcaje de polaritate, relațiile de fază între mai multe surse de curent alternativ ar putea fi foarte confuze. Rețineți că sursele de fază divizată din schemă (fiecare 120 de volți ∠ 0 °), cu semnele de polaritate (+) până la (-) la fel ca bateriile care ajută la serie pot fi reprezentate ca atare: (Figura de mai jos)

Sursa de fază divizată 120/240 Vac este echivalentă cu două serii care ajută surse de 120 Vac.

Pentru a calcula matematic tensiunea dintre firele „fierbinți”, trebuie să scădem tensiunile, deoarece semnele lor de polaritate arată că sunt opuse unele cu altele:

Dacă marcăm punctul de conexiune comun al celor două surse (firul neutru) cu aceeași marcă de polaritate (-), trebuie să exprimăm deplasările lor relative de fază ca fiind la o distanță de 180 °. În caz contrar, am indica două surse de tensiune în opoziție directă între ele, ceea ce ar da 0 volți între cei doi conductori „fierbinți”.

De ce îmi iau timp pentru a elabora mărcile de polaritate și unghiurile de fază? Va avea mai mult sens în secțiunea următoare!

Sistemele de alimentare din gospodăriile americane și industria ușoară sunt cel mai adesea din varietatea de fază divizată, oferind așa-numita putere 120/240 VCA. Termenul „fază divizată” se referă doar la alimentarea cu tensiune divizată într-un astfel de sistem.

Într-un sens mai general, acest tip de alimentare cu curent alternativ se numește monofazică, deoarece ambele forme de undă de tensiune sunt în fază sau în pas, una cu alta.

Termenul „fază unică” este un contrapunct la un alt tip de sistem de alimentare numit „polifază” pe care urmează să îl investigăm în detaliu. Scuze pentru lunga introducere care a condus la titlul-subiect al acestui capitol.

Avantajele sistemelor de alimentare polifazate sunt mai evidente dacă se cunoaște mai întâi sistemele monofazate.

REVIZUIRE:

  • Sistemele de alimentare monofazate sunt definite prin faptul că au o sursă de curent alternativ cu o singură formă de undă de tensiune.
  • Un sistem de alimentare în fază divizată este unul cu mai multe surse de tensiune alternativă (în fază) conectate în serie, care furnizează energie sarcinilor la mai mult de o tensiune, cu mai mult de două fire. Acestea sunt utilizate în principal pentru a realiza un echilibru între eficiența sistemului (curenți scăzuti ai conductorului) și siguranță (tensiuni reduse de sarcină).
  • Sursele de curent alternativ în fază divizată pot fi create cu ușurință prin atingerea centrală a înfășurărilor bobinei transformatoarelor sau alternatoarelor.