Energia electrică trifazată este o metodă comună de transmitere a energiei electrice. Este un tip de sistem polifazat utilizat în principal pentru alimentarea motoarelor și a multor alte dispozitive. Un sistem trifazat folosește mai puțin material conductor pentru a transmite energie electrică decât sistemele echivalente monofazate, bifazate sau cu curent continuu la aceeași tensiune .

Într-un sistem trifazat, trei conductori de circuit transportă trei curenți alternativi (de aceeași frecvență) care ating valorile lor de vârf instantanee în momente diferite. Luând un conductor ca referință, ceilalți doi curenți sunt întârziați în timp cu o treime și două treimi dintr-un ciclu al curentului electric. Această întârziere între „faze” are ca efect transferul constant de putere pe fiecare ciclu al curentului și face posibilă producerea unui câmp magnetic rotativ într-un motor electric.

Sistemele trifazate pot avea sau nu un fir neutru. Un fir neutru permite sistemului trifazat să utilizeze o tensiune mai mare în timp ce susține în continuare aparate monofazate de tensiune mai mică. În situații de distribuție de înaltă tensiune, este comun să nu aveți un fir neutru, deoarece sarcinile pot fi pur și simplu conectate între faze (conexiune fază-fază).

Trifaza are proprietăți care o fac foarte dezirabilă în sistemele de energie electrică. În primul rând, curenții de fază tind să se anuleze reciproc, însumând la zero în cazul unei sarcini echilibrate liniare. Acest lucru face posibilă eliminarea conductorului neutru pe unele linii; toți conductorii de fază poartă același curent și astfel pot avea aceeași dimensiune, pentru o sarcină echilibrată. În al doilea rând, transferul de putere într-o sarcină echilibrată liniară este constant, ceea ce ajută la reducerea vibrațiilor generatorului și motorului. În cele din urmă, sistemele trifazate pot produce un câmp magnetic care se rotește într-o direcție specificată, ceea ce simplifică proiectarea motoarelor electrice. Trei este cea mai mică ordine de fază pentru a prezenta toate aceste proprietăți.

Majoritatea sarcinilor interne sunt monofazate. În general, puterea trifazată fie nu intră deloc în casele casnice, fie acolo unde o face, este împărțită la tabloul principal de distribuție.

La centrală, un generator electric transformă puterea mecanică într-un set de curenți electrici alternativi, câte unul din fiecare bobină electromagnetică sau înfășurarea generatorului. Curenții sunt funcții sinusoidale ale timpului, toate la aceeași frecvență, dar compensate în timp pentru a da faze diferite. Într-un sistem trifazat, fazele sunt distanțate în mod egal, oferind o separare a fazelor de o treime din ciclu. Frecvența de alimentare este de obicei de 50 Hz în Asia, Europa, America de Sud și Australia și 60 Hz în SUA și Canada (dar pentru mai multe detalii, consultați Sistemele de alimentare din rețea).

Generatoarele produc o tensiune care variază de la sute de volți la 30.000 de volți. La centrală, transformatoarele „intensifică” această tensiune la una mai potrivită pentru transmisie.

După numeroase conversii suplimentare în rețeaua de transport și distribuție, puterea este în cele din urmă transformată în tensiunea de rețea standard (adică tensiunea „gospodărie”). Este posibil ca puterea să fi fost deja împărțită în monofază în acest moment sau poate fi în continuare trifazată. În cazul în care descreșterea este de 3 faze, ieșirea acestui transformator este de obicei conectată la stea cu tensiunea de rețea standard (120 V în America de Nord și 230 V în Europa și Australia) fiind tensiunea neutră de fază. Un alt sistem frecvent văzut în America de Nord este acela de a avea o deltă conectată secundar cu o priză centrală pe una dintre înfășurări care alimentează solul și neutru. Acest lucru permite 240 V trifazic, precum și trei tensiuni monofazate diferite (120 V între două dintre faze și neutru, 208 V între a treia fază (cunoscut sub numele de picior înalt) și neutru și 240 V între oricare două faze) să fie puse la dispoziție de la aceeași aprovizionare.

Sarcini monofazate

Sarcinile monofazate pot fi conectate la un sistem trifazat, fie prin conectarea a doi conductori sub tensiune (o conexiune fază-fază), fie prin conectarea între un conductor de fază și sistemul neutru, care este fie conectat la centru a înfășurării secundare Y (stea) a transformatorului de alimentare sau este conectat la centrul unei înfășurări a unui transformator delta (sistemul Highleg Delta). Sarcinile monofazate ar trebui distribuite uniform între fazele sistemului trifazat pentru o utilizare eficientă a transformatorului de alimentare și a conductoarelor de alimentare.

Tensiunea linie-la-linie a unui sistem trifazat este de 3 ori mai mare decât linia la tensiunea neutră. În cazul în care tensiunea de la linie la neutru este o tensiune de utilizare standard, (de exemplu într-un sistem de 240 V/415 V) clienții individuali monofazici sau sarcinile pot fi conectați fiecare la o fază diferită a alimentării. În cazul în care tensiunea de la linie la neutru nu este o tensiune de utilizare obișnuită, de exemplu într-un sistem de 347/600 V, sarcinile monofazate trebuie să fie furnizate de transformatoare individuale. În clădirile rezidențiale cu mai multe unități din America de Nord, prizele de iluminat și confort pot fi conectate linie la neutru pentru a da tensiunea de distribuție de 120 V (tensiune de utilizare 115 V) și sarcini de mare putere, cum ar fi echipamentele de gătit, încălzirea spațiilor, încălzitoarele de apă, sau aerul condiționat poate fi conectat în două faze pentru a da 208 V. Această practică este destul de comună pentru ca echipamentele monofazate de 208 V să fie ușor disponibile în America de Nord. Încercările de a folosi echipamentul mai comun de 120/240 V destinat distribuției monofazate cu trei fire poate avea ca rezultat performanțe slabe, deoarece echipamentele de încălzire de 240 V vor produce doar 75% din capacitatea sa de funcționare la 208 V.

În cazul în care trifaza la joasă tensiune este în alt mod utilizată, aceasta poate fi în continuare împărțită în cabluri de serviciu monofazate prin articulații în rețeaua de alimentare sau poate fi livrată la o placă principală de distribuție (panoul de întrerupere) la sediul clientului. Conectarea unui circuit electric de la o fază la neutru alimentează în general tensiunea monofazică standard a țării (120 VAC sau 230 VAC) circuitului.

Rețeaua de transmisie a energiei este organizată astfel încât fiecare fază să aibă aceeași magnitudine a curentului din părțile majore ale sistemului de transmisie. Curenții care se întorc de la sediul clienților la ultimul transformator de alimentare au în comun firul neutru, dar sistemul trifazat asigură că suma curenților de retur este de aproximativ zero. Cablarea delta a părții principale a transformatorului de alimentare înseamnă că nu este nevoie de neutru în partea de înaltă tensiune a rețelei.

Dacă alimentarea neutră a unui sistem trifazat cu sarcini conectate linie-neutru este întreruptă, în general echilibrul de tensiune pe sarcini nu va mai fi menținut. Fazele ușor încărcate pot vedea până la sqrt (3) la fel de multă tensiune ca cea nominală, provocând supraîncălzirea și defectarea multor tipuri de sarcini. De exemplu, dacă mai multe case sunt conectate la un transformator comun pe o stradă, fiecare casă ar putea fi conectată la una dintre cele trei faze. Dacă conexiunea neutră este întreruptă la transformator, toate echipamentele dintr-o casă pot fi deteriorate din cauza supratensiunii. Astfel de evenimente sunt greu de depistat dacă nu realizăm această posibilitate. Cu sarcini inductive și/sau capacitive, toate fazele pot suferi daune, în special cu posibilitatea de rezonanțe. Proiectarea de distribuție conservatoare va lua în considerare această problemă pentru a se asigura că conexiunile neutre sunt la fel de fiabile ca oricare dintre conexiunile de fază.

Sarcini trifazate

transmisie

Câmpul magnetic rotativ al unui motor trifazat

Cea mai importantă clasă de sarcină trifazată este motorul electric. Un motor cu inducție trifazat are un design simplu, cuplu de pornire inerent ridicat și eficiență ridicată. Astfel de motoare sunt aplicate în industrie pentru pompe, ventilatoare, suflante, compresoare, unități de transport și multe alte tipuri de echipamente cu motor. Un motor trifazat va fi mai compact și mai puțin costisitor decât un motor monofazat de aceeași clasă de tensiune și aceeași putere; și motoarele AC monofazate de peste 10 CP (7,5 kW) sunt mai puțin frecvente. Motoarele trifazate vor vibra, de asemenea, mai puțin și, prin urmare, vor dura mai mult decât motorul monofazat cu aceeași putere utilizată în aceleași condiții.