Как да конвертирате еднофазна в 3-фазна мощност

В Съединените щати повечето мощности, влизащи в домовете на хората, са еднофазни. Енергията, генерирана в електроцентралата, обаче е трифазна. Това е идеята зад тези големи далекопроводи, които виждате прикрепени към високи кули - тези линии трябва да предават като много напрежение, което е възможно на големи разстояния, преди тази мощност да бъде "подслушвана" и доставена в кварталите при силно намалено волтаж.

Еднофазната мощност е достатъчна за почти всички домакински уреди, докато индустриалните настройки с тежко оборудване изискват трифазна мощност. Но какво, ако имате нужда от трифазно захранване и всичко, което имате, е еднофазното захранване, което влиза в дома ви?

• Информацията тук е предназначена само за академични цели, а не с инструкции. Никога не експериментирайте и не променяйте електрически проводници във вашия дом или някъде другаде, освен ако не сте били специално обучени за тази работа.

Представете си себе си и двама от вашите (очевидно отегчени) приятели, които вървят напред-назад с бърза скорост от 2 метра в секунда (около 4,5 мили в час) по пътека, която минава на север-юг и е с размери 60 метра от края до край. Всеки от вас започва в средната точка на тази пътека, върви към северния край, връща се към началото, продължава вървейки към противоположния край и се връща отново към средата, като по този начин завършва една 120-метрова „обиколка“, или цикъл. Тъй като всеки от вас върви с 2 метра в секунда, едно пътуване отзад отнема на всеки човек точно 60 секунди.

Освен това приемете, че в началната точка „състоянието“ на всеки от вас е нула. Печелите една единица статус за всеки метър, който вървите на север, и губите единица статус за всеки метър, който вървите на юг. По този начин, когато някой от вас достигне северния край на пътя, този човек има статус 30, докато всеки, който прави завоя в южния край, има статус -30. Разбирате, че вие ​​тримата можете максимално да се отделите един от друг, като започнете 20 секунди, тъй като всяка верига отнема 60 секунди и вие сте трима, а 60, разделени на 3 е 20. Ако направите алгебрата, ще откриете, че когато единият от вас е увеличил максимално „състоянието“ си на стойност 30 чрез достигане на северния край, другите две се разминават по средата по южния участък, единият се насочва на север, а другият се насочва на юг, където всеки проходил е със статут на -15. Ако добавите вашите стойности на състоянието заедно в такъв момент, те се сумират до 30 + (-15) + (-15) = 0. Възможно е да се покаже, че всъщност сумата от всичките ви стойности на състоянието по всяко време е 0, стига вие тримата да сте перфектно разположени, както е описано.

Това предлага модел на това как изглежда трифазната електрическа енергия, с изключение на това, че е "напрежение" замества се със "статус" и вместо един цикъл на всеки 60 секунди, се появяват 60 цикъла на напрежение всяка секунда. Освен това, вместо всеки човек да премине началната точка два пъти в минута, напрежението преминава през нулевата точка 120 пъти в секунда.

Поради начина, по който мощността, токът и напрежението са свързани математически, трифазната мощност остава на постоянно, ненулево ниво, въпреки че трите отделни напрежения се добавят към нула по всяко време. Тази връзка е:

P = V²/ R

Тук P е мощност във ватове, V е напрежение във волта и R е електрическо съпротивление в единици, наречени оми. Можете да видите, че отрицателните напрежения допринасят за мощността, защото квадратурата на отрицателно число дава положителна стойност. Общата мощност в трифазна система е само сумата от мощността на трите отделни стойности на мощността на всяка фаза.

Освен това, ако някога сте се чудили как променливият ток (AC) е получил името си, сега имате своя отговор. Напрежението никога не е стабилно нито в еднофазни, нито в трифазни системи и в резултат нито едно от тях не е ток; те са свързани със закона на Ом, който е V = IR, където I означава ток в ампери ("усилватели").

За да разширите аналогията на приятелите-ходене напред-назад до еднофазна мощност, просто си представете, че двама от вашите приятели са извикани вкъщи на вечеря, докато продължавате да ходите, и ето ви. Тоест трифазната мощност е буквално само три еднофазни източника на енергия, взаимно компенсирани с една трета от цикъла (или в тригонометрично изражение, със 120 градуса). При еднофазно захранване всеки път, когато единичното напрежение за кратко стане нула, изходната мощност също. Може би сега можете да разберете защо малките уреди, които не са засегнати много от много кратки пропуски мощност, може да работи на еднофазно захранване, докато големите машини, които работят при високи нива на мощност (мощност) не мога; те се нуждаят от голямо и стабилно захранване.

Всичко казано по-лесно се разбира по-лесно чрез справка с графика на напрежението срещу време за трифазно захранване (вж. Ресурси). В тази графика отделните фази са изобразени в червени, лилави и сини линии. Те винаги се сумират до нула, но сумата от техните квадрати е положителна и постоянна. По този начин, като се има непроменена стойност на R, мощността P в тези настройки също е постоянна поради връзката P = V²/R.

За еднофазно захранване няма напрежения, които да се сумират, а напрежението на еднофазната преминава през нулевата точка 120 пъти в секунда. В тези моменти мощността пада до нула, но се възстановява достатъчно бързо, така че по-малките светлини, уреди и така нататък да не изпитват забележими прекъсвания.

Ако имате трифазен двигател в по-голямо устройство, като например въздушен компресор с индустриален размер и нямате готов достъп до него трифазно захранване поради начина, по който е настроена вашата локална мрежа, има заобиколни решения, които можете да използвате, за да получите правилно оборудването си захранван. (Едно от тях е просто да замените трифазния двигател с еднофазен, но това не е толкова умно, колкото другите решения.)

Предлагат се множество видове трифазни преобразуватели. Един от тях, а статичен преобразувател, се възползва от факта, че докато трифазният двигател не може да стартира с еднофазно захранване, той може да продължи да работи с еднофазно захранване, след като бъде стартиран. Статичният преобразувател прави това с помощта на кондензатори (устройства, които могат да съхраняват заряд), което позволява на статичния преобразувател застанете в една от фазите, макар и по неефективен начин, който е гарантиран за намаляване на ефективния живот на двигателя обхват. A ротационен фазов преобразувателот друга страна действа като нещо като комбинация от заместващ трифазен двигател и независим генератор. Това устройство включва мотор за празен ход, който след като бъде пуснат в движение, не завърта движещи се части в родителя машини, но вместо това генерира енергия, така че цялата настройка може разумно да имитира трифазна система за захранване добре. И накрая, a задвижване с променлива честота (VFD) използва компоненти, наречени инвертори, които могат да се използват за създаване на променлив ток на почти всяка желана честота и възпроизвеждане на повечето условия в стандартен трифазен двигател.

Нито един от тези конвертори не е перфектен, не повече от нож за хляб може да се използва за рязане на месо с лекота. Ножът за хляб е по-добър от голите ви ръце и затова тези преобразуватели всъщност е добре да ги имате под ръка, ако често работите с жадни за енергия машини и инструменти.