Jak převést jednofázovou na 3fázovou energii

Ve Spojených státech je většina energie vstupující do domovů lidí jednofázová. Síla generovaná v elektrárně je však třífázová. To je myšlenka za těmi velkými přenosovými linkami, které vidíte připojené k vysokým věžím - tyto linky mají přenášet jako tolik napětí, kolik je možné na dlouhé vzdálenosti, než je tato energie „odposlouchávána“ a dodávána do sousedství při výrazně sníženém napětí Napětí.

Jednofázový výkon je dostatečný pro téměř všechny domácí spotřebiče, zatímco průmyslová nastavení s těžkým vybavením vyžadují třífázový výkon. Ale co když potřebujete třífázové napájení a vše, co máte, je jednofázové napájení vstupující do vašeho domova?

• Informace zde uvedené jsou určeny pouze pro akademické účely - nikoli instruktážní. Nikdy neexperimentujte ani nezměňte elektrické vodiče ve vaší domácnosti nebo kdekoli jinde, pokud k tomu nebudete speciálně vyškoleni.

Představte si sebe a dva ze svých (zjevně znuděných) přátel, kteří jdou tam a zpět rychlou rychlostí 2 metry za sekundu (asi 4,5 mil za hodinu) podél cesty, která vede sever-jih a měří 60 metrů od konce do konec. Každý z vás začíná ve středu této cesty, kráčí na severní konec, vrací se na začátek, pokračuje kráčí na opačný konec a vrací se zpět do středu, čímž dokončí jedno 120metrové „kolo“ nebo cyklus. Protože každý z vás kráčí rychlostí 2 metry za sekundu, trvá jedna okružní cesta každé osobě přesně 60 sekund.

Dále předpokládejme, že ve výchozím bodě je „stav“ každého z vás nulový. Získáte jednu jednotku stavu za každý metr, který projdete na sever, a ztratíte jednotku stavu za každý metr, který projdete na jih. Kdykoli tedy jeden z vás dosáhne severního konce cesty, má tato osoba status 30, zatímco každý, kdo odbočí na jižním konci, má status -30. Zjistíte, že vy tři se můžete maximálně oddělit od sebe tím, že začnete 20 sekundy od sebe, protože každý okruh trvá 60 sekund a vy jste tři a 60 děleno 3 je 20. Pokud provedete algebru, zjistíte, že když jeden z vás dosáhl svého „stavu“ na hodnotu 30 dosažením severního konce, další dva míjejí se v polovině jižní části, jedna míří na sever a druhá na jih, kde má každý chodec stav -15. Pokud v takovém čase sečtete své hodnoty stavu, bude jejich součet 30 + (-15) + (-15) = 0. Je možné ukázat, že ve skutečnosti je součet všech vašich hodnot stavu kdykoli 0, pokud jsou tři z vás dokonale rozloženy, jak je popsáno.

To nabízí model toho, jak vypadá třífázová elektrická energie, kromě toho, že „napětí“ je místo „stavu“ a místo jednoho cyklu každých 60 sekund dojde k 60 napěťovým cyklům každou sekundu. Navíc místo toho, aby každá osoba prošla počátečním bodem dvakrát za minutu, prošlo napětí nulovým bodem 120krát za sekundu.

Kvůli tomu, jak matematicky souvisí výkon, proud a napětí, zůstává třífázový výkon na konstantní nenulové úrovni, přestože se tři jednotlivá napětí kdykoli zvyšují na nulu. Tento vztah je:

P = V²/ R.

Zde P je výkon ve wattech, V je napětí ve voltech a R je elektrický odpor v jednotkách nazývaných ohmy. Vidíte, že záporná napětí přispívají k výkonu, protože druhou mocninou záporného čísla získáte kladnou hodnotu. Celkový výkon v třífázovém systému je pouze součtem výkonu tří jednotlivých hodnot výkonu každé fáze.

Také, pokud jste někdy přemýšleli nad tím, jak střídavý proud (AC) dostal své jméno, nyní máte svou odpověď. Napětí není nikdy ustálené ani v jednofázových, ani ve třífázových systémech a ve výsledku není ani aktuální; ty souvisí s Ohmovým zákonem, což je V = IR, kde I znamená proud v ampérech („ampérech“).

Chcete-li rozšířit analogii Pals-Walking-Back-and-Off na jednofázovou energii, jednoduše si představte, že dva z vašich přátel jsou povoláni domů na večeři, zatímco budete pokračovat v chůzi, a máte to. To znamená, že třífázový výkon jsou doslova jen tři jednofázové zdroje energie vzájemně kompenzované o třetinu cyklu (nebo trigonometricky, o 120 stupňů). V jednofázovém napájecím zdroji se pokaždé, když se jediné napětí krátce stane nulovým, také výstupní výkon. Možná už rozumíte tomu, proč se malé spotřebiče, které nejsou velmi ovlivněny velmi krátkými výpadky, dostanou dovnitř energie, může běžet na jednofázové napájení, zatímco velké stroje, které pracují na vysokých úrovních výkonu (výkonu) nemůže; vyžadují velké a stálé napájení.

Vše výše uvedené je snáze pochopitelné nahlédnutím do grafu napětí vs. doba pro třífázové napájení (viz Zdroje). V tomto grafu jsou jednotlivé fáze znázorněny červeně, fialově a modře. Ty se vždy sečtou na nulu, ale součet jejich čtverců je kladný a konstantní. Díky dané neměnné hodnotě R je výkon P v těchto nastaveních také konstantní vzhledem ke vztahu P = V²/R.

U jednofázového napájení neexistuje souhrn napětí a napětí jedné fáze prochází nulovým bodem 120krát za sekundu. V těchto okamžicích energie klesne na nulu, ale obnoví se dostatečně rychle, aby menší světla, zařízení atd. Nezaznamenala znatelná přerušení.

Pokud máte třífázový motor ve větším zařízení, jako je vzduchový kompresor průmyslové velikosti, a nemáte k němu snadný přístup třífázové napájení vzhledem k tomu, jak je nastavena místní síť, existují řešení, která můžete použít ke správnému získání vybavení napájeno. (Jedním z nich je jednoduchá výměna třífázového motoru za jednofázový, ale to není zdaleka tak chytré jako u jiných řešení.)

K dispozici je řada typů třífázových měničů. Jeden z nich, a statický převodník, využívá skutečnosti, že zatímco třífázový motor nelze spustit na jednofázové napájení, může po spuštění zůstat v chodu na jednofázové napájení. Statický převodník to dělá pomocí kondenzátorů (zařízení, která mohou ukládat náboj), které umožňují statický převodník zastupovat jednu z fází, i když neefektivním způsobem, který zajišťuje snížení efektivní životnosti motoru rozpětí. A rotační fázový měnič, na druhou stranu, funguje jako druh kombinace náhradního třífázového motoru a nezávislého generátoru. Toto zařízení obsahuje napínací motor, který, jakmile je uveden do pohybu, neotáčí žádné pohyblivé části v nadřazeném zařízení ale místo toho generuje energii tak, aby celé nastavení mohlo přiměřeně napodobovat třífázový napájecí systém studna. Nakonec a frekvenční měnič (VFD) využívá komponenty zvané invertory, které lze použít k vytvoření střídavého proudu na téměř jakékoli požadované frekvenci a k ​​replikaci většiny podmínek uvnitř standardního třífázového motoru.

Žádný z těchto převaděčů není dokonalý, k snadnému krájení masa lze použít nůž na chléb. Ale nůž na chléb je lepší než vaše holé ruce, a proto jsou tyto převaděče skutečně dobré mít po ruce, pokud často pracujete se stroji a nářadím, které jsou náročné na sílu.