Πώς να μετατρέψετε μονοφασική σε τριφασική ισχύ

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η περισσότερη δύναμη που εισέρχεται στα σπίτια των ανθρώπων είναι μονοφασική. Η ισχύς που παράγεται στο εργοστάσιο ηλεκτρικής ενέργειας, ωστόσο, είναι τριφασική. Αυτή είναι η ιδέα πίσω από αυτές τις μεγάλες γραμμές μετάδοσης που βλέπετε συνδεδεμένοι σε ψηλούς πύργους - αυτές οι γραμμές υποτίθεται ότι μεταδίδουν ως όση τάση είναι εφικτή σε μεγάλες αποστάσεις προτού αυτή η τροφοδοσία «χτυπηθεί» και παραδοθεί σε γειτονιές σε πολύ μειωμένη Τάση.

Η μονοφασική ισχύς επαρκεί για σχεδόν όλες τις οικιακές συσκευές, ενώ οι βιομηχανικές ρυθμίσεις που χαρακτηρίζουν τον βαρύ εξοπλισμό απαιτούν τριφασική ισχύ. Τι γίνεται όμως αν χρειάζεστε τριφασική ισχύ και το μόνο που έχετε είναι η μονοφασική ισχύς που εισέρχεται στο σπίτι σας;

• Οι πληροφορίες εδώ προορίζονται μόνο για ακαδημαϊκούς σκοπούς - όχι εκπαιδευτικές. Ποτέ μην πειραματίζεστε ή αλλάζετε ηλεκτρικά καλώδια στο σπίτι σας ή οπουδήποτε αλλού, εκτός εάν έχετε εκπαιδευτεί ειδικά για την εργασία.

Φανταστείτε τον εαυτό σας και δύο από τους (προφανώς βαριεστημένους) φίλους σας να περπατούν μπρος-πίσω με μεγάλη ταχύτητα 2 μέτρων ανά δευτερόλεπτο (περίπου 4,5 μίλια ανά ώρα) κατά μήκος ενός μονοπατιού που διασχίζει βορρά-νότο και μετρά 60 μέτρα από το τέλος μέχρι τέλος. Ο καθένας ξεκινά από το μεσαίο σημείο αυτού του μονοπατιού, περπατά στο βόρειο άκρο, επιστρέφει στην αρχή, συνεχίζει περπατώντας στο αντίθετο άκρο και επιστρέφει ξανά στη μέση, ολοκληρώνοντας έτσι έναν "γύρο" 120 μέτρων ή κύκλος. Επειδή ο καθένας σας περπατά στα 2 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, ένα ταξίδι μετ 'επιστροφής διαρκεί κάθε άτομο ακριβώς 60 δευτερόλεπτα.

Ας υποθέσουμε περαιτέρω ότι στο σημείο εκκίνησης, ο καθένας από εσάς είναι μηδέν. Κερδίζετε μια μονάδα κατάστασης για κάθε μετρητή που περπατάτε βόρεια και χάνετε μια μονάδα κατάστασης για κάθε μετρητή που περπατάτε νότια. Έτσι, όταν κάποιος από εσάς φτάσει στο βόρειο άκρο του μονοπατιού, το άτομο αυτό έχει κατάσταση 30, ενώ όποιος κάνει τη στροφή στο νότιο άκρο έχει κατάσταση -30. Αναγνωρίζετε ότι οι τρεις από εσάς μπορείτε να διαχωρίσετε το μέγιστο μεταξύ τους ξεκινώντας 20 σε απόσταση δευτερολέπτων, επειδή κάθε κύκλωμα διαρκεί 60 δευτερόλεπτα και υπάρχουν τρεις από εσάς, και το 60 διαιρείται με το 3 είναι 20. Εάν κάνετε την άλγεβρα, θα διαπιστώσετε ότι όταν κάποιος από εσάς έχει μεγιστοποιήσει την "κατάστασή σας" σε τιμή 30 φτάνοντας στο βόρειο άκρο, οι άλλοι δύο περνούν ο ένας τον άλλον στα μισά κατά μήκος του νότιου τμήματος, το ένα κατευθύνεται βόρεια και το άλλο κατευθύνεται νότια, όπου κάθε περιπατητής έχει κατάσταση -15. Εάν προσθέσετε τις τιμές κατάστασης μαζί σε τέτοια χρονική στιγμή, θα ανέρχονται σε 30 + (-15) + (-15) = 0. Είναι δυνατόν να δείξετε ότι, στην πραγματικότητα, το άθροισμα όλων των τιμών κατάστασης ανά πάσα στιγμή είναι 0, αρκεί οι τρεις σας να είναι τέλεια κλιμακωτοί όπως περιγράφεται.

Αυτό προσφέρει ένα μοντέλο της τριφασικής ηλεκτρικής ισχύος, εκτός από την "τάση" αντικαθιστά το "status" και αντί για έναν κύκλο που συμβαίνει κάθε 60 δευτερόλεπτα, εμφανίζονται 60 κύκλοι τάσης κάθε δευτερόλεπτο. Επιπλέον, αντί για κάθε άτομο που διέρχεται το σημείο εκκίνησης δύο φορές το λεπτό, η τάση περνάει από το μηδέν σημείο 120 φορές ανά δευτερόλεπτο.

Λόγω του τρόπου με τον οποίο η ισχύς, το ρεύμα και η τάση σχετίζονται μαθηματικά, η τριφασική ισχύς παραμένει σε σταθερό, μη μηδενικό επίπεδο, παρόλο που οι τρεις μεμονωμένες τάσεις αυξάνουν στο μηδέν ανά πάσα στιγμή. Αυτή η σχέση είναι:

P = V²/ Ρ

Εδώ το P είναι ισχύ σε watt, το V είναι τάση σε volt και το R είναι ηλεκτρική αντίσταση σε μονάδες που ονομάζονται ohms. Μπορείτε να δείτε ότι οι αρνητικές τάσεις συμβάλλουν στην ισχύ επειδή το τετράγωνο ενός αρνητικού αριθμού αποδίδει μια θετική τιμή. Η συνολική ισχύς σε ένα τριφασικό σύστημα είναι απλώς το άθροισμα της ισχύος των τριών επιμέρους τιμών ισχύος κάθε φάσης.

Επίσης, εάν αναρωτηθήκατε ποτέ πώς πήρε το όνομά του εναλλασσόμενο ρεύμα (AC), έχετε πλέον την απάντησή σας. Η τάση δεν είναι ποτέ σταθερή είτε σε μονοφασικά είτε σε τριφασικά συστήματα, με αποτέλεσμα να μην είναι ούτε ρεύμα. Αυτά σχετίζονται με τον νόμο του Ohm, ο οποίος είναι V = IR, όπου σημαίνει το ρεύμα σε αμπέρ ("ενισχυτές").

Για να επεκτείνετε την αναλογία φίλων-περπάτημα-πίσω-πίσω σε μονοφασική ισχύ, απλά φανταστείτε ότι δύο από τους φίλους σας καλούνται στο σπίτι για δείπνο ενώ συνεχίζετε να περπατάτε και εκεί το έχετε. Δηλαδή, η τριφασική ισχύς κυριολεκτικά είναι μόνο τρεις μονοφασικές πηγές ισχύος που αντισταθμίζονται αμοιβαία από το ένα τρίτο ενός κύκλου (ή σε τριγωνομετρικούς όρους, κατά 120 μοίρες). Σε ένα μονοφασικό τροφοδοτικό, κάθε φορά που η μονή τάση γίνεται για λίγο μηδέν, το ίδιο ισχύει και για την έξοδο ισχύος. Ίσως καταλαβαίνετε τώρα γιατί μικρές συσκευές, οι οποίες δεν επηρεάζονται πολύ από πολύ σύντομα σφάλματα ισχύς, μπορεί να λειτουργεί με μονοφασική ισχύ, ενώ μεγάλα μηχανήματα που λειτουργούν σε υψηλά επίπεδα ισχύος δεν μπορώ; απαιτούν μια μεγάλη και σταθερή τροφοδοσία.

Όλα τα παραπάνω είναι πιο εύκολα κατανοητά, συμβουλεύοντας ένα γράφημα τάσης έναντι χρόνος για τριφασικό τροφοδοτικό (βλ. πόρους). Σε αυτό το γράφημα, οι μεμονωμένες φάσεις γράφονται σε κόκκινες, μοβ και μπλε γραμμές. Αυτά αθροίζονται πάντα στο μηδέν, αλλά το άθροισμα των τετραγώνων τους είναι θετικό και σταθερό. Έτσι, δεδομένης της αμετάβλητης τιμής του R, η ισχύς P σε αυτές τις ρυθμίσεις είναι επίσης σταθερή λόγω της σχέσης P = V²/R.

Για μονοφασική τροφοδοσία, δεν υπάρχουν τάσεις για άθροισμα και η τάση μονοφασικής διέρχεται από το μηδέν σημείο 120 φορές ανά δευτερόλεπτο. Σε αυτές τις στιγμές, η ισχύς μειώνεται στο μηδέν, αλλά ανακάμπτει αρκετά γρήγορα έτσι ώστε τα μικρότερα φώτα, οι συσκευές και ούτω καθεξής να μην αντιμετωπίζουν αισθητές διακοπές.

Εάν έχετε τριφασικό κινητήρα σε μεγαλύτερη συσκευή, όπως αεροσυμπιεστής βιομηχανικού μεγέθους και δεν έχετε έτοιμη πρόσβαση τριφασική ισχύς λόγω του τρόπου ρύθμισης του τοπικού δικτύου σας, υπάρχουν λύσεις που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να αποκτήσετε σωστά τον εξοπλισμό σας τροφοδοτείται. (Ένα από αυτά είναι απλώς η αντικατάσταση του τριφασικού κινητήρα με μονοφασικό κινητήρα, αλλά αυτό δεν είναι τόσο έξυπνο όσο άλλες λύσεις.)

Διατίθενται πολυάριθμοι τύποι τριφασικών μετατροπέων. Ένα από αυτά, α στατικός μετατροπέας, εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι ενώ ένας τριφασικός κινητήρας δεν μπορεί να ξεκινήσει με μονοφασική ισχύ, μπορεί να παραμείνει σε λειτουργία με μονοφασική ισχύ μόλις ξεκινήσει. Ένας στατικός μετατροπέας το κάνει αυτό με τη βοήθεια πυκνωτών (συσκευές που μπορούν να αποθηκεύσουν φόρτιση), η οποία επιτρέπει στο στατικό μετατροπέα περιμένετε για μία από τις φάσεις, αν και με αναποτελεσματικό τρόπο που διασφαλίζεται ότι μειώνει την αποτελεσματική ζωή του κινητήρα σπιθαμή. ΕΝΑ περιστροφικός μετατροπέας φάσης, από την άλλη πλευρά, ενεργεί ως ένα είδος συνδυασμού ενός τριφασικού κινητήρα και μιας ανεξάρτητης γεννήτριας. Αυτή η συσκευή περιλαμβάνει ένα ρελαντί κινητήρα, ο οποίος, μόλις τεθεί σε κίνηση, δεν περιστρέφει κινούμενα μέρη στη γονική μηχανήματα αλλά αντίθετα παράγει ισχύ έτσι ώστε ολόκληρη η εγκατάσταση να μιμείται ένα τριφασικό σύστημα ισχύος λογικά Καλά. Τέλος, α μονάδα μεταβλητής συχνότητας (VFD) χρησιμοποιεί εξαρτήματα που ονομάζονται μετατροπείς, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος σχεδόν σε οποιαδήποτε επιθυμητή συχνότητα και για την αναπαραγωγή των περισσότερων συνθηκών μέσα σε έναν τυπικό τριφασικό κινητήρα.

Κανένας από αυτούς τους μετατροπείς δεν είναι τέλειος, περισσότερο από ένα μαχαίρι ψωμιού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κόβει εύκολα το κρέας. Αλλά ένα μαχαίρι ψωμιού είναι καλύτερο από τα γυμνά χέρια σας, και έτσι αυτοί οι μετατροπείς είναι στην πραγματικότητα καλοί να έχετε στη διάθεσή σας εάν εργάζεστε συχνά με μηχανήματα και εργαλεία που δεν χρειάζονται ενέργεια.