Hoe eenfasig naar driefasig vermogen te converteren?

In de Verenigde Staten is de meeste stroom die de huizen van mensen binnenkomt eenfasige stroom. De stroom die in de elektriciteitscentrale wordt opgewekt, is echter driefasige stroom. Dit is het idee achter die grote transmissielijnen die je ziet bevestigd aan hoge torens - deze lijnen zouden moeten uitzenden als: veel spanning als mogelijk is over lange afstanden voordat deze stroom wordt "afgetakt" en aan buurten wordt geleverd tegen een sterk gereduceerde Spanning.

Eenfasige stroom is voldoende voor vrijwel alle huishoudelijke apparaten, terwijl industriële omgevingen met zware apparatuur driefasige stroom vereisen. Maar wat als u driefasige stroom nodig hebt en alles wat u hebt is de enkelfasige stroom die uw huis binnenkomt?

• De informatie hier is alleen bedoeld voor academische doeleinden - niet voor educatieve doeleinden. Experimenteer nooit met elektrische draden in uw huis of ergens anders, of verander deze nooit, tenzij u specifiek bent opgeleid voor het werk.

Stel je voor dat jij en twee van je (uiteraard verveelde) vrienden heen en weer lopen met een stevige snelheid van 2 meter per seconde (ongeveer 4,5 mijl per uur) langs een pad dat van noord naar zuid loopt en 60 meter lang is van begin tot eind einde. Ieder van jullie begint halverwege dit pad, loopt naar het noordelijke uiteinde, keert terug naar het begin, gaat verder loopt naar het andere uiteinde en keert weer terug naar het midden, waardoor een "ronde" van 120 meter wordt voltooid, of fiets. Omdat jullie allemaal met een snelheid van 2 meter per seconde lopen, duurt één retourtje precies 60 seconden.

Neem verder aan dat bij het beginpunt de "status" ieder van jullie nul is. Je krijgt een status-eenheid voor elke meter die je naar het noorden loopt en verliest een status-eenheid voor elke meter die je naar het zuiden loopt. Dus wanneer een van jullie het noordelijke uiteinde van het pad bereikt, heeft die persoon een status van 30, terwijl iedereen die de bocht maakt aan het zuidelijke uiteinde een status van -30 heeft. Je herkent dat jullie je met z'n drieën maximaal van elkaar kunnen scheiden door 20. te beginnen seconden uit elkaar, omdat elk circuit 60 seconden duurt en je met z'n drieën bent, en 60 gedeeld door 3 is 20. Als je de algebra doet, zie je dat wanneer een van jullie zijn "status" heeft gemaximaliseerd op een waarde van 30 door het noordelijke uiteinde te bereiken, de andere twee passeren elkaar halverwege het zuidelijke deel, de ene naar het noorden en de andere naar het zuiden, waar elke wandelaar een status van -15 heeft. Als u uw statuswaarden op zo'n moment bij elkaar optelt, komt het totaal op 30 + (-15) + (-15) = 0. Het is mogelijk om aan te tonen dat in feite de som van al uw statuswaarden op elk moment 0 is, zolang u drieën perfect verspringt zoals beschreven.

Dit biedt een model van hoe driefasig elektrisch vermogen eruit ziet, behalve dat "spanning" is vervangen door "status" en in plaats van één cyclus die elke 60 seconden plaatsvindt, vinden 60 spanningscycli plaats elke seconde. Plus, in plaats van dat elke persoon twee keer per minuut het startpunt passeert, gaat de spanning 120 keer per seconde door het nulpunt.

Vanwege de manier waarop vermogen, stroom en spanning wiskundig gerelateerd zijn, blijft het driefasige vermogen op een constant niveau dat niet nul is, ook al worden de drie afzonderlijke spanningen op elk moment opgeteld tot nul. Deze relatie is:

P = V²/R

Hier is P het vermogen in watt, V is de spanning in volt en R is de elektrische weerstand in eenheden die ohm worden genoemd. Je kunt zien dat negatieve spanningen bijdragen aan het vermogen, omdat het kwadrateren van een negatief getal een positieve waarde oplevert. Het totale vermogen in een driefasensysteem is slechts de som van het vermogen van de drie individuele vermogenswaarden van elke fase.

En als je je ooit afvroeg hoe wisselstroom (AC) zijn naam kreeg, heb je nu je antwoord. De spanning is nooit stabiel in eenfasige of driefasige systemen, en als gevolg daarvan is de stroom dat ook niet; deze zijn gerelateerd aan de wet van Ohm, namelijk V = IR, waarbij I staat voor de stroom in ampère ("ampère").

Om de analogie van het heen en weer lopen van vrienden uit te breiden tot eenfasige stroom, stel je gewoon voor dat twee van je vrienden naar huis worden geroepen voor het avondeten terwijl je verder loopt, en daar heb je het. Dat wil zeggen, driefasige stroom is letterlijk slechts drie eenfasige stroombronnen die onderling worden gecompenseerd door een derde van een cyclus (of in trigonometrische termen, met 120 graden). In een enkelfasige voeding wordt elke keer dat de enkele spanning kort nul wordt, ook het uitgangsvermogen. U begrijpt nu misschien waarom kleine apparaten, die niet veel worden beïnvloed door zeer korte onderbrekingen, vermogen, kunnen werken op enkelfasige stroom, terwijl grote machines met een hoog wattage (vermogen) werken kan niet; ze hebben een grote en stabiele stroomvoorziening nodig.

Al het voorgaande is gemakkelijker te begrijpen door een grafiek van spanning vs. tijd voor een driefasige voeding (zie bronnen). In deze grafiek zijn de afzonderlijke fasen weergegeven in rode, paarse en blauwe lijnen. Deze tellen altijd op tot nul, maar de som van hun kwadraten is positief en constant. Dus gegeven een onveranderlijke waarde van R, is het vermogen P in deze opstellingen ook constant vanwege de relatie P = V²/R.

Voor een eenfasige voeding zijn er geen spanningen om op te sommen, en de spanning van eenfasige voeding gaat 120 keer per seconde door het nulpunt. Op deze momenten zakt het vermogen naar nul, maar herstelt zich snel genoeg zodat kleinere lampen, apparaten enzovoort geen merkbare onderbrekingen ervaren.

Als u een driefasige motor in een groter apparaat hebt, zoals een industriële luchtcompressor en geen gemakkelijke toegang hebt tot: driefasige stroom dankzij de manier waarop uw lokale elektriciteitsnet is ingesteld, zijn er tijdelijke oplossingen die u kunt gebruiken om uw apparatuur correct te krijgen aangedreven. (Een daarvan is om de driefasenmotor eenvoudig te vervangen door een eenfasemotor, maar dit is lang niet zo slim als andere oplossingen.)

Er zijn tal van typen driefasige omvormers beschikbaar. Een van deze, een statische omzetter, maakt gebruik van het feit dat hoewel een driefasenmotor niet kan starten op enkelfasige stroom, hij wel kan blijven draaien op enkelfasige stroom zodra hij is gestart. Een statische omzetter doet dit met behulp van condensatoren (apparaten die lading kunnen opslaan), waardoor de statische omzetter invallen voor een van de fasen, zij het op een inefficiënte manier die gegarandeerd de effectieve levensduur van de motor verkort span. EEN roterende fase-omzetter, aan de andere kant, fungeert als een soort combinatie van een vervangende driefasenmotor en een onafhankelijke generator. Dit apparaat bevat een vrijloopmotor, die, als hij eenmaal in beweging is, geen bewegende delen in de ouder laat draaien machines, maar genereert in plaats daarvan stroom, zodat de hele opstelling redelijkerwijs een driefasig stroomsysteem kan nabootsen goed. Eindelijk, een variabele frequentie aandrijving (VFD) maakt gebruik van componenten die omvormers worden genoemd en die kunnen worden gebruikt om wisselstroom op bijna elke gewenste frequentie te creëren en de meeste omstandigheden in een standaard driefasige motor na te bootsen.

Geen van deze converters is perfect, net zomin als een broodmes kan worden gebruikt om vlees gemakkelijk te snijden. Maar een broodmes is beter dan je blote handen, en dus zijn deze converters eigenlijk goed om bij de hand te hebben als je vaak werkt met energieverslindende machines en gereedschappen.