Jak przekonwertować moc jednofazową na moc trójfazową?

W Stanach Zjednoczonych większość energii wchodzącej do domów ludzi to energia jednofazowa. Moc wytwarzana w elektrowni jest jednak mocą trójfazową. To jest idea tych dużych linii transmisyjnych, które widzisz przymocowane do wysokich wież – te linie mają transmitować jako transmit dużo napięcia, jak to jest możliwe na długich dystansach, zanim ta moc zostanie „odebrana” i dostarczona do sąsiedztwa w znacznie obniżonym tempie. Napięcie.

Zasilanie jednofazowe jest wystarczające dla praktycznie wszystkich urządzeń gospodarstwa domowego, podczas gdy obiekty przemysłowe z ciężkim sprzętem wymagają zasilania trójfazowego. Ale co, jeśli potrzebujesz zasilania trójfazowego, a jedyne, co masz, to zasilanie jednofazowe wchodzące do twojego domu?

• Informacje tutaj są przeznaczone wyłącznie do celów akademickich – nie instruktażowych. Nigdy nie eksperymentuj z przewodami elektrycznymi ani nie zmieniaj ich w swoim domu lub innym miejscu, chyba że zostałeś specjalnie przeszkolony do pracy.

Wyobraź sobie siebie i dwóch (oczywiście znudzonych) przyjaciół spacerujących tam i z powrotem z żwawą prędkością 2 metrów na sekundę (około 4,5 mil na godzinę) wzdłuż ścieżki biegnącej z północy na południe i mierzącej 60 metrów od końca do koniec. Każdy z was zaczyna w połowie tej ścieżki, idzie na północny kraniec, wraca na początek, kontynuuje idzie na przeciwległy koniec i wraca ponownie na środek, kończąc w ten sposób jedno 120-metrowe „okrążenie” lub cykl. Ponieważ każdy z was idzie z prędkością 2 metrów na sekundę, jedna podróż w obie strony zajmuje każdej osobie dokładnie 60 sekund.

Załóżmy dalej, że w punkcie wyjścia „status” każdego z was wynosi zero. Zyskujesz jedną jednostkę statusu za każdy metr pokonany na północ i tracisz jednostkę statusu za każdy metr pokonany na południe. Tak więc za każdym razem, gdy któryś z was dotrze do północnego krańca ścieżki, ta osoba ma status 30, podczas gdy każdy, kto skręca na południowym krańcu, ma status -30. Rozpoznajecie, że wasza trójka może maksymalnie oddzielić się od siebie, zaczynając od 20 w odstępie sekund, ponieważ każdy obwód trwa 60 sekund i jest was trzech, a 60 podzielone przez 3 to 20. Jeśli wykonasz algebrę, odkryjesz, że gdy jeden z was zmaksymalizował swój „status” do wartości 30, osiągając północny kraniec, pozostali dwaj mijają się w połowie południowego odcinka, jeden kieruje się na północ, a drugi na południe, gdzie każdy piechur ma status -15. Jeśli dodasz jednocześnie wartości statusu, sumują się one do 30 + (-15) + (-15) = 0. Możliwe jest pokazanie, że w rzeczywistości suma wszystkich twoich wartości statusu w dowolnym momencie wynosi 0, o ile wasza trójka jest idealnie rozłożona, jak opisano.

Daje to model tego, jak wygląda trójfazowa energia elektryczna, z wyjątkiem tego, że „napięcie” wynosi zamiast „statusu” zamiast jednego cyklu występującego co 60 sekund występuje 60 cykli napięcia każda sekunda. Dodatkowo, zamiast każdej osoby przechodzącej przez punkt początkowy dwa razy na minutę, napięcie przechodzi przez punkt zerowy 120 razy na sekundę.

Ze względu na sposób matematycznego powiązania mocy, prądu i napięcia, moc trójfazowa pozostaje na stałym, niezerowym poziomie, mimo że trzy poszczególne napięcia sumują się do zera w dowolnym momencie. Ta relacja to:

P = V²/R

Tutaj P to moc w watach, V to napięcie w woltach, a R to opór elektryczny w jednostkach zwanych omami. Widać, że ujemne napięcia wpływają na moc, ponieważ podniesienie do kwadratu liczby ujemnej daje wartość dodatnią. Całkowita moc w systemie trójfazowym to tylko suma mocy trzech indywidualnych wartości mocy każdej fazy.

Ponadto, jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak prąd przemienny (AC) ma swoją nazwę, teraz masz odpowiedź. Napięcie nigdy nie jest stabilne w systemach jednofazowych lub trójfazowych, w wyniku czego prąd nie jest; są one związane z prawem Ohma, którym jest V = IR, gdzie I oznacza prąd w amperach („amperach”).

Aby rozszerzyć analogię chodzenia kumpli w tę i z powrotem do zasilania jednofazowego, po prostu wyobraź sobie, że dwóch twoich przyjaciół zostaje wezwanych do domu na obiad, podczas gdy ty kontynuujesz spacer, i masz to. Oznacza to, że moc trójfazowa to dosłownie tylko trzy jednofazowe źródła zasilania przesunięte wzajemnie o jedną trzecią cyklu (lub w kategoriach trygonometrycznych o 120 stopni). W zasilaczu jednofazowym za każdym razem, gdy napięcie na krótko spada do zera, podobnie jak moc wyjściowa. Być może teraz rozumiesz, dlaczego małe urządzenia, na które nie mają wpływu bardzo krótkie przerwy w działaniu? moc, może działać na zasilaniu jednofazowym, podczas gdy duże maszyny, które działają przy wysokich poziomach mocy (mocy) Nie mogę; wymagają dużego i stabilnego zasilania.

Wszystkie powyższe informacje można łatwiej zrozumieć, sprawdzając wykres napięcia w funkcji czas na zasilanie trójfazowe (patrz Zasoby). Na tym wykresie poszczególne fazy są przedstawione za pomocą czerwonych, fioletowych i niebieskich linii. Te zawsze sumują się do zera, ale suma ich kwadratów jest dodatnia i stała. Zatem przy niezmiennej wartości R moc P w tych układach jest również stała ze względu na zależność P = V²/R.

W przypadku zasilania jednofazowego nie ma napięć do sumowania, a napięcie w jednej fazie przechodzi przez punkt zerowy 120 razy na sekundę. W takich chwilach moc spada do zera, ale wraca na tyle szybko, że mniejsze światła, urządzenia itp. nie doświadczają zauważalnych przerw.

Jeśli masz silnik trójfazowy w większym urządzeniu, takim jak przemysłowa sprężarka powietrza i nie masz do niego dostępu zasilanie trójfazowe ze względu na sposób skonfigurowania lokalnej sieci, istnieją obejścia, które można zastosować, aby prawidłowo wyposażyć swój sprzęt napędzany. (Jednym z nich jest po prostu zastąpienie silnika trójfazowego silnikiem jednofazowym, ale nie jest to tak sprytne, jak inne rozwiązania.)

Dostępne są liczne typy przekształtników trójfazowych. Jeden z nich, a konwerter statyczny, wykorzystuje fakt, że chociaż silnik trójfazowy nie może uruchomić się na zasilaniu jednofazowym, może nadal pracować na zasilaniu jednofazowym po uruchomieniu. Przetwornica statyczna robi to za pomocą kondensatorów (urządzeń, które mogą magazynować ładunek), co umożliwia przekształtnikowi statycznemu zastępować jedną z faz, aczkolwiek w sposób nieefektywny, co zapewnia skrócenie żywotności silnika Zakres. ZA obrotowy konwerter faznatomiast działa jako rodzaj połączenia zastępczego silnika trójfazowego i niezależnego generatora. To urządzenie zawiera silnik napinacza, który po wprawieniu w ruch nie obraca żadnych ruchomych części u rodzica maszyn, ale zamiast tego generuje energię, dzięki czemu cała konfiguracja może rozsądnie naśladować trójfazowy system zasilania dobrze. Wreszcie, napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) wykorzystuje komponenty zwane falownikami, które mogą być używane do wytwarzania prądu przemiennego o prawie dowolnej pożądanej częstotliwości i odtwarzać większość warunków wewnątrz standardowego silnika trójfazowego.

Żaden z tych konwerterów nie jest doskonały, podobnie jak noża do chleba można z łatwością kroić mięso. Ale nóż do chleba jest lepszy niż gołe ręce, więc te konwertery są naprawdę dobre do posiadania pod ręką, jeśli często pracujesz z energochłonnymi maszynami i narzędziami.