Hur man konverterar enfas till 3-fasström

I USA är det mest kraft som går in i människors hem enfasmakt. Kraften som genereras vid elkraftverket är dock trefas. Det här är tanken bakom de stora överföringsledningarna du ser fästa vid höga torn - dessa linjer ska sändas som mycket spänning som är möjlig över långa sträckor innan denna kraft "tappas" och levereras till stadsdelar på en kraftigt reducerad Spänning.

Enfasström räcker för praktiskt taget alla hushållsapparater, medan industriella miljöer med tung utrustning kräver trefasström. Men vad händer om du behöver trefasström och allt du har är enfasströmmen som kommer in i ditt hem?

• Informationen här är endast avsedd för akademiska ändamål - inte för instruktioner. Experimentera aldrig med eller ändra elektriska ledningar i ditt hem eller någon annanstans såvida du inte har blivit särskilt utbildad för jobbet.

Tänk dig själv och två av dina (uppenbarligen uttråkade) vänner som går fram och tillbaka med en snabb hastighet på 2 meter per sekund (cirka 4,5 miles per timme) längs en stig som går nord-syd och mäter 60 meter från slutet till slutet. Var och en av er börjar vid mittpunkten på denna väg, går till norra änden, återvänder till starten, fortsätter gå till motsatta änden och återvänder igen till mitten och fullbordar därmed ett 120 meter "varv" eller cykel. Eftersom var och en av er går med 2 meter per sekund tar en tur och retur varje person exakt 60 sekunder.

Antag vidare att vid startpunkten är "status" var och en av er noll. Du får en statusenhet för varje meter du går norrut och förlorar en statusenhet för varje meter du går söderut. Så närhelst någon av er når den norra änden av stigen, har den personen en status på 30, medan alla som gör svängen i södra änden har en status på -30. Du inser att ni tre maximalt kan skilja er från varandra genom att börja 20 sekunder ifrån varandra, eftersom varje krets tar 60 sekunder och du är tre, och 60 dividerat med 3 är 20. Om du gör algebra, upptäcker du att när en av er har maximerat din "status" till ett värde av 30 genom att nå den norra änden, de andra två passerar varandra halvvägs längs den södra delen, den ena norr och den andra söderut, där varje rullator har status -15. Om du lägger till dina statusvärden vid en sådan tidpunkt uppgår de till 30 + (-15) + (-15) = 0. Det är möjligt att visa att faktiskt summan av alla dina statusvärden när som helst är 0 så länge som ni tre är helt förskjutna enligt beskrivningen.

Detta erbjuder en modell av hur trefas elkraft ser ut, förutom att "spänning" är ersatt av "status" och istället för att en cykel inträffar var 60: e sekund, uppträder 60 spänningscykler varje sekund. Plus, istället för att varje person passerar startpunkten två gånger per minut, passerar spänningen genom nollpunkten 120 gånger per sekund.

På grund av hur effekt, ström och spänning är matematiskt relaterade, förblir trefaseffekt på en konstant, icke-nollnivå trots att de tre enskilda spänningarna lägger till noll när som helst. Detta förhållande är:

P = V.²/ R

Här är P effekt i watt, V är spänning i volt och R är elektrisk motstånd i enheter som kallas ohm. Du kan se att negativa spänningar bidrar till effekt eftersom kvadrering av ett negativt tal ger ett positivt värde. Den totala effekten i ett trefassystem är bara summan av effekten av de tre individuella effektvärdena för varje fas.

Om du någonsin har funderat på hur växelström (AC) fick sitt namn har du nu ditt svar. Spänningen är aldrig stabil i varken enfas- eller trefassystem, och som ett resultat är varken ström; dessa är relaterade av Ohms lag, som är V = IR, där jag står för strömmen i ampere ("ampere").

För att utvidga kompisernas gång-fram-och-tillbaka-analogi till enfas kraft, föreställ dig helt enkelt att två av dina vänner kallas hem till middag medan du fortsätter att gå, och där har du det. Det vill säga trefaseffekt är bokstavligen bara tre enfasströmskällor som ömsesidigt kompenseras av en tredjedel av en cykel (eller i trigonometriska termer, med 120 grader). I en enfas strömförsörjning blir varje enskild spänning kort noll, så blir också uteffekten. Du kan kanske förstå nu varför små apparater, som inte påverkas mycket av mycket korta förfaller kan köras på enfasström, medan stora maskiner som arbetar på höga wattnivåer (effekt) kan inte; de kräver en stor och stadig strömförsörjning.

Allt ovanstående är lättare att förstå genom att konsultera ett diagram över spänning vs. tid för en trefas strömförsörjning (se Resurser). I denna graf är de enskilda faserna ritade med röda, lila och blå linjer. Dessa summerar alltid till noll, men summan av deras rutor är positiv och konstant. Således givet ett oförändrat värde på R är effekten P i dessa inställningar också konstant på grund av förhållandet P = V²/R.

För en enfasförsörjning finns inga spänningar att summera, och spänningen i enfas passerar genom nollpunkten 120 gånger per sekund. I dessa ögonblick sjunker strömmen till noll men återhämtar sig tillräckligt snabbt så att mindre lampor, apparater och så vidare inte upplever märkbara avbrott.

Om du har en trefasmotor i en större enhet som en luftkompressor i industriell storlek och inte har tillgång till det trefasström på grund av hur ditt lokala nät är inställt finns det lösningar du kan använda för att få din utrustning ordentligt drivs. (En av dessa är att helt enkelt byta ut trefasmotorn mot en enfasmotor, men det här är inte alls lika smart som andra lösningar.)

Många typer av trefasomvandlare finns tillgängliga. En av dessa, a statisk omvandlare, utnyttjar det faktum att även om en trefasmotor inte kan starta med enfasström, kan den fortsätta att gå på enfasström när den startas. En statisk omvandlare gör detta med hjälp av kondensatorer (enheter som kan lagra laddning), som låter den statiska omvandlaren stå i en av faserna, om än på ett ineffektivt sätt som är säker på att minska motorns effektiva livslängd spänna. A roterande fasomvandlare, å andra sidan, fungerar som en slags kombination av en ersättande trefasmotor och en oberoende generator. Enheten innehåller en tomgångsmotor som, när den väl är igång, inte vrider några rörliga delar i föräldern maskiner, men genererar istället kraft så att hela installationen kan efterlikna ett trefas kraftsystem rimligt väl. Slutligen, a frekvensomriktare (VFD) använder sig av komponenter som kallas växelriktare, som kan användas för att skapa växelström med nästan vilken frekvens som helst och replikera de flesta förhållandena i en standard trefasmotor.

Ingen av dessa omvandlare är perfekt, mer än en brödkniv kan enkelt användas för att skära kött. Men en brödkniv är bättre än dina bara händer, så dessa omvandlare är faktiskt bra att ha till hands om du ofta arbetar med kraftiga maskiner och verktyg.