Mengapa kekuatan tiga fase? Mengapa bukan jumlah fase yang lebih tinggi?

Adakah alasan, di luar alasan historis, bahwa tiga fase telah menjadi jumlah fase yang dominan?

Saya menyadari keuntungan terhadap satu fase dan dua fase, yaitu berkurangnya jumlah konduktor yang dibutuhkan, dan bahwa motor dapat memberikan torsi ketika terhenti (dan lebih sedikit denyut).

Apakah ini semata-mata karena berkurangnya pengembalian, dengan hanya sedikit peningkatan kelancaran aplikasi torsi, dengan biaya peningkatan kompleksitas (peningkatan jumlah kabel (meskipun CSA lebih kecil)).

Agar jelas, semua fase terdistribusi secara merata, yaitu, lima fase dipisahkan oleh 72 derajat.

Selain jawaban PlasmaHH, industri menggunakan daya tiga fase yang hampir secara eksklusif karena motor induksi membutuhkan setidaknya pasokan tiga fase untuk memulai dan menjalankan dalam arah yang diketahui. Motor induksi satu fasa memerlukan trik lossy, tidak dapat diandalkan, dan mahal untuk melakukan hal yang sama (belitan tambahan, belitan lossy, sakelar peka kecepatan, kapasitor, dll.).

Grid pasokan didasarkan pada tiga fase karena merupakan yang paling efisien dalam hal pembangkitan dan pengiriman. Menggunakan kisi-kisi 9 fase misalnya akan membutuhkan menjalankan 9 kabel untuk seluruh kisi distribusi, tidak hemat biaya.

Motor urutan tinggi yang disebutkan tidak menggunakan fase yang dihasilkan garis. Motor stepper menggunakan lebih banyak fase untuk kontrol yang lebih halus. Penyearah polifase orde tinggi sering dirancang dengan lebih banyak 'fase', untuk mengurangi riak, tetapi fase-fase tersebut dihasilkan secara lokal dengan menggeser fase input garis dengan beberapa cara, baik pemindahan LC langsung, atau dengan menggunakan set motor generator.

Ketika Anda memiliki distribusi daya satu fasa, Anda perlu satu fase dan satu kembali, keduanya membawa arus yang sama.

Jika Anda sekarang menggunakan kekuatan tiga fase simetris , Anda menggunakan tiga fase dengan sepertiga dari kemampuan membawa saat ini, dan Anda dapat menyingkirkan netral. Ini hanya menghemat uang dalam bentuk tembaga. Jika sekarang Anda menambahkan lebih banyak fase, Anda tidak dapat menyimpan lebih banyak tembaga, tetapi hanya menambah kompleksitas.

Jika Anda memiliki kekuatan tiga fasa asimetris , Anda tidak dapat menghilangkan netral, tetapi tidak harus mampu menangani semua arus gabungan dari ketiga fase sebagai imbalan. Lagi beberapa tembaga disimpan. Menambahkan lebih banyak fase meskipun tidak akan mengurangi tembaga yang dibutuhkan untuk netral sebanyak itu.

Jadi ya, pada akhirnya itu lebih banyak biaya untuk hampir tidak ada keuntungan dalam aplikasi rata-rata. Jadi Anda hanya akan menemukan lebih dari tiga fase untuk hal-hal yang sangat istimewa.

Tiga adalah jumlah fase terendah yang berjarak sama rata di sekitar lingkaran, dan yang dapat digunakan untuk membuat medan magnet berputar dalam arah tertentu.

Setiap fase lagi hanya membutuhkan lebih banyak kabel, dan lebih banyak gulungan di motor induksi.

Dua fase dapat mengatur medan magnet yang berputar jika mereka terpisah 90 derajat (" quadrature "). Trik penghasil quadrature seperti run kapasitor digunakan dengan motor induksi yang menjalankan daya satu fasa.

Kekuatan dua fasa ternyata tidak memiliki kelebihan. Motor berjalan lebih lancar pada tiga fase , dan dua fase yang seimbang membutuhkan empat konduktor sedangkan tiga fase hanya membutuhkan tiga. Dengan kata lain, kita dapat menghubungkan generator tiga fase dengan motor induksi tiga fase menggunakan tepat tiga kabel. Tiga-kawat dua fase dimungkinkan, tetapi tidak akan seimbang. Dua konduktor akan membawa fase, dan konduktor ketiga bertindak sebagai netral. Ini berarti bahwa satu kawat harus menangani lebih banyak arus karena bertindak sebagai pengembalian untuk dua lainnya. Tiga konduktor di bawah tiga fase semua membawa arus yang sama: mereka seimbang.

Untuk semua alasan ini, tiga fase mewakili yang optimal. Jika diberikan bahwa listrik digunakan untuk motor induksi, lebih dari tiga fase boros, dan lebih sedikit dari tiga.

Namun, sistem dua fase telah digunakan, serta sistem fase urutan tinggi, seperti fase enam dan dua belas , terus terjadi karena mereka memiliki beberapa keunggulan khusus.

Tambahan untuk jawaban lain:

Tujuan utamanya adalah memiliki setidaknya tiga fase memungkinkan motor Anda untuk memulai dalam arah yang diharapkan. Untuk motor induksi satu fase diperlukan beberapa solusi (seperti memasang kabel tambahan dengan kapasitor yang digunakan selama start-up). Itu dijelaskan dengan benar dalam jawaban sebelumnya.

Kenapa tidak lebih? Cukup - itu tidak perlu dan menghasilkan biaya. Bukan hanya masalah kabel (jadi gunakan tembaga, isolasi) tetapi juga masalah konstruksi. Bisakah Anda bayangkan menara untuk saluran overhead memiliki sembilan fase? Yah, mungkin Anda bisa - kadang-kadang orang bisa bertemu menara yang memiliki dua garis 3 fase, atau bahkan lebih:

(foto dari Wikipedia)

Masalah utama di sini adalah untuk mengamankan jarak isolasi yang tepat antara konduktor dan konduktor dan tanah (atau struktur menara), yang membutuhkan banyak bahan.

Juga, jika Anda memiliki lebih banyak fase, kemungkinan kegagalan lebih tinggi. Tentu saja, dalam kasus ini (katakanlah - konduktor yang rusak) total asimetri akan lebih rendah, tetapi risiko keharusan mematikan seluruh saluran akan lebih tinggi.

Membangun generator untuk fase lebih lanjut juga rumit. Biasanya, hidrogenerator, dengan kecepatan kecil, memang memiliki banyak pasangan tiang, jadi tidak apa-apa untuk tidak memberikan 24 pasangan tiang, tetapi satu atau dua (misalnya, untuk 12 fase), tetapi rumit untuk unit generator-turbin termal. Biasanya ada satu pasangan tiang, kadang-kadang dua. Ini mengarah ke kecepatan 3.000 rpm (untuk jaringan 50 Hz). Adalah penting bagi stator untuk menerima daya dari mesin semacam itu dengan risiko serendah mungkin, sehingga lebih sedikit fase berarti lebih sedikit peluang hubungan pendek pada gilirannya. Memperkenalkan lebih banyak fase akan membutuhkan konstruksi stator yang jauh lebih mahal.

Harap perhatikan juga, bahwa walaupun hari ini tidak ada masalah untuk memiliki konverter frekuensi elektronik daya, juga mengalikan fase, meluruskan dll., Itu adalah masalah hanya 30 tahun yang lalu, dan lebih banyak lagi tentu saja. Lalu orang-orang memutuskan untuk menggunakan tiga fase, dan sekarang tidak mungkin untuk beralih.

Kenapa hanya 3 fase? Nah jika kita membutuhkan lebih banyak fase kita dapat mengkonversi 3 fase dengan mudah menjadi 6 fase / 12 fase dll menggunakan kabel trafo untuk melakukannya. Aplikasi utama dari lebih banyak fase adalah untuk mengurangi tegangan riak ke dalam bank kapasitor penuh yang diperbaiki. Saya belum pernah melihat satu tetapi belajar tentang mereka dari dosen kuno di universitas saat melakukan teknik listrik.

Juga katakanlah kita memiliki konfigurasi delta dari 3 resistor yang cocok yang terhubung ke koneksi 3 fase. Daya yang digunakan dari waktu ke waktu akan identik dengan resistor bertenaga DC karena ketika satu fase pada 0% dua fase lainnya akan berada di 66,66% & 33,33% jika saya ingat dengan benar. Hubungan ini juga berarti bahwa daya dari satu fase akan kembali ke fase lain. Bukankah 3 fase hebat!

Jadi untuk meringkas, tidak perlu untuk fase tambahan karena Anda dapat dengan mudah mengubahnya menjadi lebih banyak fase di akhir Anda. Ini biasanya tidak dilakukan karena 3 fase sudah mengagumkan.

Semoga ini membantu.

Tiga fase memiliki sifat yang sangat penting: jika Anda melihat kekuatan (V ^ 2 / R) di ketiga fase dan menjumlahkannya, kekuatan itu adalah KONSTAN di seluruh siklus. Ini berarti 3 fase motor dapat melaju pada daya konstan dan generator melihat beban konstan. 2 fase tidak cukup untuk mendapatkan hubungan ini.

Seseorang dapat menggunakan jumlah fasa yang lebih tinggi, tetapi biayanya lebih besar untuk ditransfer, dan tidak akan benar-benar menawarkan keuntungan tambahan dalam kebanyakan situasi. 3 fase dipilih karena merupakan jumlah minimum kabel dengan sifat baik.

Banyak jawaban lain yang secara keliru menyatakan bahwa Anda memerlukan 3 fase untuk memulai motor dengan andal atau berbelok ke arah tertentu, dan menggunakan daya konstan. Sebenarnya, ini bisa dilakukan dengan dua fase, 90 ° dari satu sama lain. Anda masih mendapatkan arahan yang pasti dan daya yang konstan selama satu siklus.

Namun, sistem dua fase seperti itu akan membutuhkan minimal tiga kabel, tetapi arus melalui tiga kabel tidak akan simetris untuk beban daya konstan. Jadi, jika Anda tetap membutuhkan tiga kabel, apa cara terbaik untuk menggunakan ketiga kabel ini seefisien dan sefleksibel mungkin? Jawabannya adalah sistem tiga fase yang sebenarnya kita gunakan. Alih-alih satu garis umum dan dua "panas" 90 ° keluar dari fase, Anda memiliki tiga garis panas simetris, masing-masing 120 ° keluar dari fase dari dua lainnya. Perhatikan bahwa tegangan rata-rata (dan arus untuk beban seimbang) selalu 0 untuk sistem 3 fase simetris. Ini tidak berlaku untuk sistem 2 fase.

Lebih banyak fase tidak memberikan Anda properti yang diinginkan tambahan, jadi hanya akan menambah kompleksitas dan biaya.

Tegangan pada dasarnya adalah antara dua konduktor. Jika Anda memiliki satu konduktor, Anda tidak memiliki voltase. Tidak ada tegangan, tidak ada daya, tidak ada yang terjadi. Tidak terlalu berguna.

Jika Anda memiliki dua konduktor, Anda memiliki satu pasangan (2C2), yang memungkinkan untuk satu tegangan. Kami menyebutnya fase tunggal. Sekarang kita benar-benar dapat mewujudkan sesuatu, yang merupakan keuntungan besar daripada hanya memiliki satu konduktor. Tetapi Anda hanya dapat membuat satu hal terjadi; tidak ada variasi yang memungkinkan tentang bagaimana muatan dapat dihubungkan. Dengan kata lain, hanya ada satu dimensi tegangan: positif, atau negatif. Satu masalah umum adalah bahwa jika Anda menghubungkan motor satu fase langsung ke saluran AC, Anda tidak memiliki jaminan tentang cara motor itu berputar, atau jika motor itu akan sama sekali.

Jika Anda memiliki tiga konduktor, Anda memiliki tiga pasangan (3C2), yang memungkinkan untuk tiga tegangan. Kami menyebutnya tiga fase. Sekarang kita dapat membuat tiga hal terjadi, pada waktu yang berbeda . Misalnya, Anda dapat mengatur tiga elektromagnet dalam sebuah lingkaran dan menyalakannya secara berurutan. Sekarang kami dapat menjamin bahwa motor akan berputar, dan ke arah mana. Ini adalah keuntungan besar dibandingkan fase tunggal. Dengan kata lain, kita sekarang memiliki dua dimensi tegangan; itu diwakili oleh vektor dalam ruang dua dimensi. Hanya ada dua kemungkinan pengaturan konduktor yang berbeda ((3-1)!), Yang sesuai dengan dua kemungkinan arah rotasi.

Jika Anda memperpanjang ini ke empat konduktor, Anda memiliki enam pasang (4C2), jadi langkah selanjutnya adalah tegangan enam fase. Apa keuntungan yang dimiliki enam fase lebih dari tiga fase? Nah, sekarang ada (4-1)! = 6 kemungkinan pengaturan konduktor yang berbeda, yang berarti bahwa jika Anda mencoba menyebabkan sesuatu berputar di dalam pesawat, Anda dapat mengaitkan berbagai hal dengan cara yang tidak konsisten dengan itu. Jadi jika Anda memiliki motor induksi berliku enam, adalah mungkin untuk menghubungkannya dengan cara yang akan bergetar mengerikan dan berputar pada setengah kecepatan normal, daripada hanya memilih satu arah atau yang lain. Itu bukan nilai tambah.

Tetapi anggaplah rotor Anda memiliki tiga derajat kebebasan rotasi, bukan satu. Dengan enam fase, dan pengaturan mekanis kutub magnet yang sesuai, Anda dapat mendorong rotasi (roll, pitch, dan yaw) dalam rotor bola mengambang pada posisi tetap. Karena hal seperti itu tidak ada sepengetahuan saya, ini tidak benar-benar memenuhi syarat sebagai aplikasi yang bermanfaat. (Mungkin di lingkungan gravitasi nol, di mana kutub magnet mengorbit beberapa benda? Tapi kemudian, bagaimana mereka semua terhubung ke garis AC enam fase yang sama?) Tentu saja, dalam ruang empat dimensi, di mana kita bisa memiliki sistem seperti itu dan masih menerjemahkan ketiga arah rotasi ke beberapa beban lain di luar pengaturan stator / rotor bola kami, pengaturan ini bisa sangat berguna.

Sementara itu, kembali di 3 + 1-ruang, saya bekerja di dunia elektronik daya industri, dan saya telah melihat sistem yang menggunakan jenis transformator fase-shift jawaban lain telah disebutkan. Sebagai nomenklatur, tak seorang pun yang saya ajak bicara akan menjelaskan menggunakan transformator fase-shift untuk menghasilkan tiga kaki AC fase-keluar untuk menciptakan "enam fase". (Menurut matematika saya, Anda akan memiliki lima belas fase, tapi itu masih bukan bahasa yang digunakan.) Ketika menjalankan tiga fase melalui penyearah ke dalam topi, Anda mendapatkan enam pulsa arus per siklus. Untuk sistem semacam ini, Anda akan mendapatkan dua belas pulsa, sehingga sistem semacam itu disebut dua belas pulsa.

(Secara umum, penyearah dua belas-pulsa adalah dua penyearah enam-pulsa. Jika Anda memiliki dua drive motor, Anda dapat menghubungkan bus DC mereka secara langsung bersama-sama dan memberi makan masing-masing dengan set tiga fase yang berbeda. Atau Anda bisa mendapatkan yang berdiri sendiri penyearah untuk satu set dan memasukkan input DC-nya ke drive yang tersisa.)

Jika Anda membandingkan penyearah enam-pulsa dengan penyearah dua belas-pulsa, dengan beban yang sama, setiap pulsa saat ini harus lebih kecil untuk mengimbangi karena ada lebih banyak dari mereka yang menggerakkan beban yang sama. Ini membuat keseluruhan arus keluar dari garis terlihat lebih seperti gelombang sinus, yang berarti harmonik berkurang. Riak pada topi juga lebih rendah, tetapi saya tidak pernah tahu ada orang yang sangat khawatir tentang itu.

Perbaikan harmonisa yang lebih besar dapat dilakukan dengan sistem delapan belas pulsa dan tiga penyearah. (36 fase!) Pada tegangan dan daya yang lebih tinggi, bahkan mungkin ada penyearah paralel yang lebih tinggi. Dokumen ini pada saluran VFD tegangan menengah merujuk penyearah 54-pulsa pada 11 kV!

TL; DR

Kekuatan tiga fase memberi kita satu tingkat kebebasan rotasi, yang merupakan batas dari apa yang berguna dalam ruang tiga dimensi.

Alasan sederhana lainnya: Fase tambahan akan "dua serupa" dengan yang ada. Dengan kata lain: Setiap fase tambahan hanya akan menjadi kombinasi linear dari tegangan di antara tiga kabel yang ada - ruang vektor yang direntang oleh sinus dan cosinus hanya dua dimensi.

Aspek lain dari masalah adalah masalah geometri konduktor untuk saluran transmisi tegangan tinggi. Dengan tiga garis, masalah induktansi dan arus crosstalk terinduksi diminimalkan dan lebih mudah disaring, daripada jika ada kelipatan tambahan dari konduktor. Biaya terus naik lebih cepat daripada manfaatnya dengan lebih banyak konduktor.

Lionel Barthold, pendiri Power Technologies, Inc., menjelaskan ini dengan baik:

" Mengapa 3 Phase Power? Kenapa tidak 6 atau 12? "

Dia mengatakan bahwa meskipun dia telah merancang sistem fase yang lebih tinggi, mereka tidak praktis karena, seperti yang Anda katakan, berkurangnya pengembalian, terutama berkaitan dengan semua transformator yang lebih dibutuhkan di gardu induk. Ketika Anda menggandakan jumlah fase, Anda juga harus menggandakan jumlah peralatan di gardu induk.