3상 전력 시스템

분할 전력 시스템이란 무엇입니까?

분할상 전력 시스템은 높은 도체 효율을 달성합니다. 및 전체 전압을 더 작은 부분으로 분할하고 전체 전압 시스템의 일반적인 수준에서 전류를 끌어오는 동안 더 낮은 전압에서 여러 부하에 전원을 공급하여 안전 위험을 낮춥니다.

그런데 이 기술은 단상 AC 시스템과 마찬가지로 DC 전원 시스템에서도 잘 작동합니다. 이러한 시스템을 일반적으로 3선이라고 합니다. 분할이 아닌 시스템 "위상"은 AC에 국한된 개념이기 때문입니다.

그러나 우리는 벡터와 복소수에 대한 경험을 통해 AC 전압이 서로 위상이 다를 때 생각하는 것처럼 항상 합산되지는 않는다는 것을 알고 있습니다.

전력 시스템에 적용되는 이 원리는 분상보다 훨씬 더 높은 도체 효율과 더 낮은 충격 위험을 가진 전력 시스템을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

예시

2개의 120° 위상차 전압 소스

각 전압 소스가 서로 120° 위상이 다르다는 점을 제외하고 이전에 본 분할 위상 시스템과 마찬가지로 직렬로 연결된 두 개의 AC 전압 소스가 있다고 가정합니다. (아래 그림)

분할 위상과 유사한 120° 위상 120Vac 소스 쌍

각 전압 소스는 120볼트이고 각 부하 저항은 해당 소스와 병렬로 직접 연결되므로 각 부하 양단의 전압은 반드시 120볼트도 됩니다. 83.33A의 부하 전류가 주어지면 각 부하는 여전히 10킬로와트의 전력을 소모해야 합니다.

그러나 두 "뜨거운" 전선 사이의 전압은 두 소스 간의 위상차가 180°가 아니기 때문에 240볼트(120 ∠ 0° - 120 ∠ 180°)가 아닙니다. 대신 전압은 다음과 같습니다.

명목상 "뜨거운" 도체 사이의 전압은 208볼트(반올림)이므로 전원 시스템 전압은 120/208로 지정됩니다.

"중성" 도체를 통해 전류를 계산하면 그렇지 않습니다. 균형 잡힌 부하 저항이 있어도 0입니다. Kirchhoff의 전류 법칙에 따르면 두 부하 사이의 노드에 들어오고 나가는 전류는 0이어야 합니다. (아래 그림)

중성선은 한 쌍의 120° 위상 소스의 경우 전류를 전달합니다.

발견 및 결론

따라서 "중성" 와이어는 각 "핫" 와이어와 마찬가지로 전체 83.33암페어를 전달합니다.

우리는 여전히 20kW의 총 전력을 두 부하에 전달하고 있으며 각 부하의 "핫" 와이어는 이전과 같이 83.33암페어를 전달합니다.

각 "핫" 와이어를 통한 동일한 양의 전류로 동일한 게이지 구리 도체를 사용해야 하므로 분할상 120/240 시스템에 비해 시스템 비용이 절감되지 않았습니다.

그러나 두 개의 "뜨거운" 도체 사이의 전체 전압이 분할 위상 시스템(240볼트 대신 208볼트)에서보다 32볼트 낮기 때문에 안전이 향상되었습니다.

3개의 120° 위상차 전압 소스

중성선이 83.33A의 전류를 전달한다는 사실은 흥미로운 가능성을 제기합니다. 어쨌든 전류를 전달하기 때문에 세 번째 전선을 또 다른 "뜨거운" 도체로 사용하고 위상각이 있는 세 번째 120볼트 소스로 다른 부하 저항에 전원을 공급하는 것은 어떻습니까? 240°?

그렇게 하면 더 많은 더 이상 도체를 추가할 필요 없이 전력(또 다른 10kW). 이것이 어떻게 보이는지 봅시다:(아래 그림)

세 번째 부하가 다른 두 부하에 대해 120° 위상을 가질 때 전류는 두 부하와 동일합니다.

3상 시스템에 대한 SPICE 계산

이 회로의 모든 전압과 전류에 대한 완전한 수학적 분석은 네트워크 정리를 사용해야 하며, 가장 쉬운 방법은 중첩 정리입니다.

3개의 서로 다른 위상 각도에서 3개의 전압 소스가 부하 저항의 균형 3화음에 각각 120볼트를 전달한다는 것을 직관적으로 이해할 수 있어야 하기 때문에 길고 긴 계산을 생략하겠습니다.

이를 증명하기 위해 SPICE를 사용하여 수학을 수행할 수 있습니다. (아래 그림, SPICE 목록:120/208 다상 전원 시스템)

SPICE 회로:120°로 위상이 지정된 3개의 3-Φ 부하

120/208 다상 전력 시스템 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 4 1 4 .6lin .print . ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2 ) i(v3) .end 

<사전>각 부하 주파수에 걸친 전압 v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 "뜨거운" 도체 주파수 v (1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 각 전압 소스 주파수 i(v1) i(v2) i(v3)를 통한 전류 ) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

물론, 우리는 각 부하 저항에서 120볼트를 얻습니다. 두 개의 "핫" 컨덕터 사이에는 (대략) 208볼트가 있고 컨덕터 전류는 83.33암페어입니다. (아래 그림)

해당 전류와 전압에서 각 부하는 10kW의 전력을 소모합니다.

이 회로에는 모든 부하가 개방되어야 하는 경우 안정적인 전압을 보장하기 위해 "중성" 도체가 없습니다.

여기에 있는 것은 "중성" 도체가 없는 분할 위상 전원 회로와 유사한 상황입니다. 한 부하에서 페일오픈이 발생하면 나머지 부하의 전압 강하가 변경됩니다.

다른 부하 개방 시 부하 전압 안정성을 보장하려면 소스 노드와 부하 노드를 함께 연결하는 중성선이 필요합니다.

시뮬레이션 결과 주석이 달린 SPICE 회로:120°에서 위상이 지정된 3개의 3-Φ 부하

부하가 균형을 유지하는 한(동일한 저항, 동일한 전류) 중성선은 전류를 전혀 전달할 필요가 없습니다. 하나 이상의 부하 저항기가 페일오픈(또는 차단 스위치를 통해 차단)되어야 하는 경우를 대비하여 존재합니다.

다상 회로

우리가 3개의 전압 소스로 분석한 이 회로를 다상이라고 합니다. 회로. 접두사 "poly"는 "poly에서와 같이 "하나 이상"을 의미합니다. theism"(하나 이상의 신에 대한 믿음), "폴리 gon'(여러 선분으로 구성된 기하학적 모양:예:오각형 및 육각형 ) 및 “폴리 원자”(여러 유형의 원자로 구성된 물질).

전압 소스는 모두 다른 위상 각도(이 경우 3개의 다른 위상 각도)에 있기 때문에 이것은 "폴리 위상” 회로.

보다 구체적으로 말하면 3상 회로입니다. , 대규모 배전 시스템에서 주로 사용되는 종류입니다.

3상 시스템 대 단상 시스템

단상 시스템

동일한 부하 전압 및 전력 용량의 단상 시스템에 비해 3상 전원 시스템의 장점을 조사해 보겠습니다. 3개의 부하가 병렬로 직접 연결된 단상 시스템은 총 전류가 매우 높습니다(83.33 곱하기 3 또는 250A(아래 그림)).

비교를 위해 120Vac 시스템에서 3개의 10Kw 부하가 250A를 소비합니다.

이를 위해서는 3/0 게이지 구리선이 필요합니다(매우 큼!), 천 피트당 약 510파운드이며 상당한 가격표가 붙어 있습니다. 소스에서 부하까지의 거리가 1000피트인 경우 작업을 수행하려면 0.5톤 이상의 구리선이 필요합니다.

분할 시스템

반면에 2개의 15kW, 120볼트 부하로 분할상 시스템을 구축할 수 있습니다. (아래 그림)

분할 위상 시스템은 120Vac 시스템에 비해 240Vac에서 125A 전류의 절반을 소비합니다.

우리의 전류는 단순한 병렬 회로를 사용했을 때의 절반으로 크게 개선되었습니다.

우리는 소스와 부하 사이에 각각 1000피트를 세 번 실행하여 천 피트당 약 200파운드를 계산하여 약 600파운드의 총 질량에서 2번 게이지 구리 와이어를 사용하여 벗어날 수 있습니다. 그러나 각 부하가 120볼트만 수신하더라도 시스템에 240볼트가 존재하는 증가하는 안전 위험도 고려해야 합니다.

전반적으로 위험한 감전이 발생할 가능성이 더 큽니다.

3상 시스템

이 두 가지 예를 3상 시스템(위 그림)과 비교하면 이점이 매우 명확해집니다.

첫째, 도체 전류가 상당히 적기 때문에(83.33암페어 대 125 또는 250암페어) 훨씬 더 얇고 가벼운 전선을 사용할 수 있습니다. 4번 게이지 와이어를 1,000피트당 약 125파운드로 사용할 수 있으며, 이는 예제 회로의 경우 총 500파운드(각각 1000피트를 4회 실행)가 됩니다.

이는 시스템의 최대 전압이 더 낮다는 추가 이점(208 대 240)과 함께 분할 위상 시스템에 비해 상당한 비용 절감을 나타냅니다.

한 가지 질문에 답해야 합니다. 위상 각이 정확히 120° 떨어져 있는 세 개의 AC 전압 소스를 어떻게 얻을 수 있습니까?

분명히 분할 위상 시스템에서와 같이 변압기나 교류 발전기 권선을 센터 탭할 수는 없습니다. 위상이 같거나 위상이 180°인 전압 파형만 제공할 수 있기 때문입니다.

아마도 커패시터와 인덕터를 사용하여 120°의 위상 변이를 생성하는 방법을 알아낼 수 있을 것입니다. 그러나 이러한 위상 변이는 부하 임피던스의 위상 각도에도 따라 달라집니다(저항 부하를 용량성 또는 유도성 부하로 대체하면 모든 것!).

우리가 찾고 있는 위상 편이를 얻는 가장 좋은 방법은 소스에서 이를 생성하는 것입니다. 아래 그림과 같이 기계의 둘레를 따라 120° 간격을 둡니다.

(a) 단상 교류 발전기, (b) 3상 교류 발전기.

함께, 3상 교류 발전기의 6개의 "극" 권선은 3개의 권선 쌍을 구성하도록 연결되며, 각 쌍은 다른 두 권선 쌍 중 하나에서 위상각이 120° 이동된 AC 전압을 생성합니다.

권선 쌍 간의 상호 연결(단상 교류 발전기의 경우:권선 1a와 1b 사이의 점퍼 와이어)은 단순화를 위해 3상 교류 발전기 도면에서 생략되었습니다.

우리의 예제 회로에서 우리는 "Y" 구성(때때로 "스타" 구성이라고도 함)으로 함께 연결된 3개의 전압 소스를 보여주었습니다. 각 소스의 한 리드는 공통 지점("중립"을 연결한 노드)에 연결되어 있습니다. 지휘자).

이 연결 방식을 나타내는 일반적인 방법은 아래 그림과 같이 "Y"자 모양으로 권선을 그리는 것입니다.

발전기 "Y" 구성.

"Y" 구성이 우리에게 열려 있는 유일한 옵션은 아니지만 처음에는 아마도 가장 이해하기 쉬울 것입니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 이 장의 뒷부분에 있습니다.

검토:

<울>

단상 전원 시스템은 하나의 AC 전압 소스(하나의 소스 전압 파형)만 있는 시스템입니다.

분할 단계 전력 시스템은 서로 180° 위상 편이된 두 개의 전압 소스가 있는 시스템으로, 두 개의 직렬 연결된 부하에 전력을 공급합니다. 이것의 장점은 안전상의 이유로 낮은 부하 전압을 유지하면서 더 낮은 도체 전류를 가질 수 있다는 것입니다.

다상 전력 시스템은 서로 다른 위상 각도에서 여러 전압 소스를 사용합니다(작업에서 전압 파형의 많은 "위상"). 다상 전력 시스템은 단상 또는 분할상 시스템보다 더 작은 게이지 도체로 더 적은 전압으로 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다.

다상 전력 시스템에 필요한 위상 편이 전압 소스는 여러 세트의 와이어 권선이 있는 교류 발전기에서 생성됩니다. 이 권선 세트는 원하는 각도로 회전자의 회전 원주 주위에 이격되어 있습니다.

관련 워크시트:

<울>

다상 전력 시스템 워크시트