Warum Drehstrom? Warum nicht eine höhere Anzahl von Phasen?

Gibt es einen Grund, der über die historischen Gründe hinaus dafür spricht, dass drei Phasen zur dominierenden Anzahl von Phasen geworden sind?

Mir sind die Vorteile gegenüber einer Phase und zwei Phasen bekannt, nämlich die verringerte Menge an benötigtem Leiter, und dass Motoren Drehmoment liefern können, wenn sie blockiert sind (und weniger pulsieren).

Liegt dies ausschließlich an abnehmenden Erträgen bei nur geringfügiger Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Drehmomentanwendung auf Kosten einer erhöhten Komplexität (erhöhte Anzahl von Drähten (wenn auch von kleinerem CSA)).

Die Phasen sind alle gleichmäßig verteilt, dh fünf Phasen, die um 72 Grad voneinander getrennt sind.

Zusätzlich zur Antwort von PlasmaHH verwendet die Industrie fast ausschließlich Dreiphasenstrom, da ein Induktionsmotor mindestens eine Dreiphasenversorgung benötigt, um in einer bekannten Richtung zu starten und zu laufen. Einphasen-Asynchronmotoren erfordern dazu verlustbehaftete, unzuverlässige und teure Tricks (zusätzliche Wicklungen, verlustbehaftete Wicklungen, drehzahlempfindliche Schalter, Kondensatoren usw.).

Das Versorgungsnetz basiert auf drei Phasen, da diese in Bezug auf Erzeugung und Lieferung am effizientesten sind. Die Verwendung eines 9-Phasen-Netzes würde zum Beispiel das Verlegen von 9 Drähten für das gesamte Verteilungsnetz erfordern, was nicht kosteneffektiv ist.

Die genannten Motoren höherer Ordnung verwenden keine netzgenerierten Phasen. Schrittmotoren verwenden mehr Phasen für eine feinere Steuerung. Mehrphasengleichrichter höherer Ordnung sind häufig mit mehr "Phasen" ausgelegt, um die Welligkeit zu verringern. Die Phasen werden jedoch lokal durch Phasenverschiebung des Leitungseingangs mit bestimmten Mitteln erzeugt, entweder durch direkte LC-Verschiebung oder durch Verwendung eines Motor-Generator-Satzes.

Wenn Sie eine einphasige Stromverteilung haben, benötigen Sie eine Phase und eine Rückleitung, die beide denselben Strom führen.

Wenn Sie jetzt stattdessen symmetrische Dreiphasenleistung verwenden, verwenden Sie drei Phasen mit einem Drittel der Strombelastbarkeit, und Sie können den Neutralleiter loswerden. Das spart einfach etwas Geld bei Kupfer. Wenn Sie jetzt weitere Phasen hinzufügen, können Sie kein Kupfer mehr sparen, sondern nur die Komplexität erhöhen.

Wenn Sie eine asymmetrische Dreiphasenleistung haben, können Sie den Neutralleiter nicht loswerden, er muss jedoch nicht in der Lage sein, den gesamten kombinierten Strom aller drei Phasen im Gegenzug zu verarbeiten. Wieder etwas Kupfer gespart. Durch Hinzufügen weiterer Phasen wird das für den Neutralleiter erforderliche Kupfer jedoch nicht so stark reduziert.

Also ja, am Ende sind es mehr Kosten für praktisch keinen Gewinn in der durchschnittlichen Anwendung. Sie finden also nur mehr als drei Phasen für ganz besondere Dinge.

Drei ist die niedrigste Anzahl von Phasen, die gleichmäßig um den Kreis verteilt sind und zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds in einer gegebenen Richtung verwendet werden können.

Weitere Phasen erfordern lediglich mehr Drähte und mehr Wicklungen in einem Induktionsmotor.

Zwei Phasen können ein rotierendes Magnetfeld aufbauen, wenn sie 90 Grad voneinander entfernt sind (" Quadratur "). Quadraturerzeugende Tricks wie Betriebskondensatoren werden bei Induktionsmotoren verwendet, die einphasig betrieben werden.

Zweiphasenleistung hat keine Vorteile. Motoren laufen mit drei Phasen ruhiger , und für eine ausgeglichene Zwei-Phasen-Schaltung sind vier Leiter erforderlich, während für die Drei-Phasen-Schaltung nur drei erforderlich sind. Das heißt, wir können einen Dreiphasengenerator mit einem Dreiphasen-Induktionsmotor unter Verwendung von genau drei Drähten verbinden. Dreileiter-Zweiphasen ist möglich, aber nicht symmetrisch. Zwei der Leiter tragen die Phasen und der dritte Leiter fungiert als Neutralleiter. Dies bedeutet, dass ein Draht mehr Strom verarbeiten muss, da er für die anderen beiden als Rückleitung dient. Die drei Leiter unter drei Phasen führen alle den gleichen Strom: Sie sind ausgeglichen.

Aus all diesen Gründen stellen drei Phasen ein Optimum dar. Wenn Elektrizität für Induktionsmotoren verwendet wird, sind mehr als drei Phasen und somit weniger als drei verschwenderisch.

Es wurden jedoch Zweiphasensysteme verwendet, und Phasensysteme höherer Ordnung, wie Sechs- und Zwölfphasensysteme, bestehen weiterhin, weil sie einige spezielle Vorteile aufweisen.

Ergänzung zu anderen Antworten:

Der Hauptzweck besteht darin, dass Ihr Motor mit mindestens drei Phasen in die erwartete Richtung starten kann. Bei einphasigen Asynchronmotoren sind einige Abhilfemaßnahmen erforderlich (z. B. zusätzliche Verdrahtung mit einem Kondensator, der während des Startvorgangs verwendet wird). Es wurde in früheren Antworten richtig erklärt.

Warum nicht mehr Einfach - es ist nicht notwendig und es entstehen Kosten. Es ist nicht nur das Problem der Drähte (also Verwendung von Kupfer, Isolierung), sondern auch das Konstruktionsproblem. Können Sie sich einen Turm für Freileitungen mit neun Phasen vorstellen? Nun, wahrscheinlich können Sie - manchmal kann man Türme treffen, die zwei dreiphasige Leitungen enthalten, oder sogar mehr:

(Bild aus Wikipedia)

Das Hauptproblem hierbei besteht darin, einen angemessenen Isolationsabstand zwischen Leitern und Leitern und Erde (oder Turmstruktur) sicherzustellen, was einen großen Materialeinsatz erfordert.

Wenn Sie mehr Phasen haben, ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls höher. In diesem Fall (z. B. bei einem unterbrochenen Leiter) ist die Gesamtasymmetrie zwar geringer, aber das Risiko, dass die gesamte Leitung ausgeschaltet werden muss, ist höher.

Der Bau eines Generators für mehrere Phasen ist ebenfalls kompliziert. In der Regel haben Hydrogeneratoren mit geringer Drehzahl viele Polpaare. Daher ist es in Ordnung, nicht 24 Polpaare, sondern ein oder zwei (z. B. für 12 Phasen) zu geben, was bei thermischen Generator-Turbinen-Einheiten jedoch kompliziert ist. Es gibt normalerweise ein Polpaar, manchmal zwei. Dies führt zu einer Drehzahl von 3000 U / min (für ein 50-Hz-Netzwerk). Es ist erforderlich, dass der Stator von einer solchen Maschine mit dem geringstmöglichen Risiko mit Strom versorgt wird, sodass weniger Phasen eine geringere Wahrscheinlichkeit für Kurzschlüsse in der Reihe bedeuten. Das Einführen von mehr Phasen würde eine viel teurere Statorkonstruktion erfordern.

Bitte beachten Sie auch, dass es, auch wenn es heute kein Problem ist, einen leistungselektronischen Frequenzumrichter zu haben, der auch Phasen multipliziert, Gleichrichter usw., noch vor 30 Jahren ein Problem war, und natürlich mehr. Dann entschieden sich die Leute für drei Phasen, und jetzt ist es unmöglich zu wechseln.

Warum nur 3 Phasen? Nun, wenn wir mehr Phasen benötigen, können wir 3 Phasen einfach in 6 Phasen / 12 Phasen usw. umwandeln, indem wir einen dazu verdrahteten Transformator verwenden. Die Hauptanwendung von mehr Phasen ist für eine geringere Welligkeitsspannung in einer vollbrückengleichgerichteten Kondensatorbank. Ich habe noch nie einen gesehen, habe aber von einem alten Universitätsdozenten während des Studiums der Elektrotechnik davon erfahren.

Nehmen wir auch an, wir hatten eine Dreieckskonfiguration von 3 angepassten Widerständen, die an einen 3-Phasen-Anschluss angeschlossen waren. Die im Laufe der Zeit verbrauchte Leistung ist mit einem Gleichstromwiderstand identisch, da bei einer Phase von 0% die beiden anderen Phasen bei 66,66% und 33,33% liegen, wenn ich mich richtig erinnere. Diese Beziehung bedeutet auch, dass die Leistung von einer Phase in die anderen Phasen zurückkehrt. Ist das nicht 3 Phase super!

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass keine zusätzlichen Phasen erforderlich sind, da Sie diese am Ende sehr einfach in weitere Phasen umwandeln können. Es ist in der Regel nicht getan, da 3 Phase bereits genial ist.

Hoffe das hilft.

Dreiphasen hat eine sehr wichtige Eigenschaft: Wenn Sie die Leistung (V ^ 2 / R) über alle drei Phasen betrachten und summieren, ist diese Leistung über den gesamten Zyklus konstant. Dies bedeutet, dass Drehstrommotoren mit einer konstanten Leistung fahren können und die Generatoren eine konstante Last sehen. 2 Phase ist nicht ausreichend, um diese Beziehung zu erhalten.

Man könnte höhere Phasenzahlen verwenden, aber die Verdrahtung kostet mehr und würde in den meisten Situationen keinen zusätzlichen Vorteil bieten. 3 Phase wird gewählt, da es sich um eine Mindestanzahl von Drähten mit guten Eigenschaften handelt.

In vielen anderen Antworten wird fälschlicherweise angegeben, dass Sie 3 Phasen benötigen, damit ein Motor zuverlässig startet oder sich in eine bestimmte Richtung dreht und konstante Leistung verwendet. Tatsächlich könnte dies mit zwei Phasen durchgeführt werden, die um 90 ° voneinander versetzt sind. Sie erhalten weiterhin definierte Richtung und konstante Leistungsaufnahme über einen Zyklus.

Ein solches Zweiphasensystem würde jedoch mindestens drei Drähte erfordern, aber der Strom durch die drei Drähte wäre für eine Last mit konstanter Leistung nicht symmetrisch. Wenn Sie also trotzdem drei Drähte benötigen, wie können Sie diese drei Drähte am besten so effizient und flexibel wie möglich einsetzen? Die Antwort ist das Dreiphasensystem, das wir tatsächlich verwenden. Anstelle einer gemeinsamen und zweier um 90 ° phasenverschobener "Hot Lines" haben Sie drei symmetrische Hot Lines, die jeweils um 120 ° phasenverschoben sind. Beachten Sie, dass die durchschnittliche Spannung (und der durchschnittliche Strom für eine ausgeglichene Last) für ein symmetrisches 3-Phasensystem immer 0 ist. Dies gilt nicht für ein 2-Phasensystem.

Weitere Phasen bieten keine zusätzlichen wünschenswerten Eigenschaften, erhöhen also nur die Komplexität und die Kosten.

Eine Spannung liegt definitiv zwischen zwei Leitern. Wenn Sie einen Leiter haben, haben Sie keine Spannungen. Keine Spannung, kein Strom, nichts passiert. Nicht besonders nützlich.

Wenn Sie zwei Leiter haben, haben Sie ein Paar (2C2), das eine Spannung zulässt. Wir nennen das einphasig. Jetzt können wir tatsächlich etwas bewirken, was einen erheblichen Vorteil gegenüber einem einzigen Dirigenten darstellt. Aber Sie können nur eins zustande bringen; Es gibt keine mögliche Abweichung, wie die Last angeschlossen werden kann. Anders ausgedrückt, die Spannung hat nur eine Dimension: Sie ist positiv oder negativ. Ein häufig auftretendes Problem besteht darin, dass Sie beim direkten Anschluss eines Einphasenmotors an eine Wechselstromleitung keine Garantie dafür haben, in welche Richtung sich der Motor dreht oder überhaupt.

Wenn Sie drei Leiter haben, haben Sie drei Paare (3C2), die drei Spannungen zulassen. Wir nennen das dreiphasig. Jetzt können wir drei Dinge zu unterschiedlichen Zeiten geschehen lassen . Sie könnten beispielsweise drei Elektromagnete in einem Kreis anordnen und alle nacheinander einschalten. Jetzt können wir garantieren, dass sich ein Motor dreht und in welche Richtung. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einphasig. Anders ausgedrückt, wir haben jetzt zwei Dimensionen für die Spannung; Es wird durch einen Vektor in einem zweidimensionalen Raum dargestellt. Es gibt nur zwei mögliche unterschiedliche Leiteranordnungen ((3-1)!), Die den beiden möglichen Drehrichtungen entsprechen.

Wenn Sie dies auf vier Leiter erweitern, haben Sie sechs Paare (4C2), der nächste Schritt ist also die Sechs-Phasen-Spannung. Welche Vorteile hätte die Sechs-Phasen-Phase gegenüber der Dreiphasen-Phase? Nun, jetzt gibt es (4-1)! = 6 mögliche unterschiedliche Anordnungen von Leitern, was bedeutet, dass Sie, wenn Sie versuchen, etwas in einer Ebene drehen zu lassen, die Dinge auf eine Weise anschließen könnten, die damit nicht vereinbar ist. Wenn Sie also einen Induktionsmotor mit sechs Wicklungen hätten, wäre es möglich, ihn auf eine Weise anzuschließen, die fürchterlich vibriert und sich mit der halben normalen Geschwindigkeit dreht, anstatt nur die eine oder andere Richtung zu wählen. Das ist kein Plus.

Angenommen, Ihr Rotor hat drei Rotationsfreiheitsgrade anstelle von einem. Mit sechs Phasen und einer geeigneten mechanischen Anordnung der Magnetpole können Sie eine Rotation (Rollen, Nicken und Gieren) in einem schwimmenden kugelförmigen Rotor mit fester Position induzieren . Da so etwas meines Wissens nicht existiert, ist dies keine wirklich nützliche Anwendung. (Vielleicht in einer Umgebung ohne Schwerkraft, in der die Magnetpole einen Körper umkreisen? Aber wie werden sie dann alle an dieselbe sechsphasige Wechselstromleitung angeschlossen?) Natürlich in einem vierdimensionalen Raum, in dem wir haben könnten Solch ein System und immer noch alle drei Drehrichtungen auf eine andere Last außerhalb unserer kugelförmigen Stator / Rotor-Anordnung zu übertragen, könnte diese Anordnung hella nützlich sein.

Inzwischen arbeite ich im 3 + 1-Raum in der Welt der industriellen Leistungselektronik und habe Systeme gesehen, die die Art von Phasenschiebertransformatoren verwenden, die in anderen Antworten erwähnt wurden. Aus Nomenklaturgründen würde niemand, mit dem ich gesprochen habe, die Verwendung eines Phasenschiebertransformators beschreiben, um drei weitere phasenverschobene Wechselstromzweige zu erzeugen, um "sechsphasig" zu erzeugen. (Meines Erachtens hätten Sie fünfzehn Phasen, aber das ist immer noch nicht die verwendete Sprache.) Wenn Sie dreiphasig durch einen Gleichrichter in eine Kappe laufen, erhalten Sie sechs Impulse Strom pro Zyklus. Für diese Art von System würden Sie zwölf Impulse erhalten, so dass diese Art von System als zwölf Impulse bezeichnet würde.

(In der Regel handelt es sich bei dem Zwölfpulsgleichrichter um zwei Sechspulsgleichrichter. Wenn Sie über zwei Motorantriebe verfügen, können Sie deren DC-Busse direkt miteinander verbinden und jeweils mit einem anderen Dreiphasensatz versorgen. Oder Sie können einen eigenständigen Gleichrichter erhalten Gleichrichter für einen Satz und speisen seinen DC-Eingang in den verbleibenden Antrieb.)

Wenn Sie einen Gleichrichter mit sechs Impulsen mit einem Gleichrichter mit zwölf Impulsen und identischen Lasten vergleichen, muss jeder Stromimpuls kleiner sein , um zu kompensieren, dass mehr von ihnen dieselbe Last antreiben. Dies lässt den Gesamtstrom außerhalb der Leitung eher wie eine Sinuswelle aussehen, was bedeutet, dass die Oberwellen reduziert werden. Die Kräuselung der Kappen ist ebenfalls geringer, aber ich habe noch nie erlebt, dass sich jemand darüber schreckliche Sorgen macht.

Mit einem System mit achtzehn Impulsen und drei Gleichrichtern können größere Verbesserungen der Harmonischen erzielt werden. (36-phasig!) Bei höheren Spannungen und Leistungen können noch mehr parallel geschaltete Gleichrichter vorhanden sein. Dieses Dokument auf einer Mittelspannungs-VFD-Leitung bezieht sich auf einen 54-Puls-Gleichrichter mit 11 kV!

TL; DR

Die dreiphasige Kraft gibt uns einen Freiheitsgrad, der die Grenze dessen darstellt, was in einem dreidimensionalen Raum nützlich ist.

Ein weiterer einfacher Grund: Zusätzliche Phasen wären "zwei ähnlich" zu den bestehenden. Anders ausgedrückt: Jede zusätzliche Phase wäre einfach eine lineare Kombination der Spannungen zwischen den vorhandenen drei Drähten - der von Sinus und Cosinus aufgespannte Vektorraum ist nur zweidimensional.

Ein weiterer Aspekt des Problems ist die Frage der Leitergeometrien für Hochspannungsübertragungsleitungen. Mit drei Leitungen werden die Probleme der Induktivität und der induzierten Übersprechströme minimiert und leichter gefiltert, als wenn ein zusätzliches Vielfaches von Leitern vorhanden wäre. Die Kosten steigen schneller als die Vorteile mit mehr Leitern.

Lionel Barthold, Gründer von Power Technologies, Inc., erklärte dies gut:

" Warum 3-Phasen-Strom? Warum nicht 6 oder 12? "

Er sagt, dass, obwohl er Systeme mit höheren Phasen entworfen hat, diese nicht praktikabel sind, da, wie Sie sagen, die Erträge sinken, insbesondere im Hinblick auf all die mehr Transformatoren, die an den Umspannwerken benötigt werden. Wenn Sie die Anzahl der Phasen verdoppeln, müssen Sie auch die Anzahl der Geräte an den Umspannwerken verdoppeln.