Inhalt
- Warnungen
- Drehstrom: Eine visuelle Analogie
- Strom und Spannung in Wechselstromkreisen
- Einphasige Stromversorgung: Erweiterung der Analogie
- Einphasen- zu Dreiphasen-Umwandlung
In den Vereinigten Staaten ist die meiste Energie, die in die Häuser von Menschen fließt, einphasig. Der im Elektrizitätswerk erzeugte Strom ist jedoch dreiphasig. Dies ist die Idee hinter den großen Übertragungsleitungen, die an hohen Türmen angebracht sind. Diese Leitungen sollen so viel Spannung übertragen, wie über große Entfernungen möglich ist, bevor diese Energie "abgegriffen" und mit einer stark reduzierten Spannung an Nachbarschaften abgegeben wird.
Einphasige Stromversorgung ist für praktisch alle Haushaltsgeräte ausreichend, während für industrielle Anwendungen mit schweren Geräten dreiphasige Stromversorgung erforderlich ist. Aber was ist, wenn Sie eine dreiphasige Stromversorgung benötigen und nur die einphasige Stromversorgung in Ihr Zuhause gelangt?
Warnungen
Drehstrom: Eine visuelle Analogie
Stellen Sie sich vor, Sie und zwei Ihrer (offensichtlich gelangweilten) Freunde laufen mit einer Geschwindigkeit von 2 Metern pro Sekunde (ungefähr 4,5 Meilen pro Stunde) auf einem Pfad, der von Nord nach Süd verläuft und von Ende zu Ende 60 Meter misst. Jeder von Ihnen beginnt in der Mitte dieses Weges, geht zum nördlichen Ende, kehrt zum Anfang zurück, geht weiter zum gegenüberliegenden Ende und kehrt wieder in die Mitte zurück, um eine "Runde" oder einen Zyklus von 120 Metern zu absolvieren. Da jeder von Ihnen mit 2 Metern pro Sekunde geht, benötigt jede Person genau 60 Sekunden für eine Hin- und Rückfahrt.
Nehmen wir weiter an, dass jeder von Ihnen am Startpunkt den "Status" Null hat. Sie erhalten eine Statuseinheit für jeden Meter, den Sie nach Norden laufen, und verlieren eine Statuseinheit für jeden Meter, den Sie nach Süden laufen. Wenn also einer von Ihnen das nördliche Ende des Pfades erreicht, hat diese Person den Status 30, während alle, die am südlichen Ende abbiegen, den Status -30 haben. Sie erkennen, dass Sie sich maximal durch einen Abstand von 20 Sekunden voneinander trennen können, da jeder Kreislauf 60 Sekunden dauert und Sie zu dritt sind und 60 durch 3 geteilt 20 ist. Wenn Sie die Algebra machen, finden Sie das Wenn einer von Ihnen Ihren "Status" durch Erreichen des nördlichen Endes auf einen Wert von 30 maximiert hat, passieren sich die beiden anderen auf halbem Weg entlang des südlichen Abschnitts, wobei einer nach Norden und der andere nach Süden weist und jeder Wanderer den Status 30 hat -fünfzehn. Wenn Sie Ihre Statuswerte zu einem solchen Zeitpunkt addieren, summieren sich diese zu 30 + (-15) + (-15) = 0. Sie können jederzeit anzeigen, dass tatsächlich die Summe aller Ihrer Statuswerte vorliegt ist 0, solange ihr drei perfekt gestaffelt seid, wie beschrieben.
Strom und Spannung in Wechselstromkreisen
Dies bietet ein Modell dafür, wie dreiphasige elektrische Leistung aussieht, mit der Ausnahme, dass "Status" durch "Spannung" ersetzt wird und statt eines Zyklus alle 60 Sekunden 60 Spannungszyklen pro Sekunde auftreten. Anstatt dass jede Person den Startpunkt zweimal pro Minute passiert, geht die Spannung 120 Mal pro Sekunde durch den Nullpunkt.
Aufgrund des mathematischen Zusammenhangs von Leistung, Strom und Spannung bleibt die dreiphasige Leistung auf einem konstanten Wert ungleich Null, auch wenn sich die drei einzelnen Spannungen jederzeit zu Null addieren. Diese Beziehung ist:
P = V2/ R
Hier ist P die Leistung in Watt, V die Spannung in Volt und R der elektrische Widerstand in Einheiten, die als Ohm bezeichnet werden. Sie können sehen, dass negative Spannungen zur Leistung beitragen, da das Quadrieren einer negativen Zahl einen positiven Wert ergibt. Die Gesamtleistung in einem Dreiphasensystem ist nur die Summe der Leistung der drei einzelnen Leistungswerte jeder Phase.
Auch wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie Wechselstrom (AC) zu seinem Namen gekommen ist, haben Sie jetzt Ihre Antwort. Die Spannung ist weder in Einphasen- noch in Dreiphasensystemen konstant, und daher ist auch der Strom nicht konstant. Diese sind durch das Ohmsche Gesetz verwandt, das V = IR ist, wobei ich für den Strom in Ampere ("Ampere") stehe.
Einphasige Stromversorgung: Erweiterung der Analogie
Stellen Sie sich vor, zwei Ihrer Freunde werden zum Abendessen nach Hause gerufen, während Sie weitergehen, und schon haben Sie es. Das heißt, dreiphasige Leistung ist buchstäblich nur drei einphasige Leistungsquellen, die um ein Drittel eines Zyklus (oder in trigonometrischen Begriffen um 120 Grad) gegeneinander versetzt sind. In einer einphasigen Stromversorgung wird jedes Mal, wenn die einzelne Spannung kurzzeitig Null wird, die Ausgangsleistung ebenfalls. Sie können jetzt vielleicht verstehen, warum kleine Geräte, die nicht von sehr kurzen Stromausfällen betroffen sind, mit einphasigem Strom betrieben werden können, während große Maschinen, die mit hoher Leistung betrieben werden, dies nicht können. Sie benötigen eine große und stabile Stromversorgung.
All dies ist einfacher zu verstehen, wenn ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zur Zeit für eine dreiphasige Stromversorgung herangezogen wird (siehe Ressourcen). In diesem Diagramm sind die einzelnen Phasen in roten, violetten und blauen Linien dargestellt. Diese addieren sich immer zu Null, aber die Summe ihrer Quadrate ist positiv und konstant. Somit ist bei einem unveränderlichen Wert von R auch die Leistung P in diesen Anordnungen aufgrund der Beziehung P = V konstant2/ R.
Bei einer einphasigen Versorgung müssen keine Spannungen summiert werden, und die Spannung einer einzelnen Phase geht 120 Mal pro Sekunde durch den Nullpunkt. Zu diesen Zeitpunkten sinkt die Leistung auf Null, stellt sich jedoch schnell genug wieder her, sodass kleinere Lampen, Geräte usw. nicht merklich unterbrochen werden.
Einphasen- zu Dreiphasen-Umwandlung
Wenn Sie einen Drehstrommotor in einem größeren Gerät wie einem industriellen Luftkompressor haben und aufgrund der Art und Weise, wie Ihr lokales Netz eingerichtet ist, keinen direkten Zugang zu Drehstrom haben, können Sie Abhilfemaßnahmen ergreifen Ihre Ausrüstung wird ordnungsgemäß mit Strom versorgt. (Eine davon besteht darin, den Drehstrommotor einfach durch einen Einphasenmotor zu ersetzen. Dies ist jedoch bei weitem nicht so clever wie andere Lösungen.)
Zahlreiche Arten von Drehstromrichtern sind erhältlich. Eines davon, a statischer Konverter, nutzt die Tatsache, dass ein Dreiphasenmotor nach dem Start nicht einphasig starten kann, sondern einphasig weiterlaufen kann. Ein statischer Umrichter tut dies mit Hilfe von Kondensatoren (Vorrichtungen, die Ladung speichern können), wodurch der statische Umrichter für eine der Phasen einspringt, wenn auch auf eine ineffiziente Weise, die die effektive Lebensdauer der Motoren verkürzt. EIN DrehphasenwandlerAuf der anderen Seite fungiert es als eine Art Kombination aus einem dreiphasigen Ersatzmotor und einem unabhängigen Generator. Dieses Gerät enthält einen Leerlaufmotor, der, sobald er in Bewegung gesetzt ist, keine beweglichen Teile in den übergeordneten Maschinen dreht, sondern stattdessen Strom erzeugt, sodass der gesamte Aufbau ein Dreiphasen-Stromsystem ziemlich gut imitieren kann. Schließlich a Frequenzumrichter (VFD) verwendet Wechselrichterkomponenten, mit denen Wechselstrom mit nahezu jeder gewünschten Frequenz erzeugt und die meisten Bedingungen in einem Standard-Drehstrommotor nachgebildet werden können.
Keiner dieser Konverter ist perfekt, genauso wenig wie ein Brotmesser zum einfachen Schneiden von Fleisch verwendet werden kann. Aber ein Brotmesser ist besser als Ihre bloßen Hände, und so sind diese Konverter eigentlich gut zur Hand, wenn Sie häufig mit leistungshungrigen Maschinen und Werkzeugen arbeiten.