Sisteme de alimentare trifazate

Sisteme de alimentare trifazate

Scop

Folosind modul "straniu" de insumare a vectorilor si a numerelor complexe atunci cand tensiunile alternative sunt defazate intre ele, putem construi sisteme de putere cu o eficienta crescuta si risc scazut de electrocutare.

Surse de alimentare duale defazate cu 120^o

Sa presupunem ca avem doua surse de curent alternativ conectate in serie, la fel ca in sectiunea precedenta, cu diferenta ca fiecare sursa este defazata cu 120⁰ fata de cealalta.

Din moment ce fiecare sursa de tensiune are 120 V, si fiecare rezistor este conectat direct in paralel cu sursa respectiva, caderea de tensiune pe fiecare sarcina trebuie sa fie de asemenea de 120 V. Curentii prin sarcina fiind 83,33 A, acestea vor disipa tot 10 kW de putere. Totusi, tensiunea dintre cele doua faze nu mai este 240 V ca in cazul precedent, deoarece diferenta de faza intre cele doua tensiuni este de 120^o, nu 180^o (sau 0^o).

Putem spune ca tensiunea nominala dintre cele doua faza este de 208 V, iar notatia sistemului este 120/208.

Curentul prin conductorul neutru

Daca acum calculam si curentul prin neutru, folosind legea lui Kirchhoff pentru curent, vom vedea ca acesta nu este zero, chiar si in cazul sarcinilor echilibrate (egale intre ele).

Prin urmare, firul neutru conduce acelasi curent ca si celelalte fire, si anume, 83,33 A

Avantajele sistemului considerat

Si in acest caz, puterea totala furnizata in sistem este de 20 kW, iar fiecare faza conduce tot 83,33 A, prin urmare n-am reusit o reducere a costurilor prin utilizarea unor conductori cu diametru mai mic. Totusi, siguranta sistemului este mai mare in acest caz, deoarece caderea de tensiune intre cele doua faze este mai mica cu 32 V fata de cazul precedent (208 V in loc de 240 V).

Utilizarea neutrului pe post de faza

Putem profita de faptul ca neutrul conduce un curent de 83,33 A: din moment ce oricum conduce curent, de ce sa nu folosim acest al treilea fir pe post de faza, conectand o alta sarcina in serie cu o sursa de 120 V, defazata cu 240^o fata de tensiunea de referinta? In acest fel, putem transmite mai multa putere (10 kW in plus), fara a fi nevoie de adaugarea unor conductori suplimentari.

O analiza matematica completa a tuturor curentilor si tensiunilor din circuit ar necesita utilizarea unei teoreme de retea, cea mai usoara fiind teorema superpozitiei. Caderea de tensiune pe fiecare sarcina este de 120 V, iar caderea de tensiune intre oricare doua faze este de aproximativ 208 V. Curentii prin conductori sunt egali intre ei, si anume 83,33 A. La aceste valori, fiecare sarcina va disipa o putere de 10 kW.

Putem observa ca acest circuit nu are un conductor neutru pentru asigurarea unei tensiuni stabile in cazul in care una dintre sarcini este (accidental) deconectata (sistem dezechilibrat), situatia fiind similara cu cea intalnita in sectiunea precedenta.

Adaugarea unui nou conductor neutru in circuit

Pentru asigurarea stabilitatii tensiunii la bornele sarcinilor in cazul deschiderii accidentale a circuitului, avem nevoie de un noi conductor neutru conectat intre nodul sursei si nodul sarcinii.

Atata timp cat sistemul este echilibrat (rezistente egale, curenti egali), conductorul neutru nu va conduce niciun curent. Acesta este folosit insa pentru cazurile in care una dintre sarcini este inlaturata din circuit (defect, oprire, etc.).

Observatie

Circuitul analizat mai sus, folosind trei surse de alimentare, poarta numele de circuit polifazat, mai exact, este un circuit trifazat (trei surse de alimentare), folosit in sistemele de distributie a energiei electrice.

Avantajele unui sistem de alimentare trifazat

Sa analizam unele dintre avantajele unui astfel de circuit trifazat fata de un circuit monofazat de putere echivalenta. Un sistem monofazat (o singura sursa de alimentare, sau mai multe surse, dar in faza) cu trei sarcini conectate in paralel ar produce un curent total foarte mare (3 * 83,33 A, sau 250 A).

Acest lucru ar necesita conductori cu sectiune foarte mare, cu o greutate de aproximativ optzeci de kilograme la o suta de metri. Daca distanta dintre sursa si sarcina ar depasi cu putin un kilometru, am avea nevoie de aproximativ o tona de cupru pentru realizarea acestui circuit!

Folosind in schimb un sistem trifazat, costurile cu conductorii se reduc considerabil, si in plus, creste si siguranta la electrocutare a sistemului (208 V fata de 240 V).

Mai ramane insa o singura intrebare: cum putem obtine trei surse de curent alternativ defazate cu exact 120^o intre ele? Evident, nu putem folosi transformatoare cu prize pe infasurarea secundara, pentru ca am obtine forme de unda ale tensiunii fie in faza, fie defazate cu 180^o intre ele. Am putea folosi condensatoare si bobine pentru a crea un defazaj de 120^o, dar atunci, aceste defazaje ar depinde si de unghiurile de faza ale sarcinilor, in cazul in care in loc de sarcina rezistiva avem o sarcina capacitiva sau inductiva.

Generatoare trifazate

Cea mai buna metoda de obtinere a defazajelor dorite este chiar generarea lor directa, folosind generatoare de curent alternativ construite pentru exact acest scop: campul magnetic rotitor trece pe langa trei seturi de infasurari, fiecare la o distanta de 120^o una fata de cealalta in jurul circumferintei generatorului.

Impreuna, cele sase infasurari ale generatorului trifazat sunt conectate astfel incat sa formeze trei perechi de infasurari (1a cu 1b, 2a cu 2b, 3a cu 3b), fiecare pereche producand o tensiune alternativa defazata cu 120^o fata de oricare dintre celelalte doua perechi/tensiuni. Conexiunile fizice existente pentru fiecare pereche de infasurari au fost omise pentru simplitate. Acestea se pot vedea insa in cazul generatorului monofazat.

Configuratia stea (Y)

In circuitul considerat, cele trei surse de alimentare au fost conectate in configuratie stea, sau "Y", fiecare sursa avand o parte conectata la punctul comun (conductorul neutru). Descrierea unei astfel de circuit se face conform figurii alaturate.

Aceasta insa nu este singura schema de conectare posibila, dupa cum vom vedea in urmatorul capitol.