왜 삼상 전력인가? 왜 더 많은 단계가 아닌가?

역사적 이유 외에 세 단계가 지배적 인 단계가 된 이유가 있습니까?

나는 1 상과 2 상에 대한 장점, 즉 필요한 도체 양의 감소에 대해 알고 있으며 모터가 정지 될 때 (그리고 맥동이 적을 때) 토크를 제공 할 수 있다는 것을 알고 있습니다.

이는 복잡성이 증가하는 비용 (와이어 수는 증가하지만 CSA는 작음)에서 토크 적용의 부드러움이 약간만 증가하여 수익이 감소하기 때문입니다.

명확하게 말하면, 위상은 모두 고르게 분포되어 있습니다. 즉, 5 개의 위상이 72 도로 분리되어 있습니다.

PlasmaHH의 답변 외에도, 유도 모터는 알려진 방향으로 시작하고 작동하기 위해 적어도 3 상 전원이 필요하기 때문에 업계는 거의 독점적으로 3 상 전력을 사용합니다. 단상 유도 모터는 손실, 신뢰성 및 고가의 트릭이 필요합니다 (추가 권선, 손실 권선, 속도 감지 스위치, 커패시터 등).

공급 그리드는 생성 및 전달 측면에서 가장 효율적인 3 단계를 기반으로합니다. 예를 들어 9 상 그리드를 사용하려면 비용 효율적이 아닌 전체 배전 그리드에 9 개의 와이어를 연결해야합니다.

언급 된 고차 모터는 라인 생성 위상을 사용하지 않습니다. 스테퍼 모터는 더 정밀한 제어를 위해 더 많은 위상을 사용합니다. 고차 다상 정류기는 리플을 줄이기 위해 종종 더 많은 '상'으로 설계되지만, 직접 LC 시프 팅 또는 모터 제너레이터 세트를 사용하여 라인 입력을 위상 시프 팅함으로써 위상이 로컬로 생성됩니다.

단상 전력 분배가있는 경우 동일한 전류를 전달하는 하나의 위상과 하나의 리턴이 필요합니다.

이제 대칭 3 상 전력을 대신 사용 하는 경우 전류 전달 기능의 3 분의 1을 갖는 3 상을 사용하면 중립을 제거 할 수 있습니다. 이것은 단순히 구리로 돈을 절약합니다. 이제 단계를 더 추가하면 더 이상 구리를 절약 할 수 없지만 복잡성을 추가 할 수 있습니다.

당신이있는 경우 비대칭 삼상 전원을, 당신은 중립을 제거 할 수 있지만 대가로 모두 세 단계의 결합 된 전류를 처리 할 수 필요가 없습니다. 다시 일부 구리가 절약되었습니다. 그러나 더 많은 위상을 추가해도 중립에 필요한 구리는 그다지 줄어들지 않습니다.

그렇습니다. 결국에는 평균 애플리케이션에서 거의 이익을 얻지 못하는 데 더 많은 비용이 듭니다. 그래서 당신은 매우 특별한 것들을 위해 3 단계 이상을 찾을 것입니다.

3은 원 주위에 동일하게 간격을두고 주어진 방향으로 회전 자기장을 만드는 데 사용할 수있는 가장 낮은 위상 수입니다.

더 이상 위상은 더 많은 와이어와 유도 모터의 더 많은 권선을 필요로합니다.

두 개의 위상이 90도 떨어져 있으면 회전 자기장을 설정할 수 있습니다 ( " 쿼드 러처 "). 런 커패시터 와 같은 직교 생성 트릭은 단상 전력을 발생시키는 유도 모터와 함께 사용됩니다.

2 상 전력은 이점이 없다는 것이 밝혀졌습니다. 모터는 3상에서보다 원활하게 작동 하며 균형 잡힌 2상에는 4 개의 도체가 필요하지만 3상에는 3 개만 필요합니다. 즉, 정확히 3 개의 와이어를 사용하여 3 상 발전기를 3 상 유도 모터와 연결할 수 있습니다. 3 선 2 상이 가능하지만 균형이 맞지 않습니다. 도체 중 두 개가 위상을 전달하고 세 번째 도체가 중립 역할을합니다. 이것은 한 와이어가 다른 두 와이어의 리턴으로 작용하기 때문에 더 많은 전류를 처리해야 함을 의미합니다. 3상에서 3 개의 도체는 모두 동일한 전류를 전달합니다.

이 모든 이유에서 3 단계가 최적을 나타냅니다. 유도 전동기에 전기가 사용된다면 3 단계 이상이 낭비되고 3 단계 미만이됩니다.

그러나, 6 상 및 12 상 과 같은 2 상 시스템뿐만 아니라 고차 위상 시스템 은 몇 가지 특별한 장점을 가지고 있기 때문에 계속 사용되고 있습니다.

다른 답변에 추가 :

주요 목적은 3 상 이상을 유지하면 모터가 예상 방향으로 시동 할 수 있다는 것입니다. 단상 유도 전동기의 경우 몇 가지 해결 방법이 필요합니다 (시동시 사용되는 커패시터로 추가 배선을하는 것과 같이). 이전 답변에서 올바르게 설명되었습니다.

왜 더하지? 간단하게-필요하지 않으며 비용이 발생합니다. 전선 문제 (구리 사용, 단열재)뿐만 아니라 건설 문제이기도합니다. 9 단계의 가공선을위한 탑을 상상할 수 있습니까? 글쎄, 아마도 당신은 할 수 있습니다-때로는 두 개의 3 상 라인 이상을 보유한 타워를 만날 수도 있습니다.

(Wikipedia의 그림)

여기서 주요 문제는 도체와 도체와 접지 (또는 타워 구조) 사이의 적절한 절연 거리를 확보하여 재료를 많이 사용해야한다는 것입니다.

또한 단계가 더 많으면 실패 할 가능성이 높습니다. 물론이 경우 (예 : 끊어진 도체) 총 비대칭은 낮아 지지만 전체 라인을 끌 필요가 있습니다.

더 많은 단계에 대한 발전기를 구축하는 것도 복잡합니다. 일반적으로 속도가 작은 수소 발생기는 극 쌍이 많으므로 24 극 쌍을 제공하지 않고 1-2 단계 (예 : 12 단계)를 제공하는 것이 좋지만 열 발생기 터빈 장치에는 복잡합니다. 보통 한 쌍의 극 쌍이 있으며 때로는 두 쌍이 있습니다. 이로 인해 3000rpm의 속도 (50Hz 네트워크의 경우)가 발생합니다. 고정자가 가능한 위험이 가장 낮은 기계로부터 전력을 공급받을 필요가 있으므로 위상이 적을수록 턴-턴 단락 가능성이 줄어 듭니다. 더 많은 단계를 도입하려면 훨씬 더 비싼 고정자 구성이 필요합니다.

또한 오늘날 전력 전자 주파수 변환기, 위상 증가, 정류 등이 문제가되지 않더라도 30 년 전만해도 문제가되었다는 점에 유의하십시오. 그런 다음 사람들은 3 단계를 사용하기로 결정했으며 이제는 전환 할 수 없습니다.

왜 3 단계입니까? 더 많은 위상이 필요한 경우에는 유선 변압기를 사용하여 3 상을 6 상 / 12 상 등으로 쉽게 변환 할 수 있습니다. 더 많은 위상의 주요 응용 분야는 풀 브리지 정류 커패시터 뱅크로의 리플 전압을 줄이는 것입니다. 나는 한 번도 보지 못했지만 전기 공학을하는 동안 대학의 고대 강사로부터 배웠습니다.

또한 3 상 연결에 3 개의 정합 저항으로 구성된 델타 구성이 있다고 가정 해 봅시다. 시간이 지남에 따라 사용되는 전력은 DC 전원 저항과 동일합니다. 왜냐하면 한 위상이 0 % 일 때 다른 두 위상이 올바르게 기억되면 66.66 % 및 33.33 %가되기 때문입니다. 이 관계는 또한 한 단계의 전력이 다른 단계의 전력을 낮추는 것을 의미합니다. 3 단계가 굉장하지 않습니까!

요약하면 추가 단계가 필요하지 않으므로 최종 단계에서 더 많은 단계로 쉽게 변환 할 수 있습니다. 3 단계가 이미 훌륭하기 때문에 일반적으로 수행되지 않습니다.

도움이 되었기를 바랍니다.

3상은 매우 중요한 특성을 갖습니다. 3 상 모두에서 전력 (V ^ 2 / R)을보고 합산하면 해당 전력은 전체 사이클에서 일정합니다. 이것은 3 상 모터가 일정한 전력으로 구동 할 수 있고 발전기가 일정한 부하를 볼 수 있음을 의미합니다. 이 관계를 얻기에는 2 단계가 충분하지 않습니다.

더 많은 위상 수를 사용할 수 있지만 배선 비용이 더 많이 들며 실제로 대부분의 상황에서 추가 이점을 제공하지는 않습니다. 3상은 특성이 좋은 최소 와이어 수이므로 선택됩니다.

다른 많은 답변들은 모터가 안정적으로 시작하거나 특정 방향으로 회전하고 일정한 전력을 사용하기 위해서는 3 단계가 필요하다고 잘못 설명하고 있습니다. 실제로 이것은 서로 90 ° 떨어져있는 두 단계로 수행 할 수 있습니다. 사이클 동안 정의 된 방향과 일정한 전력 소모를 계속 얻을 수 있습니다.

그러나 이러한 2 상 시스템에는 최소 3 개의 전선이 필요하지만 3 개의 전선을 통한 전류는 일정한 전력 부하에 대해 대칭이 아닙니다. 어쨌든 3 개의 전선이 필요한 경우,이 3 개의 전선을 최대한 효율적이고 유연하게 사용하는 가장 좋은 방법은 무엇입니까? 답은 실제로 우리가 사용하는 3 상 시스템입니다. 하나의 공통 라인과 두 개의 "핫"라인 대신 90 ° 위상이 다른 대신 각각 두 개의 120 ° 위상이 다른 두 개의 핫 라인이 있습니다. 대칭 3 상 시스템의 경우 평균 전압 (및 균형 부하의 전류)은 항상 0입니다. 이것은 2 단계 시스템에는 해당되지 않습니다.

더 많은 단계는 추가 속성을 제공하지 않으므로 복잡성과 비용이 추가됩니다.

정의 적으로 전압은 두 도체 사이에 있습니다. 도체가 하나 있으면 전압이 없습니다. 전압도없고, 전원도없고, 아무 일도 일어나지 않습니다. 별로 유용하지 않습니다.

도체가 두 개인 경우 한 쌍 (2C2)이있어 하나의 전압이 허용됩니다. 우리는 이것을 단상이라고합니다. 이제 실제로 일을 할 수 있습니다. 이는 단 하나의 도체 만 갖는 것보다 실질적인 이점입니다. 그러나 한 가지 일만 할 수 있습니다 . 부하 연결 방법에는 변동이 없습니다. 다시 말해, 전압에는 치수가 하나뿐입니다. 양수이거나 음수입니다. 한 가지 일반적인 문제는 단상 모터를 AC 라인에 직접 연결하면 모터가 회전하는 방식이나 전혀 작동하지 않을 것이라는 보장이 없습니다.

3 개의 도체가있는 경우 3 쌍 (3C2)이있어 3 개의 전압이 허용됩니다. 이것을 3 상이라고합니다. 이제 우리는 서로 다른 시간에 세 가지 일을 할 수 있습니다 . 예를 들어, 3 개의 전자석을 원형으로 배열하여 순서대로 모두 켤 수 있습니다. 이제 모터가 어느 방향으로 회전하는지 보장 할 수 있습니다. 이는 단상보다 실질적인 이점입니다. 다시 말해서, 우리는 이제 전압에 대해 2 차원을가집니다. 그것은 2 차원 공간에서 벡터로 표현됩니다. 두 개의 가능한 회전 방향에 해당하는 두 가지 가능한 도체 배열 ((3-1)!) 만 있습니다.

이것을 4 개의 도체로 확장하면 6 쌍 (4C2)이 있으므로 다음 단계는 6 상 전압입니다. 6 상이 3 상에 비해 어떤 이점이 있습니까? 자, 이제 (4-1)이 있습니다! = 6 가능한 도체 배열이 가능합니다. 즉, 평면에서 무언가를 회전시키려는 경우 그와 일치하지 않는 방식으로 물건을 연결할 수 있습니다. 따라서 6 와인딩 인덕션 모터를 사용하는 경우 한 방향 또는 다른 방향을 선택하는 대신 끔찍하게 진동하고 정상 속도의 절반으로 회전하는 방식으로 모터를 연결할 수 있습니다. 그것은 플러스가 아닙니다.

그러나 로터의 회전 자유도가 1이 아니라 3 도라고 가정합니다. 6 상과 자극의 적절한 기계적 배열 을 통해 고정 위치의 부유 식 구형 로터에서 회전 (롤, 피치 및 요)을 유도 할 수 있습니다. 그러한 것은 내 지식에 존재하지 않기 때문에 실제로 유용한 응용 프로그램으로 인정되지 않습니다. (자극이 어떤 물체를 공전하는 무중력 환경에 있을까요? 그렇다면 어떻게 모두 같은 6 상 AC 라인에 연결되어 있습니까?) 물론, 우리가 가질 수있는 4 차원 공간에서 이러한 시스템은 여전히 ​​3 개의 회전 방향을 구형 고정자 / 회 전자 배열 외부의 다른 하중으로 변환합니다.이 배열은 매우 유용 할 수 있습니다.

한편 3 + 1 공간으로 돌아가서 산업용 전력 전자 분야에서 일하고 있으며 다른 답변에서 언급 한 종류의 위상 변이 변압기를 사용하는 시스템을 보았습니다. 명명법의 문제로, 나는 위상 변이 변압기를 사용하여 "6 상"을 생성하기 위해 3 개의 위상이 다른 AC 레그를 생성하는 것을 설명하지 않았다. (제 수학으로는 15 상이지만 여전히 사용되는 언어는 아닙니다.) 정류기를 통해 3 상을 캡으로 실행할 때 사이클 당 6 펄스의 전류가 발생합니다. 이런 종류의 시스템의 경우 12 펄스를 얻을 수 있으므로 이러한 시스템을 12 펄스라고합니다.

(일반적으로 12 펄스 정류기는 2 개의 6 펄스 정류기입니다. 2 개의 모터 드라이브가있는 경우 DC 버스를 직접 연결하고 각각 다른 3 상 세트로 공급할 수 있습니다. 또는 독립형을 얻을 수 있습니다. 한 세트의 정류기 및 DC 입력을 나머지 드라이브에 공급합니다.)

6 펄스 정류기와 부하가 동일한 12 펄스 정류기와 비교하는 경우, 각각의 전류 펄스는 더 작아서 동일한 부하를 구동하는 것을 보상 해야합니다 . 이로 인해 라인 외부의 전체 전류가 사인파처럼 보이게되어 고조파가 줄어 듭니다. 모자의 리플도 낮지 만 아무도 그것에 대해 걱정하는 사람은 없습니다.

18- 펄스 시스템과 3 개의 정류기로 더 큰 고조파 개선이 가능합니다. (36 상!) 더 높은 전압과 전력에서 더 많은 수의 병렬 정류기가 존재할 수 있습니다. 고압 VFD 라인에 대한 이 문서 는 11kV에서 54 펄스 정류기를 참조합니다!

TL; DR

3 상 전력은 우리에게 하나의 회전 자유도를 제공하는데, 이는 3 차원 공간에서 유용한 것의 한계입니다.

또 다른 간단한 이유 : 추가 단계는 기존 단계와 "두 가지 유사"합니다. 다르게 말하면, 추가 위상은 기존의 세 와이어 사이의 전압의 선형 조합 일뿐입니다. 사인과 코사인으로 스팬 된 벡터 공간은 단지 2 차원입니다.

이 문제의 또 다른 측면은 고압 전송 라인을위한 컨덕터 구조의 문제입니다. 3 개의 라인을 사용하면 인덕턴스 및 유도 누화 전류의 문제가 최소화되어 여러 개의 도체가있는 경우보다 더 쉽게 필터링됩니다. 더 많은 도체가 제공하는 이점보다 비용이 계속 빠르게 증가합니다.

Power Technologies, Inc.의 설립자 인 Lionel Barthold는 다음과 같이 잘 설명했습니다.

" 왜 3 상 전원입니까? 6 또는 12가 아닌 이유는 무엇입니까? "

그는 비록 더 높은 위상 시스템을 설계했지만, 특히 변전소에 필요한 더 많은 변압기와 관련하여 수익 감소로 인해 실용적이지 않다고 말합니다. 위상 수를 두 배로 늘리면 변전소의 장비 양도 두 배로 늘려야합니다.