2. Sisteme de alimentare trifazate

Acasă » Curent alternativ » 10 - Circuite polifazate

Scop

Folosind modul „straniu” de însumare a vectorilor şi a numerelor complexe atunci când tensiunile alternative sunt defazate între ele, putem construi sisteme de putere cu o eficienţă crescută şi risc scăzut de electrocutare.

Surse de alimentare duale defazate cu 120^o

Să presupunem că avem două surse de curent alternativ conectate în serie, la fel ca în secţiunea precedentă, cu diferenţa că fiecare sursă este defazată cu 120⁰ faţă de cealaltă.

Din moment ce fiecare sursă de tensiune are 120 V, şi fiecare rezistor este conectat direct în paralel cu sursa respectivă, căderea de tensiune pe fiecare sarcină trebuie să fie de asemenea de 120 V. Curenţii prin sarcină fiind 83,33 A, acestea vor disipa tot 10 kW de putere. Totuşi, tensiunea dintre cele două faze nu mai este 240 V ca în cazul precedent, deoarece diferenţa de fază între cele două tensiuni este de 120^o, nu 180^o (sau 0^o).

Putem spune că tensiunea nominală dintre cele două fază este de 208 V, iar notaţia sistemului este 120/208.

Curentul prin conductorul neutru

Dacă acum calculăm şi curentul prin neutru, folosind legea lui Kirchhoff pentru curent, vom vedea că acesta nu este zero, chiar şi în cazul sarcinilor echilibrate (egale între ele).

Prin urmare, firul neutru conduce acelaşi curent ca şi celelalte fire, şi anume, 83,33 A

Avantajele sistemului considerat

Şi în acest caz, puterea totală furnizată în sistem este de 20 kW, iar fiecare fază conduce tot 83,33 A, prin urmare n-am reuşit o reducere a costurilor prin utilizarea unor conductori cu diametru mai mic. Totuşi, siguranţa sistemului este mai mare în acest caz, deoarece căderea de tensiune între cele două faze este mai mică cu 32 V faţă de cazul precedent (208 V în loc de 240 V).

Utilizarea neutrului pe post de fază

Putem profita de faptul că neutrul conduce un curent de 83,33 A: din moment ce oricum conduce curent, de ce să nu folosim acest al treilea fir pe post de fază, conectând o altă sarcină în serie cu o sursă de 120 V, defazată cu 240^o faţă de tensiunea de referinţă? În acest fel, putem transmite mai multă putere (10 kW în plus), fără a fi nevoie de adăugarea unor conductori suplimentari.

O analiză matematică completă a tuturor curenţilor şi tensiunilor din circuit ar necesita utilizarea unei teoreme de reţea, cea mai uşoară fiind teorema superpoziţiei. Căderea de tensiune pe fiecare sarcină este de 120 V, iar căderea de tensiune între oricare două faze este de aproximativ 208 V. Curenţii prin conductori sunt egali între ei, şi anume 83,33 A. La aceste valori, fiecare sarcină va disipa o putere de 10 kW.

Putem observa că acest circuit nu are un conductor neutru pentru asigurarea unei tensiuni stabile în cazul în care una dintre sarcini este (accidental) deconectată (sistem dezechilibrat), situaţia fiind similară cu cea întâlnită în secţiunea precedentă.

Adăugarea unui nou conductor neutru în circuit

Pentru asigurarea stabilităţii tensiunii la bornele sarcinilor în cazul deschiderii accidentale a circuitului, avem nevoie de un noi conductor neutru conectat între nodul sursei şi nodul sarcinii.

Atâta timp cât sistemul este echilibrat (rezistenţe egale, curenţi egali), conductorul neutru nu va conduce niciun curent. Acesta este folosit însă pentru cazurile în care una dintre sarcini este înlăturată din circuit (defect, oprire, etc.).

Observaţie

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

Avantajele unui sistem de alimentare trifazat

Să analizăm unele dintre avantajele unui astfel de circuit trifazat faţă de un circuit monofazat de putere echivalentă. Un sistem monofazat (o singură sursă de alimentare, sau mai multe surse, dar în fază) cu trei sarcini conectate în paralel ar produce un curent total foarte mare (3 * 83,33 A, sau 250 A).

Acest lucru ar necesita conductori cu secţiune foarte mare, cu o greutate de aproximativ optzeci de kilograme la o sută de metri. Dacă distanţa dintre sursă şi sarcină ar depăşi cu puţin un kilometru, am avea nevoie de aproximativ o tonă de cupru pentru realizarea acestui circuit!

Folosind în schimb un sistem trifazat, costurile cu conductorii se reduc considerabil, şi în plus, creşte şi siguranţa la electrocutare a sistemului (208 V faţă de 240 V).

Mai rămâne însă o singură întrebare: cum putem obţine trei surse de curent alternativ defazate cu exact 120^o între ele? Evident, nu putem folosi transformatoare cu prize pe înfăşurarea secundară, pentru că am obţine forme de undă ale tensiunii fie în fază, fie defazate cu 180^o între ele. Am putea folosi condensatoare şi bobine pentru a crea un defazaj de 120^o, dar atunci, aceste defazaje ar depinde şi de unghiurile de fază ale sarcinilor, în cazul în care în loc de sarcină rezistivă avem o sarcină capacitivă sau inductivă.

Generatoare trifazate

Cea mai bună metodă de obţinere a defazajelor dorite este chiar generarea lor directă, folosind generatoare de curent alternativ construite pentru exact acest scop: câmpul magnetic rotitor trece pe lângă trei seturi de înfăşurări, fiecare la o distanţă de 120^o una faţă de cealaltă în jurul circumferinţei generatorului.

Împreună, cele şase înfăşurări ale generatorului trifazat sunt conectate astfel încât să formeze trei perechi de înfăşurări (1a cu 1b, 2a cu 2b, 3a cu 3b), fiecare pereche producând o tensiune alternativă defazată cu 120^o faţă de oricare dintre celelalte două perechi/tensiuni. Conexiunile fizice existente pentru fiecare pereche de înfăşurări au fost omise pentru simplitate. Acestea se pot vedea însă în cazul generatorului monofazat.

Configuraţia stea (Y)

În circuitul considerat, cele trei surse de alimentare au fost conectate în configuraţie stea, sau „Y”, fiecare sursă având o parte conectată la punctul comun (conductorul neutru). Descrierea unei astfel de circuit se face conform figurii alăturate.

Aceasta însă nu este singura schema de conectare posibilă, după cum vom vedea în următorul capitol.