Трифазне живлення: що це і в чому його перевага
Трифазний змінний струм зазвичай використовується для подачі електроенергії до центрів обробки даних, а також до комерційних та промислових будівель, в яких розміщується енергоємне обладнання та електродвигуни які застосовуються в промисловості. Для цього є вагома причина, тому що 3-фазне живлення може забезпечити більшу потужність із більшою ефективністю, на відміну від однофазного живлення змінного струму. Однофазний змінний струм – це тип, який зазвичай використовується для більшості побутових та легких комерційних застосувань, таких як освітлення та невеликі побутові прилади. На цій сторінці ми пояснимо, чому це так, і основні відмінності між однофазними та трифазними системами електроживлення.
Так навіщо нам трифазне живлення
Здатність постачати постійно зростаючу кількість енергії особливо важливо, оскільки центри обробки даних і серверні приміщення, як і раніше, мають більш високу щільність. Більш потужні обчислювальні системи розміщуються в тих самих приміщеннях, де колись розміщувалися сервери, які споживають лише частину електроенергії, необхідної для сучасних комп'ютерів, мереж та електродвигунів.
Нещодавно одна ІТ-стійка з 10 серверами споживала загалом п'ять кіловат (кВт) енергії. Сьогодні в тій же стійці можуть бути десятки серверів, що споживають у сукупності 20 або 30 кВт. На таких рівнях ви, природно, хочете зробити ставку на ефективність, оскільки навіть невелике відсоткове покращення енергоспоживання означатиме значну економію з часом.
Проводка - це інше питання. Розглянемо стійку на 15 квт. При використанні однофазної мережі змінного струму 220 вольт (VAC) для живлення стійки потрібно 125 ампер, для чого знадобиться провід діаметром майже чверть дюйма (AWG 4) - занадто товстий, щоб з ним було легко працювати, не кажучи вже про те, дорогий. Оскільки 3 фази ефективніші, вони можуть забезпечувати ту ж потужність (і навіть більше) при використанні проводки меншого розміру. Для підтримки тієї ж стійки на 15 кВт з використанням трифазного живлення потрібні три дроти, здатні подавати 42 ампери (AWG 10), які мають невелику частину розміру - кожен менше однієї десятої дюйма в діаметрі.
Пояснення однофазної мережі змінного струму
Отже, що таке трифазне живлення? І де ми маємо його використовувати?
Перш ніж поринути у це обговорення, корисно почати з розуміння однофазної потужності змінного струму.
В однофазній мережі змінного струму використовується трипровідна система подачі, що складається з одного «гарячого» дроту, нейтрального дроту та заземлення. При живленні від мережі змінний струм або напруга періодично змінюються місцями, протікаючи в один бік по гарячому дроту, що подає живлення на навантаження, і в інший бік нейтрального дроту. Повний цикл живлення відбувається під час зміни фази на 360 градусів, і напруга змінюється на протилежне 50 або 60 разів на секунду, залежно від системи, яка використовується у різних частинах світу. У нашій країні 50 разів (50Гц) у США, наприклад, це 60 разів або 60 герц (Гц).
Важливо, що дві токонесучі гілки завжди рознесені на 180 градусів. Щоб візуалізувати це, уявіть, що потужність рухається хвилею, технічно це синусоїда з певною частотою і амплітудою. У кожному циклі хвилі кожному проводі двічі одночасно проходять через нульову амплітуду (див. рис. 1). У таких випадках навантаження не подається.
Занурення у 3-фазне харчування
Як випливає з назви, трифазні енергосистеми забезпечують три окремі струми, кожен з яких розділений на одну третину часу, необхідного для завершення повного циклу. Але, на відміну від однофазного, де дві гарячі гілки завжди рознесені на 180 градусів, трифазні струми рознесені на 120 градусів.
На малюнку 2 нижче ви побачите, що коли будь-яка лінія має піковий струм, дві інші немає. Наприклад, коли фаза 1 знаходиться на своєму позитивному піку, фази 2 та 3 мають значення -0,5. Це означає, що, на відміну однофазного струму, немає точки, у якій навантаження не подається. Фактично, у шести різних положеннях кожної фази одна з ліній знаходиться у максимально позитивному чи негативному положенні.
Для практичних цілей це означає, що загальна кількість енергії, що подається всіма трьома струмами, залишається постійною; у вас немає циклічних піків та спадів, як з однофазним.
Комп'ютери та багато двигунів, які використовуються у важкій техніці, розроблені з урахуванням цього. Вони можуть отримувати стійкий потік постійної потужності замість того, щоб враховувати коливання, властиві однофазної потужності змінного струму. В результаті вони споживають менше енергії.
Як аналогія подумайте про одноциліндровий двигун в порівнянні з трициліндровим. Обидва працюють за чотиритактною моделлю (впуск, стиск, потужність, випуск). В одноциліндровому двигуні ви отримуєте лише один «потужний» цикл на кожні чотири такти циліндра, що забезпечує досить нерівномірну подачу потужності. Тритактний двигун, навпаки, забезпечуватиме потужність у трьох фазах, що чергуються (знову ж, розділених на 120 градусів), для більш плавної, постійної та ефективної потужності.
Переваги трифазного живлення
Серед переваг, які дає 3-фазне живлення, - здатність забезпечувати майже вдвічі більшу потужність порівняно з однофазними системами, не вимагаючи при цьому подвійної кількості дротів. Це не втричі більше потужності, як можна було б очікувати, тому що на практиці ви зазвичай берете одну фазу та підключаєте її до іншої фази.
Щоб зрозуміти, як три фази забезпечують велику потужність, потрібно порахувати. Формула для однофазної потужності: потужність = напруга (B) x струм (I) x коефіцієнт потужності (PF). Якщо ми припустимо, що навантаження в ланцюгу є тільки резистивним, коефіцієнт потужності дорівнює одиниці (або одиниці), що зводить формулу до P = V x I. Якщо ми розглянемо для прикладу 120-вольтовий ланцюг, що підтримує 20 ампер, потужність дорівнюватиме 2400 Вт . .
Формула потужності трифазного ланцюга: потужність = напруга (В) x струм (I) x коефіцієнт потужності (PF) x квадратний корінь із трьох. Якщо припустити, що навантаження в ланцюгу є лише резистивним, коефіцієнт потужності дорівнює одиниці (або одиниці), що зводить формулу до P = V x I x квадратний корінь із трьох. Якщо ми розглянемо 120-вольтовий трифазний ланцюг, і кожна фаза підтримує 20 ампер, формула працює як 120 вольт x 20 ампер x 1,732 = 4157 Вт. Таким чином, 3-фазні системи можуть забезпечити майже вдвічі більшу потужність ніж однофазні системи. Це спрощений приклад, але його можна використовувати для дослідження додаткової потужності, доступної від ланцюгів, що підтримують вищі напруги (наприклад, 208 або 480 вольт) або струми (наприклад, 30 ампер або вище).
Така потужність стане в нагоді, коли йдеться про живлення приладів високої потужності.
Відео взяте з каналу "Александр Мальков"