三相電力システム

単相3線式電力システムとは何ですか？

単相3線式電力システムは、高い導体効率を実現します 全電圧をより低い部分に分割し、それらのより低い電圧で複数の負荷に電力を供給しながら、全電圧システムに典型的なレベルで電流を引き出すことにより、安全上のリスクを低く抑えます。

ちなみに、この手法は、単相ACシステムの場合と同様にDC電源システムでも同様に機能します。このようなシステムは通常、 3線式と呼ばれます。 分割フェーズではなくシステム 「フェーズ」はACに限定された概念だからです。

しかし、ベクトルと複素数の経験から、AC電圧は、互いに位相がずれている場合に考えられるように、常に加算されるとは限らないことがわかっています。

電力システムに適用されるこの原理は、単相3線式よりもさらに高い導体効率と低い衝撃の危険性を備えた電力システムを作成するために使用できます。

例

2つの120°位相がずれた電圧源

前に見た単相3線式システムと同じように、2つのAC電圧源が直列に接続されていると仮定します。ただし、各電圧源は他の電圧源と120°位相がずれています:(下の図）

単相3線式と同様に、120°の位相の120Vacソースのペア。

各電圧源は120ボルトであり、各負荷抵抗はそれぞれの電源と直接並列に接続されているため、各負荷の両端の電圧は 同様に120ボルトである。 83.33アンペアの負荷電流が与えられた場合、各負荷は10キロワットの電力を消費している必要があります。

ただし、2つの「ホット」ワイヤ間の電圧は240ボルト（120∠0°-120∠180°）ではありません。これは、2つのソース間の位相差が180°ではないためです。代わりに、電圧は次のとおりです。

名目上、「ホット」導体間の電圧は208ボルト（切り上げ）であると言います。したがって、電力システムの電圧は120/208と指定されます。

「中性」導体を流れる電流を計算すると、そうではないことがわかります。 負荷抵抗のバランスが取れていてもゼロ。キルヒホッフの現在の法則によると、2つの負荷の間でノードに出入りする電流はゼロでなければなりません:(下の図）

中性線は、120°の位相源のペアの場合に電流を流します。

調査結果と結論

したがって、「ニュートラル」ワイヤは、各「ホット」ワイヤと同様に、83.33アンペアを完全に伝送していることがわかります。

2つの負荷に合計20kWの電力を供給していることに注意してください。各負荷の「ホット」ワイヤは、以前と同様に83.33アンペアを伝送します。

各「ホット」ワイヤに同じ量の電流を流すには、同じゲージの銅導体を使用する必要があるため、単相120/240システムよりもシステムコストを削減できません。

ただし、2つの「ホット」導体間の全体的な電圧が単相システムの場合よりも32ボルト低いため（240ボルトではなく208ボルト）、安全性の向上を実現しました。

3つの120°位相がずれた電圧源

中性線が83.33アンペアの電流を流しているという事実は、興味深い可能性をもたらします。とにかく電流を流しているので、その3番目の線を別の「ホット」導体として使用し、位相角を持つ3番目の120ボルトの電源で別の負荷抵抗に電力を供給してみませんか。 240°の？

そうすれば、もっと送信できます これ以上導体を追加することなく、電力（さらに10kW）。これがどのように見えるか見てみましょう:(下の図）

3番目の負荷が他の2つに対して120°位相調整されている場合、電流は2つの負荷の場合と同じです。

三相システムのSPICE計算

この回路のすべての電圧と電流を完全に数学的分析するには、ネットワーク定理を使用する必要があります。最も簡単なのは重ね合わせの定理です。

3つの異なる位相角の3つの電圧源が、負荷抵抗のバランスの取れたトライアドにそれぞれ120ボルトを供給することを直感的に理解できるはずなので、長くて引き出された計算は省きます。

これを証明するために、SPICEを使用して計算を行うことができます:(下の図、SPICEリスト：120/208多相電力システム）

SPICE回路：120°で段階的に変化する3つの3-Φ負荷。

 120/208多相電力システムv11 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120120 sin v3 3 0 ac 120240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v（1,4）v（2,4）v（3,4）.print ac v（1,2）v（2,3）v（3,1）.print ac i（v1）i（v2 ）i（v3）.end 

各負荷間の電圧freqv（1,4）v（2,4）v（3,4）6.000E + 01 1.200E + 02 1.200E + 02 1.200E +02「高温」導体間の電圧freqv （1,2）v（2,3）v（3,1）6.000E + 01 2.078E + 02 2.078E + 02 2.078E +02各電圧源を流れる電流freqi（v1）i（v2）i（v3 ）6.000E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 

案の定、各負荷抵抗の両端に120ボルトがあり、任意の2つの「ホット」導体間の（約）208ボルトと、83.33アンペアに等しい導体電流があります。 （下の図）

その電流と電圧で、各負荷は10kWの電力を消費します。

この回路には、すべての負荷が開いた場合に安定した電圧を確保するための「中性」導体がないことに注意してください。

ここにあるのは、「中性」導体のない単相3線式電源回路に似た状況です。ある負荷がフェールオープンした場合、残りの負荷の両端の電圧降下が変化します。

別の負荷が開いた場合に負荷電圧の安定性を確保するには、ソースノードと負荷ノードを接続するための中性線が必要です。

シミュレーション結果で注釈が付けられたSPICE回路：3つの3-Φ負荷が120°で段階的に変化します。

負荷のバランスが保たれている限り（等しい抵抗、等しい電流）、中性線に電流を流す必要はまったくありません。 1つまたは複数の負荷抵抗器がフェールオープンする（または切断スイッチを介して遮断される）場合に備えてあります。

多相回路

3つの電圧源で分析しているこの回路は、多相と呼ばれます。 回路。接頭辞「poly」は、「 poly 」のように、単に「複数」を意味します。 有神論」（複数の神を信じる）、「ポリ gon」（複数の線分で構成される幾何学的形状：たとえば、五角形 および六角形 ）、および「 poly 原子」（複数の種類の原子で構成される物質）。

電圧源はすべて異なる位相角（この場合は3つの異なる位相角）であるため、これは「ポリ」です。 フェーズ」回路。

具体的には、三相回路 、主に大規模な配電システムで使用される種類。

三相システムと単相システム

単相システム

同等の負荷電圧と電力容量の単相システムに対する三相電力システムの利点を調べてみましょう。 3つの負荷が直接並列に接続されている単相システムでは、合計電流が非常に高くなります（83.33 x 3、つまり250アンペア（下図）

比較のために、120Vacシステムでの3つの10Kw負荷は250Aを消費します。

これには、3/0ゲージの銅線が必要になります（非常に 大きい！）、1000フィートあたり約510ポンドで、かなりの値札が付いています。ソースから負荷までの距離が1000フィートの場合、作業を行うには0.5トンを超える銅線が必要になります。

単相3線式システム

一方、15 kW、120ボルトの負荷が2つある単相3線式システムを構築することもできます。 （下の図）

単相3線式システムは、120Vacシステムと比較して240Vacで125Aの半分の電流を消費します。

私たちの電流は、単純な並列回路の半分であり、大幅に改善されています。

総質量が約600ポンドの2番ゲージの銅線を使用することで、ソースと負荷の間にそれぞれ1000フィートを3回実行して、1,000フィートあたり約200ポンドを計算することができます。ただし、各負荷が120ボルトしか受け取らない場合でも、システムに240ボルトが存在することによる安全上の問題の増加も考慮する必要があります。

全体として、危険な感電が発生する可能性が高くなります。

三相システム

これらの2つの例を3相システム（上の図）と比較すると、利点は非常に明確です。

まず、導体電流がかなり少なく（125または250アンペアに対して83.33アンペア）、はるかに細くて軽いワイヤを使用できます。例の回路では、4番ゲージのワイヤを1,000フィートあたり約125ポンドで使用できます。これは、合計500ポンド（それぞれ1000フィートで4回の実行）になります。

これは、単相3線式システムに比べて大幅なコスト削減を意味し、システムの最大電圧が低くなるという追加の利点もあります（208対240）。

まだ答えられていない質問が1つあります。位相角が正確に120°離れている3つのAC電圧源を世界でどのように入手するのでしょうか？

明らかに、単相システムで行ったように変圧器やオルタネーターの巻線をセンタータップすることはできません。これは、同相または180°位相がずれている電圧波形しか得られないためです。

おそらく、コンデンサとインダクタを使用して120°の位相シフトを作成する方法を見つけることができますが、それらの位相シフトは、負荷インピーダンスの位相角にも依存します（抵抗負荷の代わりに容量負荷または誘導負荷を使用すると変化します）すべて！）。

私たちが探している位相シフトを取得する最良の方法は、ソースでそれを生成することです：回転磁界が各セットの3セットの巻線を通過するように電力を供給するACジェネレーター（オルタネーター）を構築します下の図のように、マシンの円周の周りに120°の間隔を空けます。

（a）単相オルタネーター、（b）三相オルタネーター。

一緒に、三相オルタネーターの6つの「極」巻線は、3つの巻線ペアを構成するように接続され、各ペアは、他の2つの巻線ペアのいずれかから120°シフトされた位相角のAC電圧を生成します。

巻線のペア間の相互接続（単相オルタネーターの場合：巻線1aと1b間のジャンパー線）は、簡単にするために3相オルタネーターの図から省略されています。

この例の回路では、3つの電圧源が「Y」構成（「スター」構成と呼ばれることもあります）で接続され、各電源の1本のリード線が共通のポイント（「ニュートラル」を接続したノード）に接続されていることを示しました。指揮者）。

この接続スキームを表す一般的な方法は、下の図のように「Y」の形で巻線を描くことです。

オルタネーター「Y」構成。

「Y」構成は私たちに開かれた唯一のオプションではありませんが、おそらく最初に理解するのが最も簡単です。このテーマについては、この章の後半で詳しく説明します。

レビュー：

• 単相 電源システムは、AC電圧源が1つしかないシステムです（1つの電源電圧波形）。
• 分割フェーズ 電源システムは、2つの電圧源があり、互いに180°位相シフトされ、2つの直列接続された負荷に電力を供給するシステムです。これの利点は、安全上の理由から低負荷電圧を維持しながら、より低い導体電流を使用できることです。
• 多相 電力システムは、互いに異なる位相角で複数の電圧源を使用します（動作中の電圧波形の多くの「位相」）。多相電力システムは、単相または単相システムよりも小さいゲージの導体で、より少ない電圧でより多くの電力を供給することができます。
• 多相電力システムに必要な位相シフト電圧源は、複数の巻線セットを備えたオルタネーターで作成されます。これらの巻線セットは、ローターの回転の円周の周りに希望の角度で配置されています。

関連するワークシート：

• 多相電力システムワークシート