Schemat układu zasilania jednofazowego pokazuje niewiele na temat okablowania praktycznego obwodu zasilania.
Przedstawiony powyżej, jest bardzo prostym obwodem prądu zmiennego. Gdyby rozpraszanie mocy przez rezystor obciążenia było znaczące, moglibyśmy nazwać go „obwodem zasilania” lub „systemem zasilania” zamiast traktować go jako zwykły obwód.
Różnica pomiędzy „obwodem zasilania” a „zwykłym obwodem” może wydawać się arbitralna, ale praktyczne obawy są zdecydowanie inne.
Praktyczna analiza obwodu
Jedną z takich obaw jest rozmiar i koszt okablowania niezbędnego do dostarczenia mocy ze źródła AC do obciążenia. Zazwyczaj nie poświęcamy temu zbyt wiele uwagi, jeśli analizujemy obwód tylko po to, by poznać prawa elektryczności.
Jednakże w prawdziwym świecie może to być poważny problem. Jeśli nadamy źródłu w powyższym obwodzie wartość napięcia, a także podamy wartości rozpraszania mocy dla dwóch rezystorów obciążenia, będziemy mogli określić zapotrzebowanie na okablowanie dla tego konkretnego obwodu:
Praktycznie rzecz biorąc, okablowanie dla obciążeń 20 kW przy napięciu 120 Vac jest dość znaczne (167 A).
83,33 ampera na każdy rezystor obciążenia na powyższym rysunku sumuje się do 166,66 ampera całkowitego prądu obwodu. To nie jest mała ilość prądu i wymaga przewodników z drutu miedzianego o przekroju co najmniej 1/0.
Taki drut ma średnicę ponad 1/4 cala (6 mm) i waży ponad 300 funtów na tysiąc stóp. Należy pamiętać, że miedź też nie jest tania! W naszym najlepszym interesie byłoby znalezienie sposobu na zminimalizowanie tych kosztów, gdybyśmy projektowali system zasilania z długimi przewodnikami.
Jednym ze sposobów na to byłoby zwiększenie napięcia źródła zasilania i użycie obciążeń zbudowanych tak, aby każde z nich rozpraszało 10 kW przy tym wyższym napięciu.
Obciążenia musiałyby oczywiście mieć większe wartości rezystancji, aby rozpraszać tę samą moc co poprzednio (10 kW każde) przy większym napięciu niż poprzednio.
Zaletą byłoby mniejsze zapotrzebowanie na prąd, co pozwoliłoby na zastosowanie mniejszych, lżejszych i tańszych przewodów:
Te same obciążenia o mocy 10 kW przy napięciu 240 Vac wymagają mniejszego okablowania niż przy napięciu 120 Vac (83 A).
Teraz nasz całkowity prąd obwodu wynosi 83,33 A, czyli połowę tego, co wcześniej.
Możemy teraz użyć drutu o przekroju 4, który waży mniej niż połowę tego, co drut o przekroju 1/0 na jednostkę długości. Jest to znaczna redukcja kosztów systemu bez pogorszenia wydajności.
To dlatego projektanci systemów dystrybucji energii elektrycznej decydują się na przesyłanie energii elektrycznej przy użyciu bardzo wysokich napięć (wiele tysięcy woltów): aby wykorzystać oszczędności uzyskane dzięki zastosowaniu mniejszego, lżejszego i tańszego drutu.
Niebezpieczeństwa związane z podwyższeniem napięcia źródła
Jednakże rozwiązanie to nie jest pozbawione wad. Innym praktycznym problemem związanym z obwodami elektroenergetycznymi jest niebezpieczeństwo porażenia prądem przy wysokim napięciu.
Powtarzam, nie jest to zazwyczaj rzecz, na której skupiamy się ucząc się o prawach elektryczności, ale jest to bardzo istotna kwestia w prawdziwym świecie, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z dużymi ilościami energii.
Zwiększenie wydajności poprzez podniesienie napięcia w obwodzie wiąże się ze zwiększonym niebezpieczeństwem porażenia prądem. Firmy zajmujące się dystrybucją energii radzą sobie z tym problemem, układając linie energetyczne wzdłuż wysokich słupów lub wież i izolując je od konstrukcji wsporczych za pomocą dużych izolatorów porcelanowych.
W punkcie poboru energii (odbiorca energii elektrycznej) pozostaje jeszcze kwestia tego, jakiego napięcia należy użyć do zasilania odbiorników.
Wysokie napięcie zapewnia większą sprawność systemu dzięki zmniejszeniu prądu w przewodach, ale nie zawsze jest praktyczne, aby utrzymywać przewody zasilające poza zasięgiem w miejscu użytkowania, tak jak można je podnieść poza zasięgiem w systemach dystrybucyjnych.
Ten kompromis między sprawnością a niebezpieczeństwem jest jednym z tych, które europejscy projektanci systemów energetycznych postanowili zaryzykować, wszystkie ich gospodarstwa domowe i urządzenia działają przy napięciu nominalnym 240 V zamiast 120 V, jak to jest w Ameryce Północnej.
Dlatego turyści z Ameryki odwiedzający Europę muszą nosić małe transformatory step-down dla swoich przenośnych urządzeń, aby obniżyć napięcie 240 VAC (voltów AC) do bardziej odpowiedniego 120 VAC.
Rozwiązania w zakresie dostarczania napięcia do odbiorców
Transformatory step-down w końcowym punkcie poboru mocy
Czy istnieje sposób aby zrealizować zalety zarówno zwiększonej wydajności jak i zmniejszonego zagrożenia bezpieczeństwa w tym samym czasie?
Jednym z rozwiązań byłoby zainstalowanie transformatorów step-down w końcowym punkcie poboru mocy, tak jak musi to zrobić amerykański turysta w Europie.
Jednakże byłoby to drogie i niewygodne dla wszystkich, z wyjątkiem bardzo małych odbiorników (gdzie transformatory można zbudować tanio) lub bardzo dużych odbiorników (gdzie koszt grubych miedzianych przewodów przewyższyłby koszt transformatora).
Dwa obciążenia o niższym napięciu w szeregu
Alternatywnym rozwiązaniem byłoby użycie zasilania o wyższym napięciu do dostarczenia mocy do dwóch obciążeń o niższym napięciu w szeregu. Takie podejście łączy w sobie wydajność systemu wysokonapięciowego z bezpieczeństwem systemu niskonapięciowego:
Obciążenia 120 Vac połączone szeregowo, zasilane przez źródło 240 Vac przy 83,3 A całkowitego prądu.
Zwróć uwagę na oznaczenia biegunowości (+ i -) dla każdego z przedstawionych napięć, a także na jednokierunkowe strzałki dla prądu.
Przez większość czasu unikałem oznaczania „biegunowości” w analizowanych przez nas obwodach prądu zmiennego, chociaż zapis ten jest ważny, aby zapewnić ramy odniesienia dla fazy.
W późniejszych częściach tego rozdziału, relacje fazowe staną się bardzo ważne, więc wprowadzam ten zapis na początku rozdziału, abyś mógł się z nim zapoznać.
Prąd płynący przez każde obciążenie jest taki sam jak w prostym obwodzie 120 V, ale prądy nie sumują się, ponieważ obciążenia są połączone szeregowo, a nie równolegle.
Napięcie na każdym obciążeniu wynosi tylko 120 V, a nie 240, więc współczynnik bezpieczeństwa jest lepszy. Pamiętajmy, że nadal mamy pełne 240 V w przewodach systemu energetycznego, ale każde obciążenie pracuje przy obniżonym napięciu.
Jeśli ktoś zostanie porażony, szanse są takie, że będzie to spowodowane kontaktem z przewodnikami konkretnego obciążenia, a nie z kontaktem z głównymi przewodami systemu energetycznego.
Modyfikacje w projekcie szeregowym dwóch obciążeń
Jest tylko jedna wada tego projektu: konsekwencje awarii jednego z obciążeń lub jego wyłączenia (zakładając, że każde obciążenie ma szeregowy włącznik/wyłącznik przerywający prąd) nie są dobre.
Będąc obwodem szeregowym, jeśli któreś z obciążeń otworzyłoby się, prąd zatrzymałby się również w drugim obciążeniu. Z tego powodu musimy nieco zmodyfikować projekt: (Rysunek poniżej)
Dodanie przewodu neutralnego pozwala na indywidualne wysterowanie obciążeń.
System zasilania dwufazowego
Zamiast pojedynczego zasilania 240 V, używamy dwóch zasilaczy 120 V (w fazie ze sobą!) w szeregu, aby wytworzyć napięcie 240 V, a następnie poprowadzić trzeci przewód do punktu połączenia między obciążeniami, aby obsłużyć ewentualność otwarcia jednego obciążenia.
To się nazywa system zasilania dwufazowego. Trzy mniejsze przewody są nadal tańsze niż dwa przewody potrzebne w prostej konstrukcji równoległej, więc nadal jesteśmy do przodu pod względem wydajności.
Bystry obserwator zauważy, że przewód neutralny musi jedynie przenosić różnicę prądu między dwoma obciążeniami z powrotem do źródła.
W powyższym przypadku, gdy obciążenia są idealnie „zrównoważone” i pobierają równe ilości energii, przewód neutralny przenosi zerowy prąd.
Zauważ, że przewód neutralny jest połączony z uziemieniem po stronie zasilania. Jest to powszechna cecha w systemach zasilania zawierających przewody „neutralne”, ponieważ uziemienie przewodu neutralnego zapewnia najmniejsze możliwe napięcie w danym momencie pomiędzy jakimkolwiek „gorącym” przewodem a uziemieniem.
Niezbędnym elementem systemu zasilania dwufazowego jest podwójne źródło napięcia zmiennego. Na szczęście zaprojektowanie i zbudowanie takiego źródła nie jest trudne.
Ponieważ większość systemów AC i tak otrzymuje zasilanie z transformatora step-down (obniżającego napięcie z wysokiego poziomu dystrybucyjnego do poziomu napięcia użytkownika, takiego jak 120 lub 240), transformator ten może być zbudowany z uzwojeniem wtórnym o środkowym zaczepie:
Amerykańskie napięcie 120/240 Vac jest uzyskiwane z transformatora użytkowego z centralnie zwężonym uzwojeniem.
Jeżeli zasilanie AC pochodzi bezpośrednio z generatora (alternatora), cewki mogą być podobnie środkowo zwężone dla tego samego efektu. Dodatkowe koszty związane z podłączeniem środkowego zaczepu w transformatorze lub uzwojeniu alternatora są minimalne.
W tym miejscu oznaczenia biegunowości (+) i (-) stają się naprawdę ważne. Ta notacja jest często używana do odniesienia faz wielu źródeł napięcia AC, więc jest jasne, czy one wspomagają („boosting”) siebie nawzajem czy przeciwnie („bucking”) siebie nawzajem.
Gdyby nie te oznaczenia polaryzacji, relacje fazowe pomiędzy wieloma źródłami AC mogłyby być bardzo mylące. Zauważ, że źródła rozdzielone na schemacie (każde po 120 V ∠ 0°), z oznaczeniami polaryzacji (+) do (-), tak jak akumulatory wspomagające szeregowo, mogą być alternatywnie przedstawione w ten sposób: (rysunek poniżej)
Split phase 120/240 Vac source is equivalent to two series aiding 120 Vac sources.
Aby matematycznie obliczyć napięcie pomiędzy „gorącymi” przewodami, musimy odjąć napięcia, ponieważ ich oznaczenia biegunowości wskazują, że są one względem siebie przeciwne:
Jeśli oznaczymy wspólny punkt przyłączenia dwóch źródeł (przewód neutralny) tym samym oznaczeniem biegunowości (-), musimy wyrazić ich względne przesunięcia fazowe jako oddalone od siebie o 180°. W przeciwnym razie oznaczalibyśmy dwa źródła napięcia będące w bezpośredniej opozycji do siebie, co dałoby 0 woltów pomiędzy dwoma „gorącymi” przewodami.
Po co poświęcam czas na rozwodzenie się nad znakami biegunowości i kątami fazowymi? Będzie to miało więcej sensu w następnej sekcji!
Systemy zasilania w amerykańskich gospodarstwach domowych i przemyśle lekkim są najczęściej odmianą dwufazową, zapewniającą tak zwane zasilanie 120/240 VAC. Termin „split-phase” odnosi się jedynie do rozdzielonego napięcia zasilania w takim systemie.
W bardziej ogólnym znaczeniu, ten rodzaj zasilania prądem zmiennym jest nazywany jednofazowym, ponieważ oba przebiegi napięcia są w fazie, lub w kroku, ze sobą.
Termin „jednofazowy” jest kontrapunktem dla innego rodzaju systemu zasilania zwanego „polifazowym”, który wkrótce szczegółowo zbadamy. Przepraszamy za długi wstęp prowadzący do tytułowego tematu tego rozdziału.
Zalety polifazowych systemów zasilania są bardziej oczywiste, jeśli najpierw dobrze zrozumiemy systemy jednofazowe.
Przegląd:
- Jednofazowe systemy zasilania definiuje się jako posiadające źródło prądu przemiennego o tylko jednym kształcie fali napięcia.
- Rozdzielczy system zasilania to system z wieloma (w fazie) źródłami napięcia przemiennego połączonymi szeregowo, dostarczający energię do odbiorników przy więcej niż jednym napięciu, za pomocą więcej niż dwóch przewodów. Stosuje się je głównie w celu osiągnięcia równowagi między wydajnością systemu (niskie prądy przewodników) a bezpieczeństwem (niskie napięcia obciążenia).
- Rozdzielone źródła napięcia przemiennego można łatwo utworzyć przez zwarcie środkowe uzwojeń cewek transformatorów lub alternatorów.
PODOBNE ARKUSZE:
- Arkusz roboczy dotyczący systemów zasilania trójfazowego
.