Sistem Daya Tiga Fasa: Dasar-Dasar dan Manfaat
Apa Itu Daya Split-Phase?
Sistem split-phase meningkatkan efisiensi konvektor sambil mengurangi risiko keselamatan dengan membagi total tegangan menjadi tingkat yang lebih rendah. Setiap beban beroperasi pada tegangan yang lebih rendah, namun arus tetap tipikal dari sistem tegangan penuh.
Sementara istilah “fasa” secara ketat adalah konsep AC, prinsip yang sama berlaku untuk DC. Ini biasanya disebut sistem tiga-kabel daripada split-phase.
Karena tegangan AC yang tidak sinkron tidak secara sederhana ditambah, kita dapat mengeksploitasi perilaku ini untuk menciptakan sistem daya dengan efisiensi konvektor yang lebih besar dan bahaya kejutan yang lebih rendah daripada split-phase.
Contoh
Dua Sumber Tegangan AC 120° Tidak Sinkron
Pertimbangkan dua sumber tegangan AC yang terhubung secara seri seperti dalam sistem split-phase, tetapi setiap sumber 120° tidak sinkron dengan yang lain:
Pasangan sumber 120 Vac dengan fasa 120°, mirip dengan split-phase.
Setiap sumber menyediakan 120 V, dan setiap resistor beban secara langsung paralel dengan sumbernya masing-masing. Akibatnya, tegangan di setiap beban adalah 120 V, dan dengan arus beban 83,33 A setiap beban dissipasi 10 kW.
Tegangan di antara dua konduktor “panas” bukan 240 V (120° – 180°) karena selisih fasa adalah 120°. Sebaliknya, tegangan line-to-line adalah:
Secara nominal kita mengatakan tegangan di antara konduktor panas adalah 208 V (dibulatkan), jadi sistem ditetapkan sebagai 120/208.
Menghitung arus neutral mengungkapkan bahwa ia tidak nol bahkan dengan beban seimbang. Hukum Arus Kirchhoff menentukan bahwa arus yang masuk dan keluar dari node di antara dua beban harus membatalkan:
Kabel neutral membawa arus penuh 83,33 A, sama seperti setiap konduktor panas.
Temuan dan Kesimpulan
Meskipun neutral masih membawa arus yang sama dengan konduktor panas, total daya yang disampaikan tetap 20 kW (10 kW per beban). Karena tegangan panas-ke-panas hanya 208 V—32 V lebih rendah dari split-phase 240 V—keselamatan ditingkatkan tanpa mengubah biaya konvektor, karena gauge tembaga yang sama diperlukan.
Tiga Sumber Tegangan AC 120° Tidak Sinkron
Arus neutral menunjukkan bahwa kita dapat menggunakannya sebagai konduktor panas tambahan. Menambahkan sumber 120 V ketiga 240° tidak sinkron memungkinkan beban keempat untuk berbagi tiga konduktor yang sama:
Dengan beban ketiga dengan fasa 120° terhadap keduanya, arus tetap sama seperti untuk dua beban.
Perhitungan SPICE untuk Sistem Tiga Fasa
Sementara analisis jaringan penuh akan menggunakan Teorema Superposisi, hasil intuitif adalah bahwa tiga sumber 120 V 120° terpisah menyediakan 120 V pada setiap resistor beban yang seimbang.
SPICE mengonfirmasi ini:
Rangkaian SPICE: Tiga beban 3-Fasa dengan fasa 120°.
120/208 polyphase power system v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 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
VOLTAGE ACROSS EACH LOAD freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 VOLTAGE BETWEEN “HOT” CONDUCTORS freq v(1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 CURRENT THROUGH EACH VOLTAGE SOURCE freq i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01
Hasil menunjukkan 120 V di setiap beban, ~208 V di antara dua konduktor panas mana pun, dan 83,33 A di setiap konduktor. Setiap beban demikian dissipasi 10 kW.
Rangkaian ini tidak memiliki kabel neutral untuk stabilitas tegangan. Jika satu beban terbuka, beban yang tersisa melihat tegangan yang berubah. Menambahkan neutral memastikan operasi stabil saat beban seimbang, dan ia tidak membawa arus kecuali beban gagal atau terputus.
Rangkaian SPICE dianotasi dengan hasil simulasi: Tiga beban 3-Fasa dengan fasa 120°.
Rangkaian Polifasa
Apa yang telah kita periksa—tiga sumber tegangan dengan sudut fasa yang berbeda—disebut rangkaian polifasa. Awalan “poly” berarti “lebih dari satu,” seperti dalam “polytheism” atau “polygon.” Dalam sistem daya, ia menunjukkan beberapa gelombang tegangan yang tidak sinkron.
Secara khusus, rangkaian tiga fasa adalah bentuk paling umum dari sistem polifasa, memberdayakan jaringan distribusi skala besar.
Sistem Tiga Fasa vs. Sistem Fasa Tunggal
Sistem Fasa Tunggal
Tiga beban identik pada sistem fasa tunggal 120 V menarik total 250 A (83,33 A × 3). Untuk menangani arus ini, tembaga 3/0 AWG (≈510 lb/1,000 ft) diperlukan. Dalam 1.000 ft, lebih dari setengah ton tembaga diperlukan.
Untuk perbandingan, tiga beban 10 kW pada sistem 120 Vac menarik 250 A.
Sistem Split-Phase
Sistem split-phase dapat membagi arus menjadi dua. Dua beban 15 kW, 120 V menarik 125 A pada tegangan garis 240 V, memungkinkan penggunaan tembaga 2 AWG (≈200 lb/1,000 ft). Namun, kehadiran 240 V memperkenalkan risiko kejutan yang lebih tinggi.
Sistem split-phase menarik setengah arus dari 125 A pada 240 Vac dibandingkan sistem 120 Vac.
Sistem Tiga Fasa
Dibandingkan dengan dua sebelumnya, sistem tiga fasa yang seimbang hanya menggunakan 83,33 A per konduktor. Tembaga 4 AWG (≈125 lb/1,000 ft) cukup memadai, memotong biaya material sambil mempertahankan tegangan maksimum pada 208 V—lebih rendah dari 240 V dalam split-phase.
Pertanyaan utama adalah bagaimana menghasilkan tiga sumber tegangan AC 120° terpisah. Tidak seperti split-phase, yang menggunakan sentul tengah, alternator tiga fasa menempatkan tiga set lilinan 120° di sekitar rotor, menghasilkan perpindahan fasa yang diperlukan langsung di sumber.
Dalam gambar di bawah, enam lilinan kutub membentuk tiga pasang; setiap pasang menyampaikan gelombang AC 120 V 120° tidak sinkron dengan yang lain. Lilinan biasanya dipasang dalam konfigurasi “Y” (bintang), menghubungkan satu ujung setiap lilinan ke node neutral umum.
(a) Alternator fasa tunggal, (b) Alternator tiga fasa.
Konfigurasi Y Alternator.
Tinjauan
- Sistem fasa tunggal memiliki satu sumber tegangan AC.
- Sistem split-phase menggunakan dua sumber 180° tidak sinkron, mengurangi arus konvektor sambil menjaga tegangan beban rendah.
- Sistem polifasa menggunakan beberapa sumber tegangan dengan sudut fasa yang berbeda, menyampaikan lebih banyak daya pada tegangan lebih rendah dan dengan konvektor yang lebih kecil.
- Sumber tegangan yang tidak sinkron dihasilkan dalam alternator dengan beberapa set lilinan yang diatur di sekitar rotor.
Lembar Kerja Terkait
- Lembar Kerja Sistem Daya Polifasa
