Por que energia trifásica? Por que não um número maior de fases?

Existe uma razão, além das razões históricas, de que três fases se tornaram o número dominante de fases?

Estou ciente das vantagens contra uma fase e duas fases, a saber, a quantidade reduzida de condutor necessária e que os motores podem fornecer torque quando parados (e com menos pulsação).

Isso ocorre apenas devido a retornos decrescentes, com apenas um pequeno aumento na suavidade da aplicação de torque, ao custo de maior complexidade (aumento do número de fios (embora com menor CSA)).

Para ficar claro, todas as fases estão distribuídas igualmente, ou seja, cinco fases separadas por 72 graus.

Além da resposta do PlasmaHH, a indústria usa quase exclusivamente energia trifásica, pois um motor de indução precisa de pelo menos uma fonte trifásica para iniciar e operar em uma direção conhecida. Os motores de indução monofásicos requerem truques com perdas, não confiáveis ​​e caros para fazer o mesmo (enrolamentos extras, enrolamentos com perdas, comutador sensível à velocidade, capacitores, etc.).

A grade de fornecimento é baseada em três fases, uma vez que é a mais eficiente em termos de geração e entrega. Usar uma grade de 9 fases, por exemplo, exigiria a execução de 9 fios para toda a grade de distribuição, não economizando em custos.

Os motores de ordem superior mencionados não usam fases geradas por linha. Os motores de passo usam mais fases para um controle mais preciso. Os retificadores polifásicos de alta ordem são projetados frequentemente com mais 'fases', para reduzir a ondulação, mas as fases são geradas localmente através do deslocamento de fase da entrada de linha por alguns meios, seja o deslocamento direto de LC ou usando um grupo gerador de motor.

Quando você possui distribuição de energia monofásica, precisa de uma fase e um retorno, ambos carregando a mesma corrente.

Se você agora usa energia trifásica simétrica , usa três fases com um terço da capacidade de carga atual e pode se livrar do neutro. Isso simplesmente economiza algum dinheiro em cobre. Se agora você adicionar mais fases, não poderá salvar mais cobre, mas apenas adicionar complexidade.

Se você possui uma potência trifásica assimétrica , não poderá se livrar do neutro, mas ele não precisa ser capaz de lidar com toda a corrente combinada das três fases em troca. Novamente um pouco de cobre economizado. A adição de mais fases não reduzirá tanto o cobre necessário para o neutro.

Então, sim, no final, é mais caro praticamente nenhum ganho na aplicação média. Então você encontrará apenas mais de três fases para coisas muito especiais.

Três é o menor número de fases, igualmente espaçadas ao redor do círculo, e que podem ser usadas para criar um campo magnético rotativo em uma determinada direção.

Mais fases exigem apenas mais fios e mais enrolamentos em um motor de indução.

Duas fases podem configurar um campo magnético rotativo se estiverem a 90 graus (" quadratura "). Truques de geração de quadratura, como capacitores de operação, são usados ​​com motores de indução que funcionam com energia monofásica.

A energia bifásica acaba por não ter vantagens. Os motores funcionam mais suavemente em três fases , e as duas fases equilibradas requerem quatro condutores, enquanto as trifásicas requerem apenas três. Ou seja, podemos conectar um gerador trifásico a um motor de indução trifásico usando exatamente três fios. A fase bifásica de três fios é possível, mas não será equilibrada. Dois dos condutores realizarão as fases, e o terceiro atuará como neutro. Isso significa que um fio precisa lidar com mais corrente, pois está atuando como um retorno para os outros dois. Os três condutores em fase trifásica possuem a mesma corrente: são balanceados.

Por todas essas razões, três fases representam um ótimo. Se é certo que a eletricidade é usada para motores de indução, mais de três fases são um desperdício e menos de três.

No entanto, sistemas de duas fases foram utilizados, bem como sistemas de fases de ordem superior, como as fases de seis e doze , continuam a ser porque têm algumas vantagens especiais.

Além de outras respostas:

O principal objetivo é que, pelo menos, três fases permitam que o motor dê partida na direção esperada. Para motores de indução monofásicos, algumas soluções alternativas são necessárias (como colocar uma fiação adicional com um capacitor usado durante a inicialização). Foi explicado corretamente nas respostas anteriores.

Por que não mais? Simplesmente - não é necessário e gera custos. Não é apenas o problema dos fios (portanto, uso de cobre, isolamento), mas também o problema da construção. Você consegue imaginar uma torre para linhas aéreas com nove fases? Bem, provavelmente você pode - às vezes é possível conhecer torres que possuem duas linhas trifásicas, ou até mais:

(foto da Wikipedia)

O principal problema aqui é garantir a distância de isolamento adequada entre condutores e condutores e o solo (ou estrutura da torre), o que requer grande uso de materiais.

Além disso, se você tiver mais fases, a chance de falha é maior. Obviamente, neste caso (digamos - um condutor quebrado) a assimetria total será menor, mas o risco de necessidade de desligar toda a linha será maior.

Construir um gerador para mais fases também é complicado. Normalmente, os hidrogeradores, com baixa velocidade, têm muitos pares de polos; portanto, seria bom não fornecer 24 pares de polos, mas um ou dois (por exemplo, para 12 fases), mas isso é complicado para unidades térmicas-turbinas geradoras. Geralmente, há um par de pólos, às vezes dois. Isso leva à velocidade de 3000 rpm (para rede de 50 Hz). É necessário que o estator receba energia de uma máquina com o menor risco possível; portanto, menos fases significam menos chance de curto-circuito por sua vez. A introdução de mais fases exigiria uma construção muito mais cara do estator.

Observe também que, mesmo que hoje não seja um problema ter um conversor de frequência da eletrônica de potência, também multiplicar fases, retificar etc., era um problema há apenas 30 anos e, é claro, mais. Então as pessoas decidiram usar três fases, e agora é impossível mudar.

Por que apenas 3 fases? Bem, se precisarmos de mais fases, podemos converter facilmente 3 fases em 6 fases / 12 fases etc, usando um transformador conectado para isso. A principal aplicação de mais fases é a menor tensão de ondulação em um banco de capacitores retificados em ponte completa. Eu nunca vi um, mas aprendi sobre eles com um antigo professor da universidade enquanto fazia engenharia elétrica.

Digamos também que tínhamos uma configuração delta de 3 resistores correspondentes conectados a uma conexão trifásica. A energia usada ao longo do tempo será idêntica a um resistor alimentado por CC, porque quando uma fase está em 0%, as outras duas fases ficam em 66,66% e 33,33%, se bem me lembro. Esse relacionamento também significa que o poder de uma fase retornará para as outras fases. Não é trifásico incrível!

Portanto, para resumir, não há necessidade de fases adicionais, pois você pode convertê-lo facilmente em mais fases ao final. Normalmente não é feito, já que a fase 3 já é incrível.

Espero que isto ajude.

A trifásica tem uma propriedade muito importante: se você observar a potência (V ^ 2 / R) nas três fases e as somar, essa energia é CONSTANTE durante todo o ciclo. Isso significa que motores trifásicos podem operar com potência constante e os geradores veem uma carga constante. A fase 2 é insuficiente para obter esse relacionamento.

Pode-se usar contagens de fase mais altas, mas custa mais para conectar, e realmente não ofereceria nenhuma vantagem adicional na maioria das situações. A fase trifásica é escolhida porque é um número mínimo de fios com boas propriedades.

Muitas das outras respostas afirmam erroneamente que você precisa de três fases para que um motor inicie de forma confiável ou gire em uma direção específica e use energia constante. Na verdade, isso poderia ser feito com duas fases, a 90 ° uma da outra. Você ainda tem direção definida e consumo constante de energia ao longo de um ciclo.

No entanto, esse sistema bifásico exigiria no mínimo três fios, mas a corrente através dos três fios não seria simétrica para uma carga de energia constante. Portanto, se você precisar de três fios de qualquer maneira, qual é a melhor maneira de usar esses três fios da maneira mais eficiente e flexível possível? A resposta é o sistema trifásico que realmente usamos. Em vez de uma linha comum e duas linhas "quentes" 90 ° fora de fase, você tem três linhas diretas simétricas, cada uma 120 ° fora de fase das outras duas. Observe que a tensão média (e corrente para uma carga balanceada) é sempre 0 para um sistema trifásico simétrico. Isto não é verdade para um sistema de 2 fases.

Mais fases não fornecem propriedades desejáveis ​​adicionais, portanto, adicionariam complexidade e custo.

Uma tensão é, definitivamente, entre dois condutores. Se você possui um condutor, não possui voltagens. Sem tensão, sem energia, nada acontece. Não é muito útil.

Se você possui dois condutores, possui um par (2C2), o que permite uma tensão. Chamamos isso de fase única. Agora podemos realmente fazer as coisas acontecerem, o que é uma vantagem substancial em ter apenas um condutor. Mas você só pode fazer uma coisa acontecer; não há variação possível de como a carga pode ser conectada. Em outras palavras, há apenas uma dimensão na tensão: é positiva ou negativa. Um problema comum é que, se você conectar um motor monofásico diretamente a uma linha de CA, não há garantia de que maneira ele irá girar ou se será.

Se você possui três condutores, possui três pares (3C2), o que permite três tensões. Chamamos isso de trifásico. Agora podemos fazer três coisas acontecerem, em momentos diferentes . Por exemplo, você pode ter três eletroímãs dispostos em círculo e ativá-los todos em uma sequência. Agora podemos garantir que um motor irá girar e em que direção. Esta é uma vantagem substancial em relação à monofásica. Em outras palavras, agora temos duas dimensões para a tensão; é representado por um vetor em um espaço bidimensional. Existem apenas dois arranjos distintos possíveis de condutores ((3-1)!), Que correspondem às duas direções possíveis de rotação.

Se você estender isso para quatro condutores, terá seis pares (4C2); portanto, o próximo passo é a tensão de seis fases. Que vantagens as seis fases teriam sobre as trifásicas? Bem, agora existem (4-1)! = 6 possíveis arranjos distintos de condutores, o que significa que, se você estiver tentando fazer com que algo gire em um avião, poderá conectar as coisas de uma maneira que seja inconsistente com isso. Portanto, se você tivesse um motor de indução de seis voltas, seria possível conectá-lo de uma maneira que vibrasse horrivelmente e girasse à metade da velocidade normal, em vez de apenas escolher uma direção ou outra. Isso não é uma vantagem.

Mas suponha que seu rotor tenha três graus de liberdade de rotação em vez de um. Com seis fases e um arranjo mecânico apropriado de pólos magnéticos, você pode induzir rotação (rotação, inclinação e guinada) em um rotor esférico flutuante de posição fixa. Como isso não existe para o meu conhecimento, isso realmente não se qualifica como um aplicativo útil. (Talvez em um ambiente de gravidade nula, onde os pólos magnéticos estão orbitando algum corpo? Mas então, como eles estão todos conectados à mesma linha CA de seis fases?) Obviamente, em um espaço quadridimensional, onde poderíamos ter como um sistema e ainda converter todas as três direções de rotação para alguma outra carga fora do nosso arranjo esférico de estator / rotor, esse arranjo pode ser muito útil.

Enquanto isso, no espaço 3 + 1, trabalho no mundo da eletrônica de potência industrial e vi sistemas que usam o tipo de transformadores de mudança de fase que outras respostas mencionaram. Por uma questão de nomenclatura, ninguém com quem conversei descreveria o uso de um transformador de mudança de fase para gerar mais três pernas CA fora de fase para criar "seis fases". (Pela minha matemática, você teria quinze fases, mas ainda não é o idioma usado.) Ao passar trifásico através de um retificador para um limite, você obtém seis pulsos de corrente por ciclo. Para esse tipo de sistema, você recebe doze pulsos, para que esse tipo de sistema seja chamado de doze pulsos.

(Em geral, o retificador de doze pulsos é dois retificadores de seis pulsos. Se você tem dois acionamentos a motor, pode conectar seus barramentos CC diretamente juntos e alimentar cada um com um conjunto trifásico diferente. Ou você pode obter um stand-alone retificador de um conjunto e alimente sua entrada CC no inversor restante.)

Se você estiver comparando um retificador de seis pulsos com um retificador de doze pulsos, com cargas idênticas, cada pulso de corrente deve ser menor para compensar a ocorrência de mais deles dirigindo a mesma carga. Isso faz com que a corrente geral fora da linha pareça um pouco mais com uma onda senoidal, o que significa que os harmônicos são reduzidos. A ondulação nas tampas também é mais baixa, mas eu nunca conheci alguém que estivesse terrivelmente preocupado com isso.

Melhorias harmônicas maiores podem ser obtidas com um sistema de dezoito pulsos e três retificadores. (Fase 36!) Em tensões e potências mais altas, um número ainda maior de retificadores paralelos pode existir. Este documento em uma linha VFD de média tensão faz referência a um retificador de 54 pulsos a 11 kV!

TL; DR

O poder trifásico nos dá um grau de liberdade rotacional, que é o limite do que é útil em um espaço tridimensional.

Outro motivo simples: as fases adicionais seriam "duas semelhantes" às existentes. Em outras palavras: qualquer fase adicional seria simplesmente uma combinação linear das tensões entre os três fios existentes - o espaço vetorial medido por seno e cosseno é apenas bidimensional.

Outro aspecto do problema é a questão das geometrias dos condutores para linhas de transmissão de alta tensão. Com três linhas, os problemas de indutância e correntes de diafonia induzidas são minimizados e mais facilmente filtrados, do que se houvesse um múltiplo adicional de condutores. Os custos continuam subindo mais rapidamente do que os benefícios com mais condutores.

Lionel Barthold, fundador da Power Technologies, Inc., explicou isso bem:

" Por que energia trifásica? Por que não 6 ou 12? "

Ele diz que, embora tenha projetado sistemas de fase superior, eles não são práticos devido a, como você diz, retornos decrescentes, especialmente no que diz respeito a todos os mais transformadores necessários nas subestações. Ao dobrar o número de fases, você também deve dobrar a quantidade de equipamentos nas subestações.