8.1 : Obwody trójfazowe

Systemy dystrybucji prądu przemiennego dzielą się na trzy kategorie: systemy jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe. Obwód jednofazowy, powszechny w budynkach mieszkalnych, zazwyczaj wykorzystuje system dwuprzewodowy łączący pojedyncze źródło prądu przemiennego z różnymi obciążeniami. Obwody te obsługują standardowe urządzenia gospodarstwa domowego działające przy napięciu 120 woltów (V) i 240 V, takie jak lampy, telewizory i kuchenki mikrofalowe. Pierwsze generatory, elektrownia wodna w Niagara Falls zainstalowana w 1895 roku, były dwufazowe i zaprojektowane przez Nikolę Teslę. Mniej powszechny jest dwufazowy system zasilania, a system trójprzewodowy zawiera dwa źródła napięcia przesunięte w fazie względem siebie o 90 stopni.

System trójfazowy, czteroprzewodowy jest najbardziej rozpowszechniony w zastosowaniach przemysłowych. System ten składa się z trzech źródeł prądu przemiennego o identycznej amplitudzie i częstotliwości, ale charakteryzujących się różnicą fazową wynoszącą 120 stopni między sobą. Obciążenia w takim systemie można łączyć w konfiguracji Y (gwiazda) lub w trójkąt (Δ).

Zaletą obwodów trójfazowych jest ich wydajność i stabilność. Dostarczają moc o niższej pulsacji niż systemy jednofazowe, co skutkuje płynniejszym przenoszeniem mocy i minimalizacją wibracji – co jest kluczowym czynnikiem w maszynach przemysłowych, takich jak silniki indukcyjne. Kolejną korzyścią jest zmniejszona ilość materiału przewodzącego wymaganego do przesłania danej ilości mocy, co sprawia, że systemy trójfazowe są bardziej opłacalne niż ich jednofazowe odpowiedniki.

Zależność między napięciami i prądami sieciowymi i fazowymi w układach trójfazowych połączonych w kształcie litery Y jest określona wzorem:

Oraz dla systemów połączonych Δ:

Równania te pokazują związek między napięciami i prądami międzyfazowymi z napięciami i prądami w każdej fazie, co jest istotne przy obliczaniu całkowitej mocy w układach trójfazowych. Całkowitą moc dla połączeń Y i Δ można znaleźć za pomocą:

gdzie ϕ jest kątem współczynnika mocy, który wpływa na efektywność przenoszenia mocy.