Dlaczego prąd 4-fazowy nie jest stosowany zamiast 3-fazowego? - aspekty techniczne

Cześć, jestem uczniem 2 klasy technikum elektronicznego i jeden z nauczycieli zadał podchwytliwe pytanie, dlaczego nie stosujemy prądu 4-fazowego, zamiast 3-fazowego. Podpowiedział, że nie chodzi o aspekt ekonomiczny. Jeżeli ktoś może podpowiedzieć, będę wdzięczny. Pozdrawiam

Stosujemy - w silnikach krokowych unipolarnych

W silnikach krokowych stosuje się 5-fazowe zasilanie lub dwufazowe.

TvWidget napisał:

W silnikach krokowych stosuje się 5-fazowe

Możesz taki wskazać - 5 przewodów to nie 5 faz - jeden jest wspólny tak jak przy trójfazowym połączeniu w gwiazdę.
Taka anegdota szkolna z dawnych lat:
Nauczyciel: Dlaczego w instalacji trójfazowej nN na słupie są 4 przewody?
Uczeń: Jednym płyną wolty, drugim ampery, trzecim waty....
N: A czwartym?
U: Czwartym ... cos(fi).

Może piątym przewodem nie ma co płynąć i dlatego nie ma instalacji czterofazowej. :-)

Tak poważniej to przy 4 fazach będą inne napięcia międzyfazowe - zależnie od tego, którą parę faz wybierzesz.
Albo * pierwiastek(2) albo * 2 więc aparatura międzyfazowa trochę kłopotliwa, choć może większe możliwości regulacji mocy.
Dodatkowo zmiana kierunku wirowania pola (więc także kierunku obrotu silnika) wymaga zamiany dwóch faz, ale tych przeciwległych; jak zmienisz niewłaściwe zaciski, to będzie problem.

Cztery fazy niewiele się różnią od dwóch faz - taki układ podobny do wspomnianych silników krokowych.
Jest oczywiście aspekt ekonomiczny - ilość przewodów w instalacji.

stachu_l napisał:

Możesz taki wskazać - 5 przewodów to nie 5 faz - jeden jest wspólny tak jak przy trójfazowym połączeniu w gwiazdę.

Pięciofazowe są mniej popularne, dlatego wielu o nich nie słyszało, poszukaj w Google, a dowiesz się czegoś nowego i nie będzie Cię łatwo zagiąć w dyskusjach na Elektrodzie.

Silniki krokowe unipolarne "czterofazowe" mają dwie fazy, ale z każdego uzwojenia wyprowadzony środek, żeby można było łatwiej przełączać.

NoTZielok napisał:

Cześć, jestem uczniem 2 klasy technikum elektronicznego i jeden z nauczycieli zadał podchwytliwe pytanie, dlaczego nie stosujemy prądu 4-fazowego, zamiast 3-fazowego. Podpowiedział, że nie chodzi o aspekt ekonomiczny. Jeżeli ktoś może podpowiedzieć, będę wdzięczny. Pozdrawiam

Podchwytliwe to by było, gdyby zapytał dlaczego (już) nie stosujemy dwufazowego. W przypadku czterech faz mamy wszystkiego więcej, przewodów, kolumn/uzwojeń w transformatorach. A co zyskujemy? Nic ponad to, co dają dwie fazy. A dwie fazy to cztery przewody albo trzy z jednym bardziej obciążonym.

jarek_lnx napisał:

Silniki krokowe unipolarne "czterofazowe" mają dwie fazy, ale z każdego uzwojenia wyprowadzony środek, żeby można było łatwiej przełączać.

A nie po to, by uzyskać półkroki i ćwierćkroki?

Nie - pół- i mikrokroki uzyskuje się poprzez dobieranie prądów uzwojeń.

Prostując napięcia trójfazowe, można uzyskać tętnienia (określone jako stosunek maksymalnego napięcia do minimalnego) równe (√3)/1,5 = 1,155; dla czterofazowych 2/√2 = 1,414, czyli dużo większe tętnienia (do każdej fazy podłącza się dwie diody - minus-|>|-faza-|>|-plus). Ale dla pięciofazowego byłoby lepiej...

Nieprecyzyjnie to ująłem, z czterech faz z przesunięciem fazowym 90° możemy połączyć w pary po dwie, które mają względem siebie 180° i nazwać to dwiema fazami. Prądy popłyną takie same, pole magnetyczne w silniku będzie się zmieniać tak samo. Więc dwie fazy to jest to samo co cztery, tylko bez punktu neutralnego.

Dlatego silniki krokowy, hybrydowy - czy to unipolarny pięcioma wyprowadzeniami, czy bipolarny z czterema - nie różnią się budową, oprócz połączenia cewek i dają dokładnie te same możliwości pracy pół/mikrokrokowej.

Poza tym, że w przypadku kiedy zasilamy mniej cewek, mamy mniejszy moment.

W silniku czterofazowym reluktancyjnym czterech faz nie można zastąpić dwiema, bo ten silnik nie reaguje na zmianę polaryzacji.

3 fazy, ponieważ to najmniejsza ilość faz, jaka jest potrzebna do "wytworzenia" wirującego pola magnetycznego. Jest to też spowodowane optymalizacją ilości przewodów na słupach energetycznych.

ChatGPT napisał:

3 fazy ponieważ to najmniejsza ilość faz jaka potrzebna jest do "wytworzenia" wirującego pola magnetycznego.

Dwie wystarczą

jarek_lnx napisał:

ChatGPT napisał:

3 fazy ponieważ to najmniejsza ilość faz jaka potrzebna jest do "wytworzenia" wirującego pola magnetycznego.

Dwie wystarczą

Chyba coś ci sie pomyliło, to w kolorowej TV dawniej wysyłano dwa kolory a trzeci odtwarzano w odbiorniku. Trzy fazy i pole wirujące od ręki, prościej i bez kosztów się nie da.

To ciekawe, że układ trójfazowy tak się wrył w pamięć, że ludzie zapomnieli o podstawowych zależnościach matematycznych:
x=ρcosϕ
y=ρsinϕ
opisuje współrzędne biegunowe, czyli zmieniając ϕ w sposób ciągły uzyskujemy wirujący wektor.
W praktyce dwie cewki prostopadłe zasilamy sin i cos i to jest minimum potrzebne żeby pole było wirujące.
(pominę jednofazowe BLDC z niesymetrycznymi nabiegunnikami bo to wynaturzenie )

Silnik jednofazowy z kondensatorem ma dwie fazy, fakt że, nie są identyczne (pole będzie eliptyczne nie kołowe), ale mamy pole wirujące
Dwufazowa sieć była stosowana w początkach historii elektryfikacji
https://en.wikipedia.org/wiki/Two-phase_electric_power

Sieć dwufazowa ma gorsze właściwości, niż trójfazowa, bo wymaga czterech przewodów i w rzeczywistych silnikach daje większe drgania.

P.S. Pierwszą myśl miałem: ChatGPT jak należało oczekiwać, po nicku, gada głupoty

jarek_lnx napisał:

To ciekawe, że układ trójfazowy tak się wrył w pamięć, że ludzie zapomnieli o podstawowych zależnościach matematycznych:
x=ρcosϕ
y=ρsinϕ
opisuje współrzędne biegunowe, czyli zmieniając ϕ w sposób ciągły uzyskujemy wirujący wektor.

Silnik jednofazowy z kondensatorem ma dwie fazy, fakt że, nie są identyczne, ale mamy pole wirujące

Drugie uzwojenie w silniku, kondensator, zmiana fi....a uzyskaj waść z takiej zabawy silnik powyżej 1kW i to z trudem. Trzy fazy i silnik działa. kiedyś nie było na tyle mocnych (jeśli w ogóle) półprzewodników aby ,,robić'' dodatkowe fazy i pole wirujące z, dziś nawet dowolnego, zasilania.

Napisałem, że twierdzenie, jakoby trzy fazy to było minimum potrzebne do uzyskania pola wirującego, jest nieprawdą. To, jak łatwo/trudno zbudować określony silnik, dzisiaj nie ma znaczenia.
W czasach, kiedy istniała sieć dwufazowa https://en.wikipedia.org/wiki/Two-phase_electric_power, silnik dwufazowy mocy 100 W i 100 kW były zbudowane na tej samej zasadzie.

stachu_l napisał:

5 przewodów to nie 5 faz - jeden jest wspólny tak jak przy trójfazowym połączeniu w gwiazdę.

@jarek_lnx Ci z grubsza wyjaśnił, ja dodam od siebie, że silniki krokowe pięciofazowe są stosowane tam, gdzie jest wymagana bardzo duża precyzja i stałość momentu obrotowego. Jest to szczególnie odczuwalne przy sterowaniu mikrokrokowym.

Mateusz_konstruktor napisał:

A nie po to, by uzyskać półkroki i ćwierćkroki?

Nie.

_jta_ napisał:

pół- i mikrokroki uzyskuje się poprzez dobieranie prądów uzwojeń.

Półkroki można i bez regulacji prądu, wystarczy zmiana sekwencji sterowania. Zasilanie takie uzyskuje się poprzez zasilenie obu faz (w bipolarnym i unipolarnym), w efekcie rotor silnika ustawia się pomiędzy fazami, dając pół kroku. Tak działają najprostsze sterowniki.

ArturAVS napisał:

Mateusz_konstruktor napisał:

A nie po to, by uzyskać półkroki i ćwierćkroki?

Nie.

_jta_ napisał:

pół- i mikrokroki uzyskuje się poprzez dobieranie prądów uzwojeń.

Półkroki można i bez regulacji prądu, wystarczy zmiana sekwencji sterowania.

A do wykonania tejże sekwencji wykorzystuje się właśnie te dodatkowe odczepy?
Zgadza się?

Mateusz_konstruktor napisał:

Zgadza się?

Nie. Sekwencją sterowania zawiaduje sterownik, odczepy są tylko po to, aby umożliwić podłączenie uzwojeń w różnych konfiguracjach zależnie od możliwości sterownika i jego wydajności prądowej. Np. silnik unipolarny czterofazowy może pracować z prądem fazy 2 A, po zmianie połączeń uzwojeń na bipolarne równoległe prąd wzrośnie do 4 A. Zmienia się także moment obrotowy. Wystarczy spojrzeć w dane katalogowe silników.

jarek_lnx napisał:

ChatGPT napisał:

3 fazy, ponieważ to najmniejsza ilość faz, jaka potrzebna jest do "wytworzenia" wirującego pola magnetycznego.

Dwie wystarczą.

Ale taki prąd 2-fazowy trzeba przesyłać minimalnie 3 przewodami (1 wspólny plus 1F i 2F), a trzema przewodami można też przesłać prąd trójfazowy (L1 L2 i L3) i prąd jest równo rozłożony pomiędzy poszczególne fazy.

Pytanie postawione przez Autora tematu (a pośrednio przez Jego nauczyciela) jest (w każdym razie było - nie wiem, jak jest teraz) podstawą do wszelkiego rodzaju "zagwozdek" na sprawdzianach w szkołach o profilu elektrycznym. Jeśli ktoś uważał na lekcjach, wiedział o co chodzi (we wpisie 13 Kol. @jarek_lnx nakierował na odpowiedź). A jak ktoś wolał wagary... wiadomo.
Trójfazowy przesył energii jest właśnie najekonomiczniejszym sposobem i tyle. Do tego należy uwzględnić zdecydowane podwyższenie napięcia w sieci przesyłowej, ale to już inna bajka (inna przyczyna tego wymaga).

398216 Usunięty napisał:

Trójfazowy przesył energii jest właśnie najekonomiczniejszym sposobem i tyle.

Jakby autor trafił na lepszy dzień prowadzącego zajęcia to proszę wspomnieć o definicji z wyższej szkoły chłopskiego rozumu:
Ma to także zastosowanie w wielofazowych podgrzewaczach. Gdyby zastosować 4-fazowe zasilanie podgrzewacza to przesunięcie fazowe wynosiłoby zaledwie 90 stopni co nie wystarczy aby zagotować wodę w takim podgrzewaczu. W instalacji 3-fazowej mamy przesunięcie o 120 stopni, co z łatwością pozwala na sprawne gotowanie z wykorzystaniem elektrycznych kuchenek itd.

W Stanach Zjednoczonych jest jeszcze inaczej: https://jackiewiczowie.blogspot.com/2015/09/elektryka-w-usa.html

W domach mają jakby dwie fazy, ale tak naprawdę w transformatorze jest odczep i do niego podłączony przewód neutralny, stąd dwie linie zasilające w przeciwfazie. Dzięki temu, oprócz "tradycyjnego" u nich napięcia 120V, mają też do dyspozycji 240V podobne do reszty świata.

Teoretycznie, mając system 4-fazowy dałoby się podwoić napięcie wykorzystując dowolne dwie "przeciwległe" fazy. Wykorzystując dwie "sąsiednie" fazy, ma się napięcie w przybliżeniu pomnożone przez 1,41. Co z tego można zasilać, to już inna sprawa, w każdym razie, użytkowanie urządzeń zasilanych z 3 faz nie jest możliwe, nawet po przetransformowaniu napięcia.

Falownik daje najwięcej możliwości, bo można sobie wytworzyć tyle faz, ile się chce, o częstotliwości, jaką się chce i tym samym można wysterować dowolny silnik krokowy i dowolny silnik na prąd przemienny.

jarek_lnx napisał:

Podchwytliwe to by było, gdyby zapytał dlaczego (już) nie stosujemy dwufazowego. W przypadku czterech faz mamy wszystkiego więcej, przewodów, kolumn/uzwojeń w transformatorach. A co zyskujemy? Nic ponad to, co dają dwie fazy. A dwie fazy to cztery przewody albo trzy z jednym bardziej obciążonym.

Nie jest to niestety prawda. W przypadku generatorów mamy większą przekazywaną moc, w przypadku silników mniejsze drgania i stabilniejszy moment. Na przeszkodzie stoją koszty, ale tak czy inaczej w hybrydach i elektrykach dość często spotkasz maszyny elektryczne fazowe.
https://www.youtube.com/watch?v=HqZtptHnC2I&ab_channel=EdisonTechCenterTechCenter
Ogółem znacząco upraszczasz problem. 3 fazy to jest kwestia wygody i kompromisu, a nie dlatego że są ogółem takie zajefajne.

@398216 Usunięty nauczyciel wykluczył aspekt ekonomiczny.
@andrzejlisek tak mają w domach, a sieci przemysłowe to dopiero mają namieszane, ale generalnie mają trzy fazy, tylko pełna gama napięć. Poniżej lista systemów w różnych krajach. W Kanadzie mają nawet 600V trójfazowe.

https://www.generatorsource.com/Voltages_and_Hz_by_Country.aspx

Symetryczny układ trójfazowy gwarantuje nam stałe napięcie pomiędzy dwoma dowolnymi fazami, czego nie gwarantuje układ 4-fazowy (ryzyko pomyłki w podłączaniu).
Pomyłka w podłączeniu układu wirującego w układzie trójfazowym skutkuje tylko odwróconym kierunkiem wirowania.

Autorze, daj znać o jaką odpowiedź chodziło nauczycielowi.

ladamaniac napisał:

@andrzejlisek tak mają w domach, a sieci przemysłowe to dopiero mają namieszane

U nas chyba jest podobnie. W domach, biurach, sklepach, urzędach itp. jest standardowe 230V/400V, a dla obiektu przemysłowego jest możliwe przyłączenie "średniego napięcia" o jednym z kilku napięć w zależności kto co chce i co potrzebuje. Ewentualnie bardziej jest dostępne tylko takie napięcie, jakie jest w sieci SN w okolicy podłączanego obiektu, jednak różne sieci SN mają różne napięcia.

Dodano po 7 [minuty]:

ladamaniac napisał:

Poniżej lista systemów w różnych krajach. W Kanadzie mają nawet 600V trójfazowe.

https://www.generatorsource.com/Voltages_and_Hz_by_Country.aspx

Dobre uzupełnienie do tej tabeli: https://www.iec.ch/world-plugs