Pourquoi un courant triphasé? Pourquoi pas un nombre plus élevé de phases?

Existe-t-il une raison, au-delà des raisons historiques, que les trois phases soient devenues le nombre dominant de phases?

Je suis conscient des avantages par rapport à une phase et à une phase, à savoir la quantité réduite de conducteur nécessaire, et que les moteurs peuvent fournir un couple en cas de décrochage (et moins de pulsations).

Est-ce uniquement dû à des rendements décroissants, avec seulement une légère augmentation de la fluidité de l'application du couple, au prix d'une complexité accrue (nombre accru de fils (bien que de plus petites CSA)).

Pour être clair, les phases sont toutes distribuées de manière égale, c'est-à-dire cinq phases séparées de 72 degrés.

Outre la réponse de PlasmaHH, l'industrie utilise presque exclusivement une alimentation triphasée puisqu'un moteur à induction nécessite au moins une alimentation triphasée pour démarrer et fonctionner dans une direction connue. Les moteurs à induction monophasés exigent la même chose avec des techniques coûteuses, peu fiables et coûteuses (enroulements supplémentaires, enroulements avec perte, commutateur sensible à la vitesse, condensateurs, etc.).

Le réseau d’approvisionnement est basé sur trois phases puisque c’est le plus efficace en termes de production et de livraison. L'utilisation d'un réseau à 9 phases, par exemple, nécessiterait l'utilisation de 9 fils pour l'ensemble du réseau de distribution, ce qui n'est pas rentable.

Les moteurs d'ordre supérieur mentionnés n'utilisent pas de phases générées en ligne. Les moteurs pas à pas utilisent plus de phases pour un contrôle plus fin. Les redresseurs polyphasés d'ordre élevé sont souvent conçus avec plus de «phases» pour réduire l'ondulation, mais les phases sont générées localement en déphasant l'entrée de ligne par un moyen quelconque, soit en décalage LC direct, soit en utilisant un groupe électrogène.

Lorsque vous avez une distribution d'énergie monophasée, vous avez besoin d'une phase et d'un retour, les deux transportant le même courant.

Si vous utilisez plutôt l' alimentation triphasée symétrique , vous utilisez trois phases avec un tiers de la capacité de transport de courant, et vous pouvez vous débarrasser du neutre. Cela permet simplement d'économiser de l'argent en cuivre. Si vous ajoutez maintenant plus de phases, vous ne pourrez plus économiser de cuivre, mais seulement pour ajouter de la complexité.

Si vous avez une alimentation triphasée asymétrique , vous ne pouvez pas vous débarrasser du neutre, mais il n’est pas nécessaire de pouvoir gérer en retour tout le courant combiné des trois phases. Encore une fois du cuivre sauvé. L'ajout de phases supplémentaires ne réduira toutefois pas autant le cuivre nécessaire au neutre.

Donc, oui, au final, le coût est pratiquement nul pour l’application moyenne. Donc, vous ne trouverez que plus de trois phases pour des choses très spéciales.

Trois est le nombre le plus bas de phases équidistantes autour du cercle et pouvant être utilisées pour créer un champ magnétique tournant dans une direction donnée.

Toute phase supplémentaire nécessite simplement plus de fils et plus d'enroulements dans un moteur à induction.

Deux phases peuvent créer un champ magnétique rotatif si elles sont séparées de 90 degrés ("en quadrature "). Des astuces génératrices de quadrature, telles que les condensateurs de fonctionnement, sont utilisées avec des moteurs à induction alimentés en monophasé.

Le courant biphasé n’avère pas d’avantages. Les moteurs fonctionnent plus harmonieusement sur trois phases et l'équilibrage biphasé nécessite quatre conducteurs, tandis que le triphasé n'en nécessite que trois. Cela signifie que nous pouvons relier un générateur triphasé à un moteur à induction triphasé utilisant exactement trois fils. Le triphasé triphasé est possible, mais il ne sera pas équilibré. Deux des conducteurs porteront les phases et le troisième conducteur servira de neutre. Cela signifie qu’un fil doit gérer plus de courant car il sert de retour aux deux autres. Les trois conducteurs sous triphasés ont tous le même courant: ils sont équilibrés.

Pour toutes ces raisons, trois phases représentent un optimum. S'il est acquis que l'électricité est utilisée pour les moteurs à induction, plus de trois phases sont une perte de temps, donc moins de trois.

Cependant, des systèmes à deux phases ont été utilisés, de même que des systèmes de phase supérieure, comme les systèmes à six et douze phases, continuent de l'être parce qu'ils présentent des avantages particuliers.

Ajout à d'autres réponses:

Le but principal est qu’avoir au moins trois phases permet à votre moteur de démarrer dans la direction attendue. Pour les moteurs à induction monophasés, certaines solutions de contournement sont nécessaires (par exemple, l'ajout d'un câblage supplémentaire avec un condensateur utilisé lors du démarrage). Cela a été correctement expliqué dans les réponses précédentes.

Pourquoi pas plus? Simplement, ce n'est pas nécessaire et cela génère des coûts. Ce n'est pas seulement le problème des fils (donc l'utilisation du cuivre, isolation) mais aussi le problème de la construction. Pouvez-vous imaginer une tour pour lignes aériennes ayant neuf phases? Eh bien, probablement, vous pouvez parfois rencontrer des tours contenant deux lignes triphasées, voire plus:

(photo de Wikipedia)

Le principal problème ici est de garantir une distance d'isolation appropriée entre les conducteurs et la masse (ou la structure de la tour), ce qui nécessite une utilisation importante de matériaux.

En outre, si vous avez plus de phases, le risque d'échec est plus élevé. Bien sûr, dans ce cas (disons - un conducteur cassé), l'asymétrie totale sera plus faible, mais le risque de devoir éteindre toute la ligne sera plus élevé.

Construire un générateur pour plusieurs phases est également compliqué. Généralement, les hydrogénérateurs à petite vitesse ont de nombreuses paires de pôles. Il serait donc correct de ne pas donner 24 paires de pôles, mais une ou deux (par exemple, pour 12 phases), mais cela est compliqué pour les unités génératrices thermiques à turbine. Il y a généralement une paire de pôles, parfois deux. Cela conduit à une vitesse de 3000 tr / min (pour un réseau 50 Hz). Il est nécessaire que le stator reçoive l'énergie d'une telle machine avec le risque le plus faible possible. Par conséquent, moins de phases signifie moins de risques de courts-circuits à son tour. Introduire plus de phases nécessiterait une construction de stator beaucoup plus coûteuse.

Veuillez également noter que, même si, aujourd’hui, l’utilisation d’un convertisseur de fréquence pour l’électronique de puissance, la multiplication de phases, le redressement, etc., ne posait pas de problème, c’était un problème il ya seulement 30 ans et bien sûr. Ensuite, les gens ont décidé d’utiliser trois phases et il est maintenant impossible de changer de fournisseur.

Pourquoi seulement 3 phases? Eh bien, si nous avons besoin de plus de phases, nous pouvons facilement convertir une phase en une phase / 12 phases en utilisant un transformateur câblé. La principale application de plus de phases est de réduire la tension d’ondulation dans une batterie de condensateurs redressée en pont complet. Je n'en ai jamais vu, mais je l'ai appris d'un ancien professeur à l'université en faisant de l'ingénierie électrique.

Disons également que nous avions une configuration en triangle de 3 résistances appariées connectées à une connexion triphasée. La puissance utilisée au fil du temps sera identique à une résistance alimentée en courant continu, car lorsqu'une phase est à 0%, les deux autres phases sont à 66,66% et 33,33% si mes souvenirs sont exacts. Cette relation signifie également que le courant d'une phase reviendra dans les autres phases. N'est-ce pas 3 phases génial!

Donc, pour résumer, il n’est pas nécessaire d’ajouter des phases car vous pouvez très facilement le convertir en plusieurs phases. Ce n'est généralement pas fait, car la phase 3 est déjà géniale.

J'espère que cela t'aides.

La phase triphasée a une propriété très importante: si vous regardez la puissance (V ^ 2 / R) sur toutes les trois phases et la somme, cette puissance est CONSTANTE sur tout le cycle. Cela signifie que les moteurs triphasés peuvent fonctionner à puissance constante et que les générateurs voient une charge constante. 2 phase est insuffisante pour obtenir cette relation.

On pourrait utiliser des comptages de phase plus élevés, mais cela coûte plus cher de câbler et n'offrirait pas vraiment d'avantage supplémentaire dans la plupart des situations. On choisit 3 phases car il s'agit d'un nombre minimum de fils avec de bonnes propriétés.

La plupart des autres réponses indiquent à tort qu'il faut 3 phases pour qu'un moteur démarre de manière fiable, tourne dans une direction spécifique et utilise une puissance constante. En réalité, cela pourrait se faire en deux phases, à 90 ° l'une de l'autre. Vous obtenez toujours une direction définie et une consommation de puissance constante sur un cycle.

Cependant, un tel système biphasé nécessiterait un minimum de trois fils, mais le courant passant par les trois fils ne serait pas symétrique pour une charge à puissance constante. Donc, si vous avez besoin de trois fils de toute façon, quelle est la meilleure façon d'utiliser ces trois fils de manière aussi efficace et flexible que possible? La réponse est le système en trois phases que nous utilisons réellement. Au lieu d'une ligne commune et de deux lignes "chaudes" déphasées à 90 °, vous disposez de trois lignes chaudes symétriques, chacune déphasée de 120 ° des deux autres. Notez que la tension moyenne (et le courant pour une charge équilibrée) est toujours 0 pour un système triphasé symétrique. Ce n'est pas le cas d'un système à 2 phases.

Plus de phases ne vous donne aucune propriété supplémentaire souhaitable, cela ne ferait qu'ajouter de la complexité et du coût.

Une tension est, entre définition, entre deux conducteurs. Si vous avez un conducteur, vous n'avez pas de tension. Pas de tension, pas de courant, rien ne se passe. Pas terriblement utile.

Si vous avez deux conducteurs, vous avez une paire (2C2), ce qui permet une tension. Nous appelons cela monophasé. Maintenant, nous pouvons réellement faire bouger les choses, ce qui constitue un avantage substantiel par rapport au fait d'avoir un seul chef d'orchestre. Mais vous ne pouvez faire qu'une chose; il n'y a pas de variation possible dans la manière dont la charge peut être connectée. Autrement dit, la tension n’a qu’une dimension: elle est positive ou négative. Un problème courant est que si vous raccordez un moteur monophasé directement à une ligne alternative, vous n'avez aucune garantie quant à la manière dont il va tourner, ni même s'il va tourner.

Si vous avez trois conducteurs, vous avez trois paires (3C2), ce qui permet trois tensions. Nous appelons cela en trois phases. Maintenant, nous pouvons faire en sorte que trois choses se produisent, à des moments différents . Par exemple, vous pouvez avoir trois électroaimants disposés en cercle et les allumer tous en séquence. Maintenant, nous pouvons garantir qu'un moteur tournera et dans quel sens. C'est un avantage substantiel par rapport à la phase unique. En d'autres termes, nous avons maintenant deux dimensions à la tension; il est représenté par un vecteur dans un espace à deux dimensions. Il n'y a que deux arrangements distincts possibles de conducteurs ((3-1)!), Ce qui correspond aux deux sens de rotation possibles.

Si vous étendez cette option sur quatre conducteurs, vous avez six paires (4C2). La prochaine étape est donc la tension à six phases. Quels avantages auraient six phases sur trois phases? Bon, maintenant il y en a (4-1)! = 6 arrangements distincts possibles de conducteurs, ce qui signifie que si vous essayez de faire pivoter quelque chose dans un avion, vous pouvez brancher les objets de manière incohérente. Donc, si vous aviez un moteur à induction à six enroulements, il serait possible de le brancher d'une manière qui vibrerait horriblement et tournerait à la moitié de la vitesse normale, plutôt que de simplement choisir une direction ou une autre. Ce n'est pas un plus.

Mais supposons que votre rotor ait trois degrés de liberté de rotation au lieu d'un. Avec un système triphasé et un agencement mécanique approprié de pôles magnétiques, vous pouvez induire une rotation (roulis, tangage et lacet) dans un rotor sphérique flottant à position fixe. Etant donné qu’une telle chose n’existe pas à ma connaissance, elle ne constitue pas vraiment une application utile. (Peut-être dans un environnement de gravité nulle, où les pôles magnétiques gravitent autour d'un corps? Mais alors, comment sont-ils tous reliés à la même ligne alternative à six phases?) Bien sûr, dans un espace à quatre dimensions, où nous pourrions avoir Un tel système et toujours traduire les trois sens de rotation en une autre charge en dehors de notre arrangement stator / rotor sphérique, cet arrangement pourrait être très utile.

Entre temps, dans l’espace 3 + 1, je travaille dans le monde de l’électronique de puissance industrielle, et j’ai vu des systèmes qui utilisent le type de transformateur à décalage de phase mentionné dans d’autres réponses. En ce qui concerne la nomenclature, personne à qui j'ai parlé ne décrirait l'utilisation d'un transformateur à déphasage pour générer trois autres branches AC déphasées afin de créer un "six phases". (D'après mes calculs, vous auriez quinze phases, mais ce n'est toujours pas le langage utilisé.) Lorsque vous utilisez un redresseur triphasé dans un capuchon, vous obtenez six impulsions de courant par cycle. Pour ce type de système, vous obtenez 12 impulsions, ce qui correspond à ce type de système.

(En règle générale, le redresseur à douze impulsions est constitué de deux redresseurs à six impulsions. Si vous avez deux entraînements à moteur, vous pouvez connecter leurs bus CC directement ensemble et les alimenter avec un jeu triphasé différent. Vous pouvez également utiliser un système autonome. redresseur pour un jeu et introduisez son entrée CC dans le lecteur restant).

Si vous comparez un redresseur à six impulsions à un redresseur à douze impulsions, avec des charges identiques, chaque impulsion de courant doit être plus petite pour compenser le fait qu’un plus grand nombre d’entre eux entraîne la même charge. Cela fait en sorte que le courant total sortant de la ligne ressemble un peu plus à une onde sinusoïdale, ce qui signifie que les harmoniques sont réduits. Les ondulations sur les capuchons sont également plus faibles, mais je n'ai jamais vu personne être terriblement préoccupé par cela.

Un système à dix-huit impulsions et trois redresseurs permettent d’améliorer les harmoniques. (36 phases!) À des tensions et des puissances plus élevées, un nombre encore plus élevé de redresseurs en parallèle peut exister. Ce document sur une ligne VFD moyenne tension fait référence à un redresseur à 54 impulsions à 11 kV!

TL; DR

La puissance triphasée nous donne un degré de liberté de rotation, ce qui est la limite de ce qui est utile dans un espace tridimensionnel.

Une autre raison simple: les phases supplémentaires seraient "deux similaires" aux phases existantes. Autrement dit: toute phase supplémentaire serait simplement une combinaison linéaire des tensions entre les trois fils existants - l’espace vectoriel couvert par le sinus et le cosinus n’est que bidimensionnel.

Un autre aspect du problème concerne les géométries de conducteurs pour les lignes de transmission à haute tension. Avec trois lignes, les problèmes d’inductance et de courants de diaphonie induits sont minimisés et filtrés plus facilement que s’il y avait un multiple supplémentaire de conducteurs. Les coûts augmentent plus vite que les avantages avec plus de conducteurs.

Lionel Barthold, fondateur de Power Technologies, Inc., a bien expliqué cela:

" Pourquoi 3 phases d'alimentation? Pourquoi pas 6 ou 12? "

Il dit que bien qu'il ait conçu des systèmes à phase supérieure, ils ne sont pas pratiques en raison, comme vous le dites, de rendements décroissants, en particulier en ce qui concerne tous les transformateurs supplémentaires nécessaires aux sous-stations. Lorsque vous doublez le nombre de phases, vous devez également doubler le nombre d'équipements installés aux sous-stations.