Sisteme de alimentare monofazate

Sisteme de alimentare monofazate

Circuitul de putere

Schema electrica alaturata este a unui circuit electric simplu, monofazat, in curent alternativ. Daca puterea disipata pe sarcini este suficient de mare, putem denumi o astfel de configuratie "circuit de putere". Distinctia dintre un circuit de putere si un circuit normal poate parea intamplatoare, dar implicatiile practice sunt importante.

Una dintre implicatii este costul si marimea conductorilor necesari pentru alimentarea sarcinilor de la sursa. In mod normal, nu ne intereseaza astfel de probleme daca analizam un circuit doar pentru a invata despre electricitate. Totusi, in viata reala, acest lucru este de o importanta deosebita.

Daca, in circuitul de mai sus, consideram sursa de tensiune ca fiind de 120 V, iar puterile disipate pe sarcini de 10 kW fiecare, putem determina tipul conductorilor de care avem nevoie.

Curentii si puterile din circuitul de mai sus arata astfel:

Putem vedea ca valoarea curentului prin circuit este foarte mare in acest caz, 88,33 A pentru fiecare rezistor, adica 166,66 A pentru curentul total din circuit. Conductorii de cupru folositi pentru astfel de aplicatii ar ajunge undeva la 6 mm in diametru, cu o greutate de aproximativ 50 kg la 100 m, iar cuprul nu este nici el un material ieftin. In cazul in care ar fi sa proiectam un astfel de sistem de putere, cea mai buna strategie ar fi sa cautam solutii pentru minimizarea acestor tipuri de costuri.

Cresterea tensiunii de alimentare

O solutie ar fi cresterea tensiunii sursei de alimentare folosind sarcini ce disipa aceeasi cantitate de putere, 10 kW, pentru aceasta tensiune marita. Sarcinile ar trebui sa aiba valori mai mari ale rezistentelor daca vrem sa disipe aceeasi putere la o tensiune mai mare. Avantajul consta in diminuarea curentului necesar, si prin urmare, folosirea unor conductori de dimensiuni mai mici, mai usori si mai ieftini.

De data aceasta, curentul total este 83,33 A, jumatate fata de valoarea precedenta. Putem utiliza conductori a caror greutate este jumatate din valoarea precedenta. Aceasta este o reducere considerabila a costurilor sistemului, fara niciun efect negativ asupra performantelor. Acesta este si motivul pentru care sistemele de distributie sunt proiectate pentru transmiterea puterilor la tensiuni foarte inalte: pentru a profita de avantajul oferit de utilizarea conductorilor cu diametru mai mic, mai usori si mai ieftini.

Liniile electrice de inalta tensiune

Totusi, aceasta solutie prezinta si dezavantaje. O alta problema ce trebuie luata in considerare in cadrul circuitelor de putere, este pericolul electrocutarilor datorat tensiunilor inalte. Din nou, acesta nu este neaparat un subiect luat in considerare atunci cand invatam despre legile electricitatii, dar este o problema reala in proiectarea sistemelor electrice, mai ales atunci cand puterile sunt foarte mari. Desi am castigat in eficienta prin ridicarea tensiunii sistemului, acest lucru duce pe de alta parte la marirea pericolului electrocutarii. Companiile de distributie a curentului electric au rezolvat aceasta problema prin instalarea liniilor de putere pe stalpi de "inalta tensiune" si izolarea lor fata de conductori prin dielectrici confectionati din portelan.

Utilizarea energiei electrice

Dar aceasta tensiune ridicata nu poate fi pastrata la aceleasi valori atunci cand ajunge la consumatori, evident, din motive de siguranta. Sistemele de putere din Europa folosesc aceasta tensiune mai inalta, de 240 V, riscul crescut de electrocutare al utilizatorilor fiind compensat de eficienta marita a unui astfel de sistem. In America de Nord, tensiune de alimentare este jumatate, si anume 120 V, scaderea eficientei in acest caz fiind compensata de cresterea sigurantei utilizatorilor.

Alimentarea sarcinilor in serie cu o tensiune mai inalta

O solutie alternativa ar fi utilizarea unei surse de tensiune mai inalta pentru alimentarea celor doua sarcini in serie, caderea de tensiune pe fiecare sarcina fiind astfel jumatate din tensiunea de alimentare. Aceasta solutie combina eficienta unui sistem de tensiune inalta cu siguranta oferita de un sistem de tensiune joasa.

Putem observa pe desen si polaritatile ("+" si "-") pentru fiecare tensiune, precum si directia curentului prin circuit. Chiar daca este un circuit alternativ, vom utiliza aceste notatii pentru a avea un sistem de referinta pentru fazele tensiunilor si a curentilor, sistem ce se va dovedi folositor in capitolele urmatoare.

Curentul pe fiecare sarcina este acelasi ca si in cazul circuitului alimentat de la 120 V, dar acestia nu se insumeaza, deoarece sunt in serie, nu in paralel. Caderea de tensiune pe fiecare sarcina este de doar 120 V, nu 240 V, asadar nivelul de siguranta a crescut. Diferenta de potential intre cei doi conductori ai sistemului de alimentare este tot de 240 V, dar fiecare sarcina este alimentata la o tensiune mult mai mica. In cazul aparitiei electrocutarii, este foarte probabil ca persoana in cauza sa intre in constat cu sarcina, sau conductorii acesteia, si nu cu firele de 240 V.

Surse de tensiune duale cu fir neutru

Exista insa un dezavantaj al acestui tip de circuit: in cazul defectarii uneia dintre sarcinii, daca aceasta este inchisa sau scoasa din circuit, vom avea practic un circuit deschis, curentul scazand la zero si intreaga cadere de tensiune se va regasi pe aceasta sarcina "defecta".

Din acest motiv, trebuie sa modificam putin circuitul:

In locul unei singure surse de tensiune de 240 V, folosim doua surse de 120 V, conectate in serie si in faza una cu cealalta, pentru producerea unei tensiuni de 240 V, si utilizam un conductor suplimentar conectat intre cele doua sarcini si cele doua surse, pentru a prelua curentul in cazul deschiderii uneia dintre sarcini. Daca suntem atenti, observam ca firul neutru trebuie sa conduca doar diferenta de curent dintre cele doua sarcini. In cazul de mai sus, cand sarcinile sunt echilibrate (egale), puterea consumata de acestea este egala, astfel ca neutrul nu conduce curent.

Calculele parametrilor circuitului, in acest caz, arata astfel:

Neutrul este conectat la impamantare, fiind o practica des intalnita in proiectarea sistemelor de putere cu fir neutru. Aceasta impamantare asigura o diferenta de potential cat mai mica, in fiecare clipa, intre faza si pamant.

Utilizarea transformatoarelor cu priza mediana

O componenta importanta a unui astfel de sistem o reprezinta sursele de tensiune duale in curent alternativ. Din fericire, constructia unui astfel de sistem nu este dificila. Din moment ce majoritatea sistemelor de curent alternativ sunt alimentate de un transformator coborator de tensiune, acel transformator poate fi construit cu o priza mediana pe infasurarea secundara.

Notarea polaritatilor ("+" si "-") devine in acest moment importanta. Aceasta este folosita ca si sistem de referinta al fazelor in circuitele de curent alternativ cu surse de alimentare multiple.

Cele doua surse de mai sus, conectate in serie, pot fi la fel de bine reprezentate folosind notatia polara: conectate in anti-serie si defazaj de 180⁰ intre ele. Cele doua moduri de reprezentare sunt echivalente.

Caderea de tensiune intre cele doua faze poate fi calculata conform figurii alaturate.

Daca marcam conexiunea comuna a celor doua surse (firul neutru) cu aceeasi polaritate (-), atunci va trebui sa exprimam diferenta de faza a celor doua ca fiind 180⁰. In caz contrar, am avea doua surse de tensiune actionand in directii opuse, ceea ceea ce ar duce la o diferenta de 0 V intre cele doua faze.

Observatie

In general, un astfel de sistem de alimentare este denumit monofazat, datorita faptului ca ambele forme de unda sunt in faza. De asemenea, toate circuitele electrice studiate pana in acest moment au fost monofazate.