Μονοφασικό σύστημα

Στην ηλεκτρική εφαρμοσμένη μηχανική, ένα μονοφασικό σύστημα (συντομογραφικά 1φ) είναι η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος (AC), χρησιμοποιώντας ένα σύστημα, στο οποίο όλες οι τάσεις της παροχής μεταβάλλονται συγχρονισμένα. Η μονοφασική διανομή εξυπηρετεί κυρίως φορτία φωτισμού ή θέρμανσης και μερικούς μεγάλους ηλεκτροκινητήρες. Μια μονοφασική παροχή, που συνδέεται σε έναν AC ηλεκτροκινητήρα δεν παράγει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Οι μονοφασικοί κινητήρες χρειάζονται πρόσθετα κυκλώματα για την εκκίνησή τους (κινητήρες με πυκνωτή εκκίνησης) και τέτοιοι κινητήρες είναι ασυνήθιστοι σε ισχύ άνω των 10 kW. Επειδή σε κάθε κύκλο η στιγμιαία τάση ενός μονοφασικού συστήματος λαμβάνει δύο φορές την ακραία (peak) τιμή της, η στιγμιαία ισχύς δεν είναι σταθερή. Καθιερωμένες συχνότητες των μονοφασικών δικτύων ενέργειας είναι τα 50 και τα 60 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο (c/s ή Hz). Ειδικά μονοφασικά δίκτυα έλξης, που παρέχουν ενέργεια στους ηλεκτρικούς σιδηροδρόμους, μπορεί να λειτουργούν στα 16,67 Hz ή σε άλλες συχνότητες. Συχνά, η μονοφασική τάση υποδιπλασιάζεται στη δευτερεύουσα περιέλιξη του τελικού μετασχηματιστή διανομής, δημιουργώντας δύο παράλληλες παροχές ίσου πλάτους και αντίθετης φάσης (δηλ. με διαφορά φάσης 180 μοιρών), για τις ανάγκες του ηλεκτροφωτισμού και των οικιακών συσκευών. Αυτή η παροχή λέγεται διαιρούμενης φάσης (split-phase).

 Τα μονοφασικά συστήματα μετάδοσης ενέργειας χρειάστηκαν πολλά χρόνια, για να αναπτυχθούν. Οι πρώτες προσπάθειες βασίστηκαν στις πρώιμες εφευρέσεις του εναλλάκτη (alternator) του παριζιάνου επιστήμονα Hippolyte Pixii τον 19ο αιώνα, οι οποίες αργότερα επεκτάθηκαν από τον Λόρδο Κέλβιν και άλλους τη δεκαετία του 1880. Το πρώτο πλήρες AC σύστημα ενέργειας, βασισμένο σε μονοφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα, δημιουργήθηκε από τον William Stanley με την οικονομική υποστήριξη του Westinghouse το 1886. Το 1897, ξεκίνησαν πειράματα για την μετάδοση μονοφασικής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη Βόρεια Αμερική, μεμονωμένες κατοικίες και μικρά εμπορικά κτήρια με κατανάλωση έως 100kVA περίπου (417 Αμπέρ στα 240V) έχουν συνήθως μια μονοφασική διανομή ενέργειας με τρία καλώδια (ή διαιρούμενη φάση), ιδίως στις αγροτικές περιοχές, όπου τα φορτία κινητήρων είναι μικρά και ασυνήθιστα. Στις αγροτικές περιοχές, όπου δεν διατίθενται τριφασικές παροχές, οι αγρότες ή τα νοικοκυριά, που επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν τριφασικούς κινητήρες, μπορούν να εγκαταστήσουν έναν μετατροπέα φάσης. Μεγαλύτεροι καταναλωτές, όπως μεγάλα κτήρια, εμπορικά κέντρα, εργοστάσια, συγκροτήματα γραφείων και διαμερισμάτων, έχουν πρόσβαση και σε τριφασική υπηρεσία. Στις πυκνοκατοικημένες περιοχές των πόλεων, για τη διανομή του δικτύου ενέργειας, συνδέονται πολλοί μετασχηματιστές, προκειμένου να ηλεκτροδοτήσουν τους πολυάριθμους καταναλωτές με εκατοντάδες ή και χιλιάδες kVA (AC ισχύς), ένα φορτίο, που συγκεντρώνεται σε λίγα τετραγωνικά μέτρα. Συστήματα υψηλής ισχύος (εκατοντάδων kVA ή μεγαλύτερα) είναι σχεδόν πάντα τριφασικά. Η μεγαλύτερη διαθέσιμη μονοφασική παροχή (σε κανονικές συνθήκες) ποικίλει ανάλογα με τα πρότυπα των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού κάθε χώρας. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, μια μονοφασική, οικιακή παροχή μπορεί να φτάνει ονομαστικά τα 100 ή ακόμη και και τα 120 Ampere, που σημαίνει, ότι σε ένα οικιακό ή μικρεμπορικό περιβάλλον δεν υπάρχει ανάγκη για τριφασικό ρεύμα. Το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης Ευρώπης έχει παραδοσιακά πολύ μικρότερα μέγιστα όρια στις μονοφασικές παροχές, που με αποτέλεσμα ακόμη και οι απλές κατοικίες σε αστικές περιοχές, να τροφοδοτούνται από τριφασικό δίκτυο, εφόσον διατίθεται. Ένα μονοφασικό φορτίο μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας από έναν μετασχηματιστή τριφασικής διανομής με δύο τρόπους: είτε με σύνδεση μεταξύ μιας φάσης και του ουδέτερου, είτε με σύνδεση δυο διαφορετικών φάσεων. Αυτοί οι τρόποι δίνουν δύο διαφορετικές τάσεις από μια παροχή. Για παράδειγμα, σε ένα κοινό τριφασικό σύστημα της Βόρειας Αμερικής, η τάση μεταξύ φάσης και ουδέτερου είναι 120 V, ενώ η τάση μεταξύ δύο φάσεων είναι 208 V. Έτσι, ο μονοφασικός φωτισμός συνδέεται μεταξύ φάσης και ουδέτερου, ενώ άλλες συσκευές μπορούν να συνδεθούν μεταξύ των δύο φάσεων. Ωστόσο, εάν ο εξοπλισμός θέρμανσης είναι σχεδιασμένος μια ένα σύστημα 240 V και συνδεθεί σε μια παροχή δύο φάσεων των 208 V, τότε αυτός θα αποδώσει μόνο το 75% της ονομαστικής, θερμικής του επίδοσης. Επίσης, οι μονοφασικοί κινητήρες μπορεί να έχουν διπλές απολήξεις, που να επιτρέπουν τη σύνδεσή τους σε δίκτυα παροχής είτε των 208 V, είτε των 240 V. Εκτός από τον αγωγό της φάσης και τον ουδέτερο αγωγό, συχνά υπάρχει και ένας τρίτος αγωγός, που ονομάζεται γείωση ή προστατευτική γη. Αυτός χρησιμοποιείται για προστασία έναντι του κινδύνου ηλεκτροπληξίας, διοχετεύοντας ένα σημαντικό ποσό ρεύματος προς το έδαφος, μόνο όταν υπάρξει μια προβληματική σύνδεση σε ένα κύκλωμα. Υπάρχουν αρκετά, διαφορετικά συστήματα γείωσης σε χρήση. Σε κάποιες πολύ αγροτικές περιοχές χρησιμοποιείται η διανομή ενέργειας μέσω απλού σύρματος και επιστροφή μέσω γης (single-wire earth return). Το σύστημα διαιρούμενης φάσης (split-phase) ή μονοφασικό σύστημα τριών καλωδίων είναι ένας τύπος μονοφασικής διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Πρόκειται για το AC ισοδύναμο του αρχικού DC συστήματος τριών καλωδίων της εταιρίας μηχανικών έργων του Έντισον (Edison Machine Works). Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι, ότι για μια δεδομένη χωρητικότητα διανομής, εξοικονομείται υλικό αγωγού για ένα μονοφασικό σύστημα μονής απόληξης, ενώ απαιτείται μόνο μια φάση από την πλευρά της παροχής στον μετασχηματιστή διανομής. Επίσης, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα διαιρούμενης φάσης, μειώνεται τόσο ο κίνδυνος πρόκλησης ηλεκτροπληξίας, όσο και η παρουσία ηλεκτρομαγνητικού θορύβου. Αυτό το σύστημα είναι διαδεδομένο στη Βόρεια Αμερική για οικιακές και μικρεμπορικές εφαρμογές. Μετά τον μετασχηματιστή, το δευτερεύον κύκλωμα, που τροφοδοτεί τις εγκαταστάσεις των καταναλωτών, αποτελείται από έναν κοινό ουδέτερο αγωγό και δύο γραμμές των 120 V (AC) με διαφορά φάσης 180 μοιρών μεταξύ τους, όταν μετρηθούν ως προς τον ουδέτερο. Ο ουδέτερος αγωγός συνδέεται στη γη (γειώνεται) στη μεσαία απόληξη του μετασχηματιστή, ενώ οι δύο ενεργές γραμμές συνδέονται στις ακραίες απολήξεις του αυτού μετασχηματιστή, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Τα κυκλώματα φωτισμού και οι ρευματοδότες (πρίζες) τύπου NEMA 1 και NEMA 5, για μικρές συσκευές τροφοδοτούνται με AC τάση 120 V, συνδεόμενα με μια εκ των ενεργών γραμμών και του ουδέτερου αγωγού, χρησιμοποιώντας έναν μονοπολικό διακόπτη (single-pole circuit breaker). Εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων, όπως φούρνοι, θερμοσίφωνες, κλιματιστικά, στεγνωτήρια ρούχων κ.ά. συχνά τροφοδοτούνται από κυκλώματα AC τάσης των 240 V, συνδεόμενα μεταξύ των ενεργών γραμμών, όπου οι δύο τάσεις των 120 V αθροίζονται. Τα φορτία, που χρειάζονται τα 240 V, συνδέονται στους ενεργούς αγωγούς, είτε με απευθείας καλωδίωση, είτε μέσω ρευματοδοτών τύπου NEMA 10 ή NEMA 14, οι οποίοι σκοπίμως είναι ασύμβατοι με εκείνους των 120 V. Ωστόσο, ορισμένες συσκευές, που συνδέονται σε ρευματοδότες των 240 V μπορούν να κάνουν παράλληλη χρήση και των 120 V. Για παράδειγμα, σε ένα στεγνωτήριο ρούχων η τάση των 240 V τροφοδοτεί το θερμαντικό στοιχείο, ενώ η τάση των 120 V χρησιμοποιείται στο κύκλωμα ελέγχου της συσκευής. Ένας μετασχηματιστής, που τροφοδοτεί ένα σύστημα διανομής τριών καλωδίων, έχει μονοφασική είσοδο στο πρωτεύον τύλιγμα και η έξοδος στο δευτερεύον τύλιγμα έχει μεσαία λήψη, η οποία συνδέεται στον γειωμένο ουδέτερο. Όπως απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα με το μετασχηματιστή, εκάτερο άκρο του δευτερεύοντος με το κέντρο έχει τη μισή διαφορά δυναμικού από τη διαφορά δυναμικού από άκρο σε άκρο. Το διπλανό διάγραμμα απεικονίζει το διάγραμμα φασόρων των τάσεων εξόδου ενός μετασχηματιστή διαιρούμενης τάσης. Εφόσον οι δύο φάσορες δεν ορίζουν μια μοναδική κατεύθυνση περιστροφής για ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το σύστημα διαιρούμενης φάσης δεν θεωρείται διφασικό σύστημα. Στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά, η πρακτική των τριών καλωδίων προήλθε από τον Τόμας Έντισον. Συνδέοντας ζεύγη ή ομάδες λαμπτήρων σε σειρά στο ίδιο κύκλωμα και διπλασιάζοντας την παρεχόμενη τάση, το μέγεθος των αγωγών μειώθηκε ουσιαστικά. Η σύνδεση των διακλαδώσεων κάθε παράλληλου κλάδου εκ των δύο σειρών λαμπτήρων σε έναν κοινό ουδέτερο αγωγό, που επιστρέφουν στη μεσαία λήψη της τάσης παροχής, σταθεροποιούν τις τάσεις των κλάδων από τις αλλαγές, όταν τα φορτία συνδέονται ή αποσυνδέονται. Ο ουδέτερος αγωγός μεταφέρει μόνο την ανισορροπία του ρεύματος, που διαρρέει τη μια ομάδα φορτίων προς την άλλη. Η τάση μεταξύ ενεργής γραμμής και ουδέτερου είναι η μισή τάση μεταξύ των δύο ενεργών γραμμών. Ο φωτισμός και οι μικρές συσκευές, που απαιτούν λιγότερο από 1800 W, μπορούν να συνδεθούν μεταξύ μιας ενεργής γραμμής και του ουδέτερου. Συσκευές υψηλότερης ισχύος, όπως οι μαγειρικές συσκευές, θέρμανση, θερμοσίφωνες, στεγνωτήρια ρούχων, κλιματιστικά ή εξοπλισμός φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων, συνδέονται μεταξύ των δύο ενεργών αγωγών. Αυτό σημαίνει, ότι για μια παροχή ίσης ισχύος, το ρεύμα υποδιπλασιάζεται/ Επομένως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν λεπτότεροι αγωγοί, από ό,τι θα απαιτούνταν, εάν οι συσκευές ήταν σχεδιασμένες να λειτουργούν από χαμηλότερη τάση. Εάν το φορτίο ήταν εξασφαλισμένα ισορροπημένο, τότε ο ουδέτερος αγωγός δεν θα μετέφερε καθόλου ρεύμα και το σύστημα θα ήταν ισοδύναμο με ένα σύστημα μονής απόληξης με διπλάσια τάση, με τις ενεργές γραμμές να μεταφέρουν το μισό ρεύμα. Αυτό δεν θα απαιτούσε καθόλου τον ουδέτερο αγωγό, όμως δεν θα ήταν πρακτικό για τα μεταβαλλόμενα φορτία. Συνδέοντας σε σειρά τις ομάδες λαμπτήρων θα δημιουργούνταν υπερβάλλουσες τάσεις και θα προκαλούνταν μεταβολές στη φωτεινότητα, καθώς οι λαμπτήρες θα άναβαν ή θα έσβηναν. Συνδέοντας τις δύο ομάδες λαμπτήρων σε έναν ουδέτερο αγωγό, σε ενδιάμεσο δυναμικό μεταξύ των δύο ενεργών γραμμών, κάθε ανισορροπία στα φορτία θα τροφοδοτούνταν από ένα ρεύμα στον ουδέτερο αγωγό, δίνοντας μια επαρκώς σταθερή τάση στα άκρα και των δύο ομάδων. Το συνολικό ρεύμα, που μεταφέρεται και από τους τρεις αγωγούς (και του ουδετέρου), θα είναι πάντα το διπλάσιο από το ρεύμα παροχής του πιο επιβαρυμένου (σε φορτίο) κλάδου. Για μικρού μήκους καλωδιώσεις, λόγω της περιορισμένης χωρητικότητας ρεύματος των αγωγών, αυτό το σχήμα επιτρέπει την αντικατάσταση δύο αγωγών πλήρους μήκους να αντικατασταθούν από τρεις αγωγούς μισού μήκους, χρησιμοποιώντας το 75% του χαλκού ενός ισοδύναμου μονοφασικού συστήματος. Οι μεγάλου μήκους καλωδιώσεις είναι περιορισμένες, εξαιτίας της πτώσης τάσης στους αγωγούς. Επειδή η παρεχόμενη τάση διπλασιάζεται, ένα ισορροπημένο φορτίο μπορεί να αντέξει τη διπλή πτώση τάσης, επιτρέποντας τη χρήση αγωγών μήκους ενός τετάρτου, δηλαδή τα 3/8 του χαλκού, που θα χρησιμοποιούσε ένα ισοδύναμο μονοφασικό σύστημα. Πρακτικά, επιλέγεται μια ενδιάμεση τιμή. Για παράδειγμα, εάν η ανισορροπία φορτίου περιορίζεται στο 25% (δηλ. το μισό του μισού) παρά στο απολύτως χειρότερο σενάριο του 50%, τότε οι αγωγοί μεγέθους 3/8 του μονοφασικού αγωγού θα εξασφάλιζαν τη ίδια μέγιστη πτώση τάσης, που θα ήταν ίσο με τα 9/8 ενός μονοφασικού αγωγού και το 56% του χαλκού από δύο μονοφασικούς αγωγούς.