Mehrphasenstromkreis
Englisch: polyphase circuit
Gruppe von Wechselstromkreisen mit zwei oder mehr zusammenhängenden Spannungen, üblicherweise gleicher Amplituden und Phasendifferenzen; bei Vorhandensein eines Neutralleiters sind die auf diesen bezogenen Spannungen gleich groß und phasig; die gebräuchlichste Ausführung ist die Dreiphasenschaltung mit gleichen Amplituden und 120 Grad Phasendifferenz.
Mehrphasensystem: drei oder mehr Wechselstromkreise mit zeitlichem Versatz
Ein Mehrphasensystem ist eine Anordnung von Wechselstromleitern, die absichtlich mit Spannungen versetzt sind, üblicherweise in gleichen Abständen. Die häufigste Form ist das Drehstromsystem mit drei sinusförmigen Spannungen, die um 120 Grad zueinander versetzt sind. Jede Phase erreicht ihre Spitzenspannung zu einem anderen Zeitpunkt; dieser gestaffelte Phasenverlauf, nicht nur die Anzahl der Leitungen, definiert das System. Einphasiger Wechselstrom dient als Referenz zum Vergleich, aber die meiste Industriestromversorgung nutzt Mehrphasensysteme, weil die Geometrie des Phasenverlaufs mechanische Vorteile bietet, die Einphase nicht erreichen kann.
Drehstromsysteme arbeiten üblicherweise mit Spannungen zwischen den Phasenleitern von 208 V, 277 V, 380 V, 400 V oder 480 V. Einphasiger Strom von 120/240 V kann aus zwei Phasen abgeleitet werden, sofern die örtlichen Vorschriften das erlauben. Ein Drehstromsystem kann als Dreieck (drei Leitungen, höhere Spannung, ohne Neutralleiter) oder Stern (vier Leitungen inklusive Neutralleiter, niedrigere Spannungsreferenz, sicherer für gemischte Lasten) geschaltet werden. Der Neutralleiter befindet sich geometrisch in der Mitte der drei Phasenpunkte und führt bei ausgeglichener Last keinen Strom. In der Praxis wird oft auf der Übertragungsseite Dreieck und auf der Verbrauchsseite Stern verwendet; ein Transformator sitzt an der Schnittstelle.
Warum Mehrphasensysteme in der Industriepraxis wichtig sind
Drehstrommotoren sind kleiner, leichter und effizienter als Einphasenmotoren mit gleicher Leistung, weil die drei versetzten Spannungen ein gleichmäßiges Drehmoment erzeugen, ohne die Totpunkte, die bei Einphasenmotoren auftreten. Ein Drehstrom-Asynchronmotor liefert konstantes Drehmoment; ein Einphasenmotor erzeugt pulsierendes Drehmoment und braucht einen Kondensator und eine Hilfswicklung zum Anlaufen. Industriemaschinen, Pumpen, Verdichter und Brecher arbeiten fast immer mit Drehstrommotoren. Stromverteilsysteme bevorzugen Mehrphasensysteme, weil drei ausgeglichene Phasen bei gleichem Leitungsquerschnitt mehr Leistung übertragen können als Einphase, und der Neutralleiterstrom bei ausgeglichenem Sternpunkt theoretisch null ist. Dadurch wird weniger Kupfer benötigt.
Unsymmetrie ist der Hauptausfallmodus bei Mehrphasensystemen. Wenn die Lasten zwischen den Phasen ungleich verteilt sind oder eine Phase unterbrochen wird, müssen die übrigen Phasen Mehrströme führen; Motoren überhitzen, Schutzrelais lösen aus und Geräte fallen aus. Bereits eine Phasenunsymmetrie von 3 bis 5 Prozent kann die Motorlebensdauer deutlich verkürzen. Die Überprüfung erfordert ein Drehstrom-Poweranalysegerät, um Spannung und Strom in jeder Phase zu messen und den Phasenwinkel zu kontrollieren; ein einfaches Multimeter kann Mehrphasenprobleme nicht diagnostizieren, weil es nur zwischen zwei Punkten zu einem Moment misst.
Der Begriff Mehrphasensystem kommt von den mehreren versetzten Wellen, von denen jede eine Phase genannt wird. Zweiphasensysteme mit 90 Grad Versatz wurden früher verwendet, besonders in Teilen Nordamerikas, sind aber heute selten. Vier- oder Sechsphasensysteme gibt es in speziellen Anwendungen wie HGÜ-Umrichter und einigen Schweißgleichrichtern, aber der wirtschaftliche und praktische Vorteil des Drehstromsystems hat es seit den 1890er Jahren zum weltweiten Industriestandard gemacht.