なぜ三相電力ですか？なぜより多くのフェーズがありませんか？

歴史的な理由を超えて、3つのフェーズが主要なフェーズ数になった理由はありますか？

私は、1相と2相に対する利点、つまり必要な導線の量が少ないこと、およびモーターがストールしたときにトルクを提供できる（そして脈動が少ない）ことを認識しています。

これは、複雑さの増加（ワイヤの数の増加（CSAが小さいにもかかわらず））を犠牲にして、トルクの適用の滑らかさのわずかな増加を伴う、収益の減少のみによるものです。

明確にするために、位相はすべて均等に分散されています。つまり、5つの位相が72度離れています。

PlasmaHHの答えに加えて、誘導モーターは既知の方向に起動して動作するために少なくとも3相の供給を必要とするため、業界はほぼ独占的に3相電力を使用します。単相誘導モーターは、同じことを行うために損失が多く、信頼性が低く、高価なトリックを必要とします（余分な巻線、損失のある巻線、速度に敏感なスイッチ、コンデンサなど）。

供給グリッドは、生成と配信の点で最も効率的であるため、3つのフェーズに基づいています。たとえば、9フェーズグリッドを使用すると、配電グリッド全体で9本のワイヤが必要になりますが、費用対効果は高くありません。

前述の高次モーターは、ライン生成フェーズを使用しません。ステッピングモーターは、より細かい制御のために、より多くのフェーズを使用します。高次の多相整流器は、多くの場合、より多くの「位相」で設計されてリップルを低減しますが、位相は、何らかの手段（直接LCシフトまたはモータージェネレーターセットの使用）によってライン入力を位相シフトすることによりローカルに生成されます。

単相配電がある場合、1つの相と1つの戻りが必要であり、両方に同じ電流が流れます。

代わりに対称 3相電力を使用する場合、3相を使用して、3分の1の通電能力を使用すると、ニュートラルを取り除くことができます。これにより、銅の節約になります。さらにフェーズを追加すると、銅線を保存できなくなり、複雑さが増します。

あなたが持っている場合は、非対称 3つの相電力を、あなたは中立を取り除くことはできませんが、それは見返りに、すべての3つのすべての相の合成電流を扱うことができるようにする必要はありません。再び銅がいくらか節約されました。ただし、フェーズを追加しても、ニュートラルに必要な銅はそれほど削減されません。

そのため、最終的には、平均的なアプリケーションで実質的に利益が得られないため、コストが高くなります。そのため、非常に特別なことのために3つ以上のフェーズを見つけるだけです。

3つは、円の周りに等間隔で配置され、特定の方向に回転磁場を作成するために使用できる位相の最小数です。

それ以上のフェーズでは、誘導モーターでより多くのワイヤと巻線が必要になります。

2つのフェーズが90度離れている場合（「直交」）、回転磁界を設定できます。実行コンデンサなどの直交生成トリックは、単相電力で動作する誘導モーターで使用されます。

2相電源には利点がありません。モーターは3相でよりスムーズに動作し、平衡2相には4本の導体が必要ですが、3相には3本しか必要ありません。つまり、正確に3本のワイヤを使用して、3相発電機を3相誘導モーターにリンクできます。3線式の2相も可能ですが、バランスが取れていません。2本の導体が相を運び、3本目の導体が中性線として機能します。これは、1本のワイヤが他の2本のリターンとして機能するため、より多くの電流を処理する必要があることを意味します。3相の下の3本の導体はすべて同じ電流を流します。それらは平衡です。

これらすべての理由から、3つのフェーズが最適です。誘導電動機に電気が使用されていることを考えると、3相以上は無駄であり、したがって3相未満です。

ただし、2フェーズシステムが使用されており、6フェーズや12フェーズなどの高次フェーズシステムは、いくつかの特別な利点があるため、引き続き使用されています。

他の回答への追加：

主な目的は、少なくとも3つのフェーズを持つことで、モーターが予想される方向に始動できるようにすることです。単相誘導モーターの場合、いくつかの回避策が必要です（起動時に使用するコンデンサーで追加の配線を配置するなど）。以前の回答で正しく説明されていました。

なぜもっとないのですか？単純に-それは必要ではなく、コストを発生させます。それは、ワイヤの問題（銅の使用、絶縁）だけでなく、構造の問題でもあります。9つのフェーズを持つ架空送電線の塔を想像できますか？まあ、おそらくあなたはできる-時には2つの3相ラインを保持するタワーに会うことができます：

（ウィキペディアからの写真）

ここでの主な問題は、導体と導体とグランド（またはタワー構造）の間の適切な絶縁距離を確保することであり、これには大量の材料が必要です。

また、フェーズが多い場合、失敗する可能性が高くなります。もちろん、この場合（たとえば、壊れた導体）、全体の非対称性は低くなりますが、ライン全体をオフにする必要性のリスクは高くなります。

より多くのフェーズのジェネレーターを構築することも複雑です。一般的に、速度の遅い水素発生器には多くの極対がありますので、24極対ではなく1つまたは2つ（たとえば12相）を与えることは問題ありませんが、熱発電機-タービンユニットでは複雑です。通常、ポールペアは1つ、時には2つあります。これにより、速度が3000 rpmになります（50 Hzネットワークの場合）。固定子は、このような機械から可能な限りリスクを最小限に抑えて電力を受け取る必要があるため、位相が少なくなると、逆に短絡する可能性が少なくなります。より多くの相を導入するには、はるかに高価な固定子構造が必要になります。

また、今日ではパワーエレクトロニクスの周波数変換器、位相の乗算、整流などが問題になっていなくても、わずか30年前の問題でした。その後、人々は3つのフェーズを使用することにしましたが、現在では切り替えることはできません。

なぜ3つのフェーズしかないのですか？さらに多くのフェーズが必要な場合は、3フェーズを6フェーズ/ 12フェーズなどに変換することができます。より多くのフェーズの主な用途は、フルブリッジ整流コンデンサバンクへのリップル電圧を低減することです。私は一度も見たことがないが、電気工学をやっている間に大学の古代の講師からそれらについて学んだ。

また、3相接続に接続された3つの一致した抵抗のデルタ構成があったとします。時間の経過とともに使用される電力は、1つの位相が0％のとき、他の2つの位相は66.66％と33.33％になります。この関係は、1つのフェーズからの電力が他のフェーズに戻ることも意味します。素晴らしい3フェーズではありません！

要約すると、追加のフェーズは必要ありません。最終的には、より多くのフェーズに簡単に変換できるからです。3段階はすでに素晴らしいので、通常は行われません。

お役に立てれば。

3相には非常に重要な特性があります。3相すべてで電力（V ^ 2 / R）を調べて合計すると、その電力はサイクル全体で一定です。つまり、3相モーターは一定の電力で駆動でき、発電機は一定の負荷を認識します。この関係を得るには2段階では不十分です。

より高い位相カウントを使用することもできますが、配線に多くのコストがかかり、ほとんどの状況で追加の利点を実際に提供しません。3相が選択されるのは、良好な特性を備えた最小数のワイヤであるためです。

他の回答の多くは、モーターが確実に起動する、または特定の方向に回転し、一定の電力を使用するために3つのフェーズが必要であると誤って述べています。実際には、これは互いに90°ずれた2つのフェーズで実行できます。サイクル全体で、定義された方向と一定の電力消費が得られます。

ただし、このような2相システムには最低3本のワイヤが必要ですが、3本のワイヤを通る電流は定電力負荷に対して対称ではありません。とにかく3本のワイヤが必要な場合、これらの3本のワイヤを可能な限り効率的かつ柔軟に使用する最良の方法は何ですか？答えは、実際に使用する3フェーズシステムです。共通の1本と90°位相がずれた2本の「ホット」ラインの代わりに、3本の対称ホットラインがあり、それぞれが他の2本から120°位相がずれています。対称3相システムの平均電圧（および平衡負荷の電流）は常に0であることに注意してください。これは2フェーズシステムには当てはまりません。

フェーズを増やしても望ましい特性は得られないため、複雑さとコストが追加されます。

電圧は、定義上、2つの導体の間です。1本の導線がある場合、電圧はありません。電圧も電力もありません。何も起こりません。それほど便利ではありません。

2本の導線がある場合、1つのペア（2C2）があり、これにより1つの電圧が可能になります。これを単相と呼びます。これで、実際に物事を実現できます。これは、指揮者を1人だけにするよりも大きな利点です。しかし、あなたはただ一つのことを起こすことができます。負荷の接続方法に違いはありません。別の言い方をすれば、電圧には1つの次元しかありません。それは正または負です。よくある問題の1つは、単相モーターをACラインに直接接続した場合、どの方向に回転するか、またはまったく回転しないかについての保証がないことです。

3つの導体がある場合、3つのペア（3C2）があり、3つの電圧が可能です。これを3段階と呼びます。これで、3つのことを異なる時間に実行できます。たとえば、3つの電磁石を円状に配置して、順番にすべてをオンにすることができます。これで、モーターがどの方向に回転するかを保証できます。これは、単相に対する実質的な利点です。別の言い方をすれば、電圧には2つの次元があります。2次元空間のベクトルで表されます。導体の異なる配置は2つしかありません（（3-1）！）。これは、2つの回転方向に対応しています。

これを4本の導体に延長すると、6ペア（4C2）になるため、次のステップは6相電圧です。6フェーズには3フェーズと比べてどのような利点がありますか？さて、今（4-1）があります！=導体の可能な6つの異なる配置。つまり、平面内で何かを回転させようとする場合、それと矛盾する方法で接続することができます。したがって、6巻線の誘導モーターを使用している場合は、どちらかの方向を選択するのではなく、ひどく振動して通常の速度の半分で回転する方法で接続することができます。それはプラスではありません。

しかし、ローターに1つではなく3つの回転自由度があるとします。6相および適切な磁極の機械的配置を使用すると、固定位置の浮動球状ローターに回転（ロール、ピッチ、ヨー）を引き起こすことができます。私の知る限り、そのようなことは存在しないため、これは実際に有用なアプリケーションとは見なされません。（もしかすると、空の重力環境で、磁極が何らかの物体を周回しているのでしょうか？それでは、それらはすべて同じ6相ACラインにどのように接続されていますか？）もちろん、4次元空間では、このようなシステムで、3つの回転方向すべてを、球状の固定子/回転子配列以外の負荷に変換する場合、この配列は有用です。

その間、3 + 1空間に戻って、私は産業用パワーエレクトロニクスの世界で仕事をしています。他の答えが述べているような位相シフトトランスを使用するシステムを見てきました。命名法の問題として、私が話した誰も、「6相」を作成するために3つの位相のずれたACレッグを生成するために位相シフトトランスを使用することを説明しません。（私の計算では、15フェーズになりますが、それはまだ使用されている言語ではありません。）整流器を介してキャップに3フェーズを実行すると、サイクルごとに6パルスの電流が流れます。この種のシステムでは、12パルスが得られるため、この種のシステムは12パルスと呼ばれます。

（一般に、12パルス整流器は2つの6パルス整流器です。モータードライブが2つある場合、DCバスを直接接続して、それぞれに異なる3相セットを供給することができます。 1セットの整流器とそのDC入力を残りのドライブに供給します。）

負荷が同一の6パルス整流器と12パルス整流器を比較する場合、同じ負荷を駆動するより多くの電流パルスを補償するために、各電流パルスを小さくする必要があります。これにより、ラインからの全体的な電流は正弦波のようになり、高調波が減少します。キャップのさざ波も低くなりますが、私は誰もそれについてひどく心配していることを知りませんでした。

18パルスシステムと3つの整流器により、高調波を大幅に改善できます。（36相！）より高い電圧と電力では、さらに多くの並列整流器が存在する場合があります。中電圧VFDラインに関するこのドキュメントは、11 kVの54パルス整流器を参照しています！

TL; DR

三相電力は、1つの回転自由度を与えます。これは、3次元空間で有用なものの限界です。

別の単純な理由：追加のフェーズは、既存のフェーズと「2つの類似点」になります。別の言い方をすると、追加の位相は、既存の3本のワイヤ間の電圧の線形結合になります。サインとコサインにまたがるベクトル空間は、2次元です。

問題の別の側面は、高圧送電線の導体形状の問題です。3本の線を使用すると、インダクタンスと誘導クロストーク電流の問題が最小限に抑えられ、導体が複数ある場合よりも簡単にフィルタリングされます。導体の数が多いほど、コストは利益よりも速く上がり続けます。

Power Technologies、Inc.の創立者であるLionel Barthold氏は、次のように説明しています。

「なぜ3相電力ですか？なぜ6または12ではありませんか？」

彼は、より高い位相のシステムを設計しましたが、あなたが言うように、特に変電所で必要なすべての変圧器に関して、リターンが減少するため、実用的ではないと言います。フェーズの数を2倍にすると、変電所の機器の量も2倍にする必要があります。