Dreiphasen-Wechselstrom (AC) wird oft für die Stromversorgung von Rechenzentren und von Gewerbe- und Industriegebäuden verwendet, in denen Maschinen mit hohem Stromverbrauch stehen. Dafür gibt es einen guten Grund: Drehstrom kann im Vergleich zum einphasigen Wechselstrom mehr Strom mit höherem Wirkungsgrad liefern. Einphasiger Wechselstrom wird in der Regel für die meisten Anwendungen im Haushalt und in kleinen Gewerbebetrieben verwendet, z. B. für die Beleuchtung und für kleine Geräte. Auf dieser Seite erklären wir, warum das so ist und worin die Hauptunterschiede zwischen einphasigen und Drehstromanlagen bestehen.
Warum brauchen wir Dreiphasiger Drehstrom?
Die Fähigkeit, immer größere Strommengen zu liefern, ist besonders wichtig für Rechenzentren und Serverräume, deren Dichte immer weiter zunimmt. Immer leistungsfähigere Computersysteme werden in denselben Räumen untergebracht, in denen früher Server standen, die nur einen Bruchteil des Stromverbrauchs hatten, den heutige Computer und Netzwerke haben.
Es ist noch nicht lange her, dass ein einziges IT-Rack mit 10 Servern einen Gesamtstromverbrauch von fünf Kilowatt (kW) hatte. Heute kann dasselbe Rack Dutzende von Servern enthalten, die zusammen 20 oder 30 kW verbrauchen. Bei einer solchen Leistung ist es natürlich wichtig, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, denn selbst eine geringe prozentuale Senkung des Stromverbrauchs bedeutet im Lauf der Zeit erhebliche finanzielle Einsparungen.
Die Verkabelung ist ein weiteres Problem. Nehmen wir ein Rack mit 15 kW. Bei einer einphasigen Stromversorgung mit 230 Volt Wechselstrom (VAC) werden 62 Ampere benötigt, um das Rack mit Strom zu versorgen. Das erfordert einen Kabel mit einem Durchmesser von fast einem Zentimeter — zu dick, um ihn einfach handhaben zu können, ganz zu schweigen vom Preis. Da die dreiphase Drehstromtechnik einen höheren Wirkungsgrad erlaubt, kann sie die gleiche Leistung (und mehr) durch dünnere Drähte liefern. Um dasselbe 15-kW-Rack mit 3-Phasen-Strom zu versorgen, sind drei Leiter erforderlich, die jeweils 13 Ampère liefern können (1,5 mm²) und nur einen Bruchteil des Durchmessers haben — ihr Durchmesser beträgt weniger als zwei Millimeter.
Einphasige Wechselstromversorgung - Erläuterung
Was genau ist also dreiphasiger Drehstrom? Und wo sollten wir ihn verwenden?
Bevor wir auf diese Diskussion eingehen, ist es hilfreich, sich zunächst mit dem einphasigen Wechselstrom zu befassen.
Bei einphasigem Wechselstrom wird ein Dreileitersystem verwendet, das aus einem „heißen“ Draht, einem Nullleiter und einem Erdleiter besteht. Bei Wechselstrom kehrt sich der Strom oder die Spannung periodisch um und fließt in die eine Richtung über den heißen Draht, der den Verbraucher mit Strom versorgt, und in die andere Richtung über den Nullleiter. Ein vollständiger Stromzyklus findet im Verlauf eines 360-Grad-Phasenwechsel statt. Dabei kehrt sich die Spannung 50 oder 60 Mal pro Sekunde um, je nachdem, welches System in den verschiedenen Teilen der Welt verwendet wird. In Europa sind das 50 Mal pro Sekunde, also 50 Hertz (Hz).
Wichtig ist, dass die beiden stromführenden Stromkreisteile immer um 180 Grad gegeneinander gedreht sind. Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, dass der Strom auf einer Welle reitet, technisch gesehen einer Sinuswelle mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude. In jedem Zyklus durchlaufen die Wellen auf jedem Draht zweimal gleichzeitig die Nullamplitude (siehe Abbildung 1). Zu diesen Zeitpunkten wird an den Verbraucher keine Leistung abgegeben.
Abbildung 1
Diese äußerst kurzen Unterbrechungen sind für Anwendungen in Wohn- und Geschäftsgebäuden, z. B. in Büros, unerheblich, haben jedoch erhebliche Auswirkungen auf Motoren, die große Maschinen antreiben, sowie auf Computer und andere IT-Geräte.
Eintauchen in den 3-Phasen-Drehstromversorgung
Wie der Name schon andeutet, liefern 3-phasen Drehstromsysteme drei getrennte Ströme, die jeweils um ein Drittel der Zeit gegeneinander versetzt sind, die ein voller Zyklus dauert. Im Gegensatz zu einphasigen Systemen, bei denen die beiden Phasen stets um 180 Grad versetzt sind, sind die Ströme bei Drehstromsystemen nur um 120 Grad versetzt.
In der folgenden Abbildung 2 sehen Sie, dass der Strom in der einen Leitung seine Spitzenamplitude erreicht, die beiden anderen nicht. Wenn z. B. Phase 1 ihre positive Spitzenamplitude erreicht, liegen die Phasen 2 und 3 beide bei -0,5. Das bedeutet, dass es im Gegensatz zu einphasigem Strom keinen Punkt gibt, an dem der Verbraucher keine Leistung erhält. Tatsächlich erreicht an sechs verschiedenen Stellen jeder Phase eine der Leitungen ihre positive oder negative Spitzenamplitude.
Praktisch heißt das, dass die von allen drei Strömen insgesamt gelieferte Leistung konstant bleibt - anders als bei einphasigen Systemen gibt es keine zyklischen Hoch- und Tiefpunkte.
Computer und viele Motoren, die in schweren Maschinen laufen, sind dafür ausgelegt. Sie können also stets eine konstante Leistung beziehen und brauchen nicht die Schwankungen zu berücksichtigen, die bei einphasigem Wechselstrom auftreten. Dadurch verbrauchen sie weniger Energie.
Stellen Sie sich als Analogie einen Ein-Zylinder-Motor im Vergleich zu einem Drei-Zylinder-Motor vor. Beide arbeiten nach dem Vier-Takt-Prinzip (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen). Ein Ein-Zylinder-Motor hat bei vier Takten des Zylinders nur ein Arbeitsspiel. Das führt zu einer recht ungleichmäßigen Leistungsabgabe. Bei einem Drei-Takt-Motor hingegen, erfolgt die Leistungsabgabe in drei abwechselnden Phasen (die wiederum um 120 Grad gegeneinander versetzt sind). Damit wird eine gleichmäßigere, konstantere Leistung mit höherem Wirkungsgrad erzielt.
Abbildung 2
Die Vorteile von drei-phasigem Drehstrom
Einer der Vorteile des drei-phasigem Drehstroms ist, dass er fast doppelt so viel Leistung liefert wie ein-phasige Systeme, ohne dass die doppelte Anzahl an Drähte gebraucht wird. Dabei fließt nicht der dreifache Strom, wie man vermuten könnte, denn in der Praxis nimmt man in der Regel eine Phase und verbindet sie mit einer anderen Phase.
Um zu verstehen, wie der drei-phasiger Drehstrom mehr Leistung liefert, muss man rechnen. Die Formel für den einphasigen Strom lautet: Leistung = Spannung (V) x Strom (I) x Leistungsfaktor (PF). Wenn wir davon ausgehen, dass die Last im Stromkreis nur durch den Widerstand gegeben ist, ist der Leistungsfaktor gleich eins. Somit vereinfacht sich die Formel zu: P = V x I. Wenn wir einen 230-Volt-Stromkreis mit einer Stromstärke von 20 Ampère betrachten, beträgt die Leistung 4.600 Watt.
Die Formel für die Leistung eines drei-phasigen Stromkreises lautet: Leistung = Spannung (V) x Strom (I) x Leistungsfaktor (PF) x die Quadratwurzel aus 3. Wenn wir davon ausgehen, dass die Last im Stromkreis nur durch den Widerstand gegeben ist, ist der Leistungsfaktor gleich eins. Somit vereinfacht sich die Formel zu P = V x I x die Quadratwurzel aus 3. Betrachten wir einen dreiphasigen 230-Volt-Stromkreis, bei dem jede Phase mit 20 Ampere belastet wird, ergibt sich aus der Formel 230 Volt x 20 Ampere x 1,732 = 7.967 Watt. Auf diese Weise können Drehstromsysteme fast doppelt so viel Leistung liefern wie einphasige Systeme. Dies ist ein vereinfachtes Beispiel, kann jedoch dazu dienen, die zusätzliche Leistung von Stromkreisen zu untersuchen, die höhere Spannungen (z. B. 400 Volt) oder Ströme (z. B. 30 Ampere oder mehr) unterstützen.
Solche Kapazitäten sind sehr nützlich, wenn IT-Racks mit Strom versorgt werden sollen. Während es früher normal war, Racks mit einphasigem Strom zu versorgen, wird dies mit zunehmender Dichte der IT-Racks immer schwieriger und unpraktisch. Die gesamte Verkabelung, die Leiter und die Steckdosen werden größer, teurer und immer schwieriger zu handhaben.
Bei einer direkten Versorgung des Server-Racks mit Drehstrom können preisgünstigere Kabel und sonstige Komponenten verwendet werden, die dabei aber mehr Strom liefern. Allerdings muss die Belastung der einzelnen Stromkreise beachtet werden, damit sie ausgeglichen ist und die Kapazität der Stromkreise nicht überschritten wird.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Drehstrom funktioniert und welche Vorteile er hat, dann besuchen Sie: https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
