Průvodce výběrem ATS pro jednofázové vs. třífázové systémy: Kdy zvolit 2P, 3P nebo 4P?

Pochopení jednofázových a třífázových napájecích systémů

Jednofázové systémy (1P+N): Aplikace 220-240V

Jednofázové napájecí systémy pracují s napětím 220-240V a skládají se z jednoho fázového vodiče (L1) a jednoho nulového vodiče (N). Tyto systémy obvykle vyžadují 2-pólový (2P) automatický přepínač , který současně přepíná fázový i nulový vodič.

Primární aplikace:

• Obytné budovy a byty
• Malé komerční kanceláře (příkon pod 100A)
• Rekreační vozidla (RV) a mobilní domy
• Lehké vybavení a spotřebiče
• Záložní napájení pro základní domácí spotřebiče

Jednofázové systémy mají omezenou kapacitu dodávky energie, obvykle maximálně 100A (24kW při 240V). Pro aplikace záložního napájení v domácnostech poskytuje 2P ATS adekvátní ochranu při přepínání mezi zdroji sítě a generátoru.

Třífázové systémy (3P+N): Průmyslové napájení 380-415V

Třífázové napájecí systémy dodávají 380-415V prostřednictvím tří fázových vodičů (L1, L2, L3) plus nulového vodiče (N). Tyto systémy vyžadují buď 3-pólový (3P) nebo 4-pólový (4P) automatický přepínač, v závislosti na tom, zda je třeba přepínat nulový vodič – což je kritické rozhodnutí, které ovlivňuje bezpečnost a spolehlivost systému.

Primární aplikace:

• Výrobní závody a průmyslové provozy
• Komerční budovy se systémy HVAC
• Datová centra a telekomunikační zařízení
• Provozovny provozující třífázové motory (čerpadla, kompresory, chladiče)
• Velké solární fotovoltaické instalace s hybridními invertorovými systémy

Typ systému	Napětí	Vodiče	Typické ATS	Maximální zatížitelnost	Běžné aplikace
Jednofázové	220–240 V	L1 + N	2P	Až 24kW	Rezidenční, malé komerční
Třífázové	380-415V	L1 + L2 + L3 + N	3P nebo 4P	Až 400kW+	Průmyslové, velké komerční provozy
Dělená fáze	120/240V	L1 + L2 + N	3P (speciální)	Až 48kW	Severoamerické rezidenční

Dilema “4. pólu”: Volba mezi 3P a 4P ATS

Zde dochází k většině chyb ve specifikacích. Rozhodnutí mezi 3-pólovým a 4-pólovým ATS zásadně mění způsob, jakým váš systém nakládá s uzemněním nulového vodiče a ochranou proti poruchám.

3-pólový ATS: Spínané fáze, pevný nulový vodič

3P ATS spíná pouze tři fázové vodiče (L1, L2, L3), přičemž ponechává nulový vodič jako pevné průchozí spojení mezi oběma zdroji napájení.

Konfigurace:

• Spínače: L1, L2, L3
• Průchozí: Nulový vodič (N)
• Uzemnění: Jeden bod uzemnění u vstupu do objektu
• Generátor: Nulový vodič NENÍ spojen se zemí (plovoucí nulový bod)

Zásadní omezení:
Při použití 3P ATS, nulový vodič generátoru nesmí být spojen se zemí u generátoru. Veškeré spojení nulového vodiče se zemí se provádí pouze u vstupu do sítě. Tím se vytvoří systém, který není samostatně odvozený, kde generátor sdílí referenční uzemnění sítě.

Rizika 3P ATS s pevným nulovým vodičem:

1. Vznik zemní smyčky: Když se nulové vodiče sítě i generátoru připojují přes pevnou nulovou sběrnici, jakýkoli rozdíl potenciálů mezi oběma uzemňovacími systémy vytváří cirkulující proudy. To je zvláště problematické v hybridních solárně-bateriových systémech , kde měnič může zavádět DC offsetové proudy.
2. Nekompatibilita s RCD/GFCI: Proudové chrániče (RCCB) měří nerovnováhu proudu mezi fázovými a nulovými vodiči. S pevným nulovým vodičem se mohou poruchové proudy vracet alternativními cestami, což způsobuje rušivé vybavování nebo – co je horší – selhání vybavení při skutečných zemních poruchách.
3. Rozdíly potenciálů nulového vodiče: Pokud mají generátor a síť různé impedance uzemnění (běžné u mobilních generátorů nebo dočasných instalací), může nulový vodič plavat na nebezpečná napětí, když je odpojený zdroj stále připojen přes nulovou sběrnici.
4. Konflikty zemních relé: Systémy s ochranou proti zemnímu spojení na obou zdrojích uvidí falešné zemní proudy protékající nulovou cestou odpojeného zdroje, což může zbytečně vybavovat ochranné prvky.

4-pólový ATS: Kompletní izolace zdroje

4P ATS spíná všechny čtyři vodiče: L1, L2, L3 a nulový vodič. Tím se vytvářejí elektricky izolované, samostatně odvozené systémy.

Konfigurace:

• Přepínače: L1, L2, L3, N
• Průchozí: Žádné (úplná izolace)
• Uzemnění: Samostatné propojení v každém zdroji
• Generátor: Nulový vodič spojený se zemí u generátoru

Výhody 4-pólové konfigurace:

1. Soulad se samostatně odvozeným systémem: Každý zdroj energie (síť, generátor, solární invertor) se stává nezávislým samostatně odvozeným systémem s vlastním spojením nulového vodiče se zemí. To splňuje požadavky NEC článku 250.30 a eliminuje paralelní zemnící cesty.
2. Prevence zemnící smyčky: Úplným odpojením neaktivního zdroje nemohou mezi různými zemnícími systémy protékat žádné cirkulující proudy. To je kritické v solárních hybridních systémech kde zdroje založené na invertorech mohou zavádět harmonické nebo stejnosměrné složky.
3. Kompatibilita s RCD ochranou: Zařízení pro ochranu proti zemnímu spojení fungují správně, protože ochrana každého zdroje vidí pouze své vlastní poruchové proudy, bez interference od zemnící cesty alternativního zdroje.
4. Stabilita napěťové reference: Každý zdroj si vytváří vlastní stabilní nulovou referenci, čímž se eliminují kolísání napětí způsobená rozdíly potenciálů nulového vodiče mezi zdroji.

Doporučení VIOX Engineering

Pro hybridní solárně-bateriové systémy, záložní instalace generátorů a jakékoli aplikace využívající více zdrojů energie, VIOX důrazně doporučuje 4-pólové automatické přepínače.

Marginální nárůst nákladů (typicky 15-25 % oproti 3P jednotkám) je nevýznamný ve srovnání s eliminací problémů se zemnící smyčkou, obtěžujícím vypínáním RCD a potenciálním poškozením zařízení v důsledku nevyváženosti napětí nulového vodiče. V našem terénním testování s více než 2 000 solární slučovací box instalacemi vykazovaly systémy používající 4P ATS konfigurace o 92 % méně servisních zásahů souvisejících s uzemněním ve srovnání s 3P konfiguracemi.

Funkce	3-pólový ATS	4-pólový ATS
Spínané fáze	L1, L2, L3	L1, L2, L3, N
Neutrální ovladatelnost	Pevný průchod	Spínaný (izolovaný)
Spojení N-G generátoru	Musí být odstraněno	Požadováno u generátoru
Typ systému	Ne samostatně odvozený	Samostatně odvozený
Zemnící smyčky	Vysoké riziko	Eliminováno
Kompatibilita RCD	Omezené	Plná kompatibilita
Hybridní solární	Nedoporučeno	Doporučeno
Cenová prémie	Základní cena	+15-25%
Soulad s předpisy NEC	Vyžaduje pečlivý návrh	Automatický soulad

Systémy s dělenou fází: Severoamerická past na výběr

Dělená fáze, běžná ve Spojených státech, na Filipínách a na Tchaj-wanu, představuje jedinečnou výzvu, která zaskočí mnoho inženýrů specifikujících přepínače.

Co je dělená fáze?

Dělená fáze dodává 120V/240V prostřednictvím sekundárního vinutí transformátoru se středovým odbočkou:

• L1 k nulovému vodiči: 120V
• L2 k nulovému vodiči: 120V
• L1 k L2: 240V

Navzdory tomu, že se nazývají “jednofázové”, mají systémy s dělenou fází dva horké vodiče (L1, L2), které jsou o 180° mimo fázi, plus nulový vodič.

Past na výběr ATS

Běžná chyba: Specifikace standardního 2-pólového ATS pro systémy s dělenou fází.

Problém: Standardní 2P ATS určený pro skutečné jednofázové systémy (jeden horký + nulový vodič) nemůže správně obsluhovat systémy s dělenou fází se dvěma horkými vodiči. Musíte přepínat jak L1, tak L2, ne jen jeden.

Správná řešení:

1. Konfigurace třípólového ATS: Použijte 3P ATS pro spínání L1, L2 a nulového vodiče. To zachází se systémem s dělenou fází jako s třífázovým systémem s použitím pouze dvou fází.
2. Speciální dvoufázové (2P) ATS: Někteří výrobci nabízejí specializované 2P přepínače, které přepínají současně L1 i L2, přičemž neutrál zůstává průchozí. Nicméně, i tyto trpí problémy se zemní smyčkou, které byly popsány výše.

Požadavky na aplikaci dělené fáze

Pro severoamerické rezidenční záložní napájecí systémy (typický příkon 200 A):

Doporučeno: 3pólové ATS s přepínáním neutrálu nebo 4pólové ATS (pokud se s tím zachází jako s L1+L2+N+rezerva)

Tato konfigurace:

• Přepíná obě horké fáze (L1, L2) nezávisle
• Může volitelně přepínat neutrál (doporučeno pro generátorové systémy)
• Umožňuje správný provoz jak 120V (L1 nebo L2 k N), tak 240V (L1 k L2) zátěží
• Zabraňuje zpětnému toku mezi neutrály sítě a generátoru

Kritická poznámka k zapojení: Při připojování dělené fáze k 3P nebo 4P ATS:

• L1 → Svorka ATS 1
• L2 → Svorka ATS 2
• Svorka 3 → Nechte prázdnou nebo použijte pro přepínání neutrálu
• N → Vyhrazená svorka neutrálu (pokud 4P) nebo pevná sběrnice (pokud 3P)

To je zvláště důležité pro Instalace nabíječek EV které často vyžadují 240V dělené fázové napájení pro nabíjení úrovně 2.

Vyvážení zátěže a stabilita fázového napětí

Nevyvážené zatížení v třífázových systémech vytváří provozní problémy, které přímo ovlivňují výkon a spolehlivost ATS.

Fyzika třífázové nevyváženosti

V dokonale vyváženém třífázovém systému protéká každou fází stejný proud (±10 %) a neutrálem protéká minimální proud (primárně harmonické). Nicméně, reálné instalace zřídka dosahují této rovnováhy z důvodu:

1. Distribuce jednofázové zátěže: Většina komerčních a rezidenčních zátěží je jednofázová (osvětlení, kancelářské vybavení, počítače). Když se tyto zátěže koncentrují na jednu nebo dvě fáze, dochází k významné nevyváženosti.
2. Náběhové proudy motorů: Třífázové motory a stykače odebírají vysoké náběhové proudy během spouštění. Pokud je systém již nevyvážený, může tato přechodná událost spustit ochranu ATS proti ztrátě fáze nebo nevyváženosti napětí.
3. Výstup solárního invertoru: Hybridní invertory v třífázových systémech mohou produkovat mírně nevyvážený výstup, zejména když současně probíhá nabíjení baterie a invertování.

Jak nevyváženost ovlivňuje provoz ATS

Moderní automatické přepínače monitorují velikost napětí a fázový úhel na všech vodičích. Typická nastavení vypnutí ATS při nevyváženosti napětí:

• Nevyváženost fázového napětí: ±10 % od průměru
• Detekce ztráty fáze: Jakákoli fáze klesne pod 85 % nominální hodnoty
• Detekce posunu neutrálu: Napětí neutrálu překročí 10 % fázového napětí

Reálný scénář selhání:

Třífázový systém 415 V se špatným vyvážením zátěže:

• L1: 95 A (blízko kapacity)
• L2: 45 A (lehká zátěž)
• L3: 60 A (střední zátěž)

Když zařízení spustí velký třífázový motor (např. kompresor HVAC), napětí L1 klesne na 380 V, zatímco L2 a L3 zůstanou na 410 V. Řídicí jednotka ATS interpretuje tuto 7,3% nevyváženost jako potenciální ztrátu fáze a může zbytečně přepnout na generátor, což naruší provoz.

Prevence vypnutí ATS souvisejících s nevyvážeností

Technická řešení:

1. Analýza distribuce zátěže: Během počáteční instalace změřte proud na každé fázi během špičkového provozu. Redistribuujte jednofázové zátěže pro dosažení vyvážení ±15 % napříč L1, L2, L3.
2. Měkké startéry motorů: Instalujte soft start ovladače na velkých třífázových motorech ke snížení záběrového proudu a poklesu napětí během spouštění.
3. Zvýšená tolerance nevyváženosti napětí: Pokud váš ATS umožňuje polní nastavení vypínacích charakteristik, zvyšte toleranci nevyváženosti napětí z 10% na 15% (pouze pokud to kvalita napájení dovoluje). Před úpravou továrního nastavení se poraďte s technickou podporou VIOX.
4. Panely pro vyrovnávání fází: Pro provozy s převážně jednofázovými zátěžemi instalujte automatické distribuční panely pro vyrovnávání fází, které dynamicky rotují zátěže mezi fázemi.
5. Dimenzování generátoru: Zajistěte, aby kapacita záložního generátoru překračovala celkovou zátěž alespoň o 25%, aby byla zachována stabilita napětí během nevyváženého zatížení. Poddimenzovaný generátor zesílí problémy s nevyvážeností napětí.

Pokud váš ATS zaznamenává časté nežádoucí přepínání z důvodu nevyváženosti napětí, nahlédněte do našeho komplexního průvodce odstraňováním problémů s ATS který se zabývá monitorováním napětí, nastavením relé a postupy ověřování poměru CT.

Další aspekty návrhu systému

Při integraci ATS do nového nebo stávajícího elektrického distribučního systému zvažte tyto související komponenty:

• Koordinace jističů: Zajistěte, aby se ochranná zařízení na vstupu a výstupu správně koordinovala během přepínacích operací ATS
• Přepěťová ochrana: Nainstalujte SPDs typu 2 na straně sítě i generátoru ATS, abyste se ochránili před spínacími přechodovými jevy
• Správné uzemnění: Ověřte, zda systémy zemnicích elektrod splňují požadavky norem pro samostatně odvozené systémy
• Výběr distribučního panelu: Přizpůsobte specifikace panelu výstupním jmenovitým hodnotám a konfiguraci pólů ATS

Rychlá reference: Matice výběru ATS

Aplikace	Napěťový systém	Typ zatížení	Doporučené ATS	Kritické hledisko
Zálohování domácnosti	240V jednofázové	Smíšená domácnost	2P (100-200A)	Standardní 2-pólové dostačující
RV/Mobilní systémy	120/240V dělená fáze	Smíšené 120V+240V	3P nebo 4P (30-50A)	Musí přepínat obě horké fáze
Malé komerční instalace	240V jednofázové	Kancelář + HVAC	2P (200-400A)	Dimenzování pro záběrový proud
Lehký průmysl	415V třífázové	Většinou motory	3P (100-400A)	Zkontrolujte umístění neutrálního spoje
Hybridní solární	415V třífázové	Měnič + síť	4P (63-250A)	Zabraňuje zemním smyčkám
Zálohování generátorem	400V třífázové	Kritická zatížení	4P (100-630A)	Požadováno pro samostatně odvozené
Datové centrum	400V třífázové	UPS systémy	4P (400-1000A)	Rychlé přepínání, možnost bypassu
Výrobní	415V třífázové	Těžké stroje	4P (250-800A)	Vyrovnávání zátěže kritické

FAQ: Běžné otázky ke konfiguraci pólů ATS

Otázka: Mohu použít 3-pólové ATS se 4-vodičovým třífázovým systémem?

Ano, ale pouze pokud zachováte pevné neutrální připojení a zajistíte, aby neutrál generátoru NEBYL spojen se zemí. Generátor musí fungovat jako nesamostatně odvozený systém. Nicméně pro hybridní solární systémy a instalace s ochranou RCD doporučuje VIOX 4-pólové konfigurace, aby se zabránilo zemním smyčkám a nežádoucímu vypínání.

Otázka: Proč můj systém s dělenou fází potřebuje 3-pólový přepínač?

Systémy s dělenou fází 120/240 V mají dva fázové vodiče (L1, L2), které musí být oba spínány, aby bylo možné správně napájet zátěže 240 V a udržovat vyvážené obvody 120 V. Standardní dvoupólový spínač spíná pouze jednu fázovou větev, takže polovina vašich obvodů 120 V a všechny zátěže 240 V jsou během přepínání bez napájení. Použijte 3P ATS konfigurovaný pro dělenou fázi, nebo lépe 4P ATS s přepínáním neutrálu.

Otázka: Co se stane, když spojím neutrál generátoru v 3-pólovém systému ATS?

Vytváříte nebezpečnou paralelní zemnící cestu. Pokud jsou nulové vodiče sítě i generátoru uzemněny a propojeny přes pevný nulový můstek, zemní poruchové proudy se mohou vracet kteroukoli cestou. To porušuje požadavky NEC 250.20, způsobuje nesprávnou funkci zemních ochranných prvků a vytváří cirkulující proudy mezi různými zemnicími elektrodami. Při použití 3P ATS vždy odstraňte propojení nulového vodiče generátoru se zemí.

Otázka: Jak zjistím, zda je můj systém dostatečně nevyvážený, aby způsobil problémy s ATS?

Změřte fázové proudy během normálního provozu pomocí klešťový měřič. Vypočítejte nevyváženost pomocí tohoto vzorce:

Nevyváženost % = (Maximální odchylka od průměru / Průměrný proud) × 100

Pokud nevyváženost překročí 20%, přerozdělte jednofázové zátěže mezi fáze nebo upravte nastavení vypnutí při nevyváženosti napětí ATS (pokud je to povoleno). Podívejte se na naše průvodce odstraňováním problémů s ATS pro podrobné postupy měření.

Otázka: Mohu dodatečně upravit 3pólový ATS na 4pólovou konfiguraci?

Ne. Mechanická konstrukce a uspořádání kontaktů jsou zásadně odlišné. Třípólový ATS má tři spínací kontakty plus pevnou neutrální přípojnici. Čtyřpólový ATS má čtyři nezávislé spínací kontakty. Upgrade vyžaduje kompletní výměnu ATS. VIOX nabízí služby modernizace s minimálními prostoji pro kritické aplikace – kontaktujte technickou podporu pro posouzení na místě.

Otázka: Potřebuji různé jističe pro 3P vs. 4P systémy ATS?

Na straně zdroje a na straně zátěže jističe by se měly shodovat s konfigurací pólů ATS. Pro 3P systémy ATS používejte 3pólové MCCB nebo ACBs. Pro 4P systémy ATS používejte 4pólové jističe, abyste zachovali úplnou izolaci zdroje. To je obzvláště důležité v solárních instalacích kde DC a AC systémy musí zůstat izolované.

---

VIOX Electric dodala od roku 2008 více než 15 000 automatických přepínačů průmyslovým a komerčním zákazníkům po celém světě. Náš inženýrský tým poskytuje bezplatné revize návrhů systémů pro projekty vyžadující specializované konfigurace ATS. Kontaktujte naši technickou podporu na [email protected] nebo navštivte naši kompletní produktovou řadu ATS pro specifikace a výkresy.