برق سه فاز چیست؟

برق سه فاز چیست؟


برق سه فاز یک سامانه جریان متناوب است که در آن سه ولتاژ متناوب هم فرکانس و هم اندازه، با اختلاف فاز زمانی ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر تولید و منتقل می شوند. بنابراین سه فاز صرفا «سه سیم برق» نیست. ویژگی اصلی آن رابطه زمانی مشخص میان سه کمیت الکتریکی است. در یک سامانه متعادل، وقتی یکی از فازها به بیشینه مثبت خود می رسد، دو فاز دیگر در موقعیت های زمانی متفاوتی قرار دارند. همین توزیع منظم باعث می شود مجموع لحظه ای سه ولتاژ یا جریان فاز، در حالت متعادل صفر باشد.


✓ چرا سه فاز ساخته شد؟

مزیت اصلی سه فاز در انتقال و تبدیل انرژی الکتریکی است. در سامانه تک فاز، توان لحظه ای بار متناوب می تواند به طور قابل توجهی نوسان کند. اما در سامانه سه فاز متعادل، مجموع توان لحظه ای سه فاز تقریبا ثابت می ماند.
نتیجه این ویژگی:
• انتقال یکنواخت تر انرژی
• استفاده بهتر از ظرفیت هادی ها
• تولید میدان مغناطیسی چرخان
• عملکرد مناسب موتورهای الکتریکی
• کاهش نوسان توان مکانیکی در موتور
• امکان انتقال توان بالا با ساختار اقتصادی تر
است.


✓ چرا اختلاف فاز دقیقا ۱۲۰ درجه است؟
سه فاز باید در یک دوره کامل زمانی، به صورت یکنواخت در اطراف چرخه توزیع شوند. یک دوره کامل برابر ۳۶۰ درجه است؛ بنابراین فاصله مساوی میان سه فاز ۱۲۰ درجه خواهد بود. این آرایش باعث ایجاد یک سامانه متقارن می شود. در حالت متعادل، سه جریان فاز نیز از نظر اندازه برابر و از نظر فاز نسبت به یکدیگر ۱۲۰ درجه فاصله دارند؛ بنابراین اثر مجموع آنها در سیم خنثی حذف می شود. این ویژگی امکان استفاده از چهار سیم برای تغذیه بارهای سه فاز و تک فاز را فراهم می کند؛ سه فاز به همراه سیم خنثی.


✓ اتصال ستاره و مثلث
دو آرایش اصلی اتصال بارها و سیم پیچ ها در سامانه سه فاز عبارت اند از:
اتصال ستاره: یک سر هر سه سیم پیچ به یک نقطه مشترک متصل می شود. این نقطه می تواند به عنوان نقطه خنثی استفاده شود.
اتصال مثلث: سه سیم پیچ به شکل یک حلقه بسته به یکدیگر متصل می شوند و نقطه خنثی طبیعی ندارند.
تفاوت این دو آرایش فقط شکلی نیست؛ رابطه میان ولتاژ و جریان، قابلیت اتصال به خنثی و رفتار سامانه در برابر بار نامتعادل نیز تغییر می کند.


✓ ولتاژ فازی و ولتاژ خطی
یکی از مهم ترین نکات در سیستم سه فاز، تفاوت میان ولتاژ فاز نسبت به خنثی و ولتاژ میان دو فاز است. در سامانه متعادل ستاره، ولتاژ میان دو فاز از نظر اندازه بزرگ تر از ولتاژ هر فاز نسبت به خنثی است. این اختلاف از جمع برداری دو ولتاژ با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه ناشی می شود، نه از جمع ساده عددی آنها. به همین دلیل در شبکه های سه فاز معمولا دو مقدار ولتاژ نامی مشاهده می شود؛ یکی برای فاز و دیگری برای خط.

✓ توان سه فاز
در بار متعادل، توان حقیقی سه فاز از مجموع توان سه فاز تشکیل می شود. مزیت مهم اینجاست که برخلاف یک مدار تک فاز، مجموع توان لحظه ای سه فاز متعادل تقریبا ثابت است. این ویژگی برای موتورهای الکتریکی اهمیت ویژه ای دارد؛ زیرا میدان مغناطیسی ایجادشده توسط سه جریان فاز می تواند به صورت پیوسته در فضا بچرخد. موتور سه فاز در نتیجه این میدان چرخان، بدون نیاز به ایجاد میدان چرخان با سازوکار پیچیده اضافی، گشتاور یکنواخت تری تولید می کند.


✓ چرا موتور سه فاز اهمیت دارد؟
سه جریان با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه که از سیم پیچ های فضایی مناسب عبور می کنند، میدان مغناطیسی چرخانی ایجاد می کنند. سرعت این میدان به فرکانس شبکه و تعداد قطب های موتور وابسته است. در موتور القایی، میدان چرخان نسبت به روتور حرکت نسبی ایجاد می کند و همین اختلاف حرکت باعث القای جریان در روتور و تولید گشتاور می شود. بنابراین سه فاز فقط یک روش انتقال برق نیست؛ مستقیما به یک روش کارآمد برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی مرتبط است.

✓ اگر بارها متعادل نباشند چه می شود؟
در حالت ایده آل، سه بار فاز باید از نظر مشخصات الکتریکی یکسان باشند. اما در شبکه واقعی ممکن است بارها نامتعادل شوند. در این حالت جریان های سه فاز دیگر یکدیگر را کاملا خنثی نمی کنند و اگر سیم خنثی وجود داشته باشد، جریان می تواند از آن عبور کند.
نامتعادلی می تواند باعث:
• افزایش جریان یکی از فازها
• افت یا جابه جایی ولتاژ فازها
• افزایش تلفات
• گرم شدن موتور
• کاهش کیفیت توان
• ایجاد گشتاور نامطلوب در ماشین های الکتریکی
شود.
به همین دلیل تعادل بار میان سه فاز یکی از مسائل مهم بهره برداری شبکه است.


✓ چرا سه فاز برای انتقال توان مناسب است؟
برای انتقال یک توان مشخص، افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان موردنیاز می شود. کاهش جریان نیز تلفات گرمایی هادی ها را کاهش می دهد. سه فاز امکان انتقال توان زیاد را با استفاده موثر از هادی ها فراهم می کند و به همین دلیل ساختار اصلی بسیاری از شبکه های تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی را تشکیل می دهد.


برق سه فاز یک سامانه متقارن از سه کمیت متناوب هم فرکانس با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه است. اهمیت آن از خود عدد «سه» ناشی نمی شود؛ بلکه از تقارن زمانی و فضایی، جمع برداری کمیت ها و توزیع یکنواخت انرژی ناشی می شود.
همین ساختار سه نتیجه مهم ایجاد می کند:
انتقال موثر توان، توان لحظه ای تقریبا ثابت در حالت متعادل و ایجاد میدان مغناطیسی چرخان.
به همین دلیل سه فاز به یکی از پایه های اصلی شبکه های قدرت و محرکه های صنعتی تبدیل شده است.
درک صحیح سه فاز نیز مستلزم تفکیک دقیق ولتاژ فاز، ولتاژ خط، جریان فاز، جریان خط، اتصال ستاره، اتصال مثلث و تعادل بار است؛ زیرا بسیاری از خطاهای تحلیل سیستم های قدرت از مخلوط کردن همین مفاهیم ناشی می شوند.