برق سه فاز چیست؟ تفاوت مدار سه فاز با تک فاز

دو نوع سیستم در مدار های الکتریکی وجود دارد: سیستم تک فاز و سیستم سه فاز.

در مدار تک فاز فقط یک فاز وجود خواهد داشت و جریان فقط از طریق یک سیم عبور می کند و یک مسیر برگشتی به نام سیم خنثی (نول) برای تکمیل مدار وجود دارد. بنابراین در سیستم تک فاز حداقل مقدار توان جابجا می شود. در اینجا ایستگاه تولید و ایستگاه بار نیز تک فاز خواهند بود.

در سال 1882 اختراع جدیدی بر روی سیستم چند فازی انجام شد که می توان از بیش از یک فاز برای تولید، انتقال و برای سیستم بار استفاده کرد. مدار سه فاز یک سیستم چند فازی است که در آن سه فاز با هم از ژنراتور به بار ارسال می شوند.

در سیستم سه فاز، اختلاف فاز ۱۲۰ درجه بین فازها وجود دارد. توان در سیستم سه فاز پیوسته است زیرا هر سه فاز در تولید برق کل نقش دارند. امواج سینوسی برای سیستم 3 فاز در زیر نشان داده شده است:

هر یک از سه فاز را می توان به صورت تک فاز استفاده کرد. بنابراین اگر بار تک فاز باشد، می توان از مدار سه فاز، یک فاز گرفت و از نول به عنوان زمین برای تکمیل مدار استفاده کرد.

مزیت برق سه فاز نسبت به تک فاز

دلایل مختلفی برای این سوال وجود دارد زیرا سیستم سه فاز مزایای متعددی نسبت به سیستم تک فاز دارد. سیستم سه فاز می تواند به عنوان سه سیستم تک فاز عمل کند. عمل تولید سه فاز و تک فاز در ژنراتور یکسان است اما آرایش سیم پیچ در ژنراتور برای بدست آوردن اختلاف فاز 120 درجه متفاوت است. هادی مورد نیاز در مدار سه فاز 75 درصد هادی مورد نیاز در مدار تک فاز است. همچنین از روی منحنی سینوسی تک فاز می توان دید که توان لحظه ای در سیستم تک فاز به صفر می رسد اما در سیستم سه فاز تمامی فاز ها به بار توان می دهند.

تا به اینجا می توان گفت که سه منبع ولتاژ متصل به هم یک مدار سه فاز را تشکیل می دهند که در واقع درون ژنراتور وجود دارد. ژنراتور دارای سه منبع ولتاژ است که با هم در اختلاف فاز 120 درجه عمل می کنند. اگر بتوانیم سه مدار تک فاز را با اختلاف فاز 120 درجه تنظیم کنیم، آنگاه یک سیستم سه فاز خواهیم داشت. بنابراین 120 درجه اختلاف فاز باید وجود داشته باشد در غیر این صورت مدار کار نمی کند و بار سه فاز نمی تواند فعال شود و همچنین ممکن است باعث آسیب به سیستم شود.

اندازه یا مقدار فلز دستگاه های سه فاز تفاوت چندانی با دستگاه های تک فاز ندارد. بطور مثال اگر ترانسفورماتور را در نظر بگیریم، برای هر دو دستگاه تک فاز و سه فاز تقریباً یک اندازه خواهد بود زیرا ترانسفورماتور فقط پیوند شار را ایجاد می کند. بنابراین سیستم سه فاز بازده بالاتری نسبت به تک فاز خواهد داشت. همچنین تلفات در مدار سه فاز کمتر خواهد بود.  بنابراین در مجموع سیستم سه فاز راندمان بهتر و بالاتری نسبت به سیستم تک فاز خواهد داشت.

در مدار سه فاز، می توان دو نوع اتصال داشت:

1. اتصال ستاره
2. اتصال مثلث

یک اتصال مثلث باز نیز وجود دارد که در آن از دو ترانسفورماتور تک فاز برای تامین منبع تغذیه سه فاز استفاده می شود. این ها معمولاً فقط در شرایط اضطراری استفاده می شوند، زیرا بازده آن ها در مقایسه با سیستم های مثلث-مثلث (مثلث بسته) که در طول عملیات استاندارد استفاده می شوند پایین است.

اتصال ستاره سه فاز

در اتصال ستاره چهار سیم، سه سیم فاز و سیم چهارم خنثی (نول) است که از نقطه ستاره گرفته شده است. اتصال ستاره برای انتقال توان از راه دور ترجیح داده می شود زیرا دارای نقطه خنثی است. برای اینکه بدانیم‌ از کدام‌ اتصال برای انتقال توان از راه دور یا نزدیک استفاده می شود باید مفهوم جریان متعادل و نامتعادل را بیان کنیم.

هنگامی که جریان مساوی از هر سه فاز عبور کند، جریان متعادل نامیده می شود. زمانی که جریان عبوری از  فازها برابر نباشد، جریان نامتعادل است. در شرایط متعادل، جریانی از نول عبور نمی کند و از این رو از نول استفاده نمی شود. اما زمانی که جریان نامتعادلی در مدار سه فاز جریان دارد، نول نقش حیاتی دارد. جریان نامتعادل را به زمین می برد و از ترانسفورماتور محافظت می کند. جریان نامتعادل بر ترانسفورماتور ممکن است به ترانسفورماتور آسیب برساند و به همین خاطر اتصال ستاره برای انتقال از راه دور ترجیح داده می شود.

اتصال ستاره در زیر نشان داده شده است:

در اتصال ستاره، ولتاژ خط 3√ برابر ولتاژ فاز است. ولتاژ خط “ولتاژ بین دو فاز در مدار سه فاز” و ولتاژ فاز “ولتاژ بین یک فاز تا نول” است. در اتصال ستاره جریان خط و فاز باهم برابر است که به صورت زیر نشان داده می شود:

اتصال مثلث سه فاز

در اتصال مثلث سه سیم به تنهایی وجود دارد و سیم نول در نظر گرفته نمی شود. معمولاً اتصال مثلث برای مسافت کوتاه به دلیل مشکل جریان نامتعادل در مدار ترجیح داده می شود. شکل زیر اتصال مثلث را نشان می دهد. در ایستگاه بار، در صورت نیاز می توان از زمین به عنوان سیم خنثی (نول) استفاده کرد.

در اتصال مثلث، ولتاژ خط با ولتاژ فاز برابر است و جریان خط 3√ برابر جریان فاز است که به صورت زیر نشان داده می شود:

در یک مدار سه فاز، اتصال ستاره و مثلث را می توان به چهار روش مختلف ترکیب کرد:

1. اتصال ستاره – ستاره
2. اتصال ستاره – مثلت
3. اتصال مثلت – ستاره
4. اتصال مثلث – مثلث

توان مستقل از آرایش مدار سیستم سه فاز است. توان خالص در مدار در هر دو اتصال ستاره و مثلث یکسان خواهد بود. توان در مدار سه فاز را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

از آنجایی که سه فاز وجود دارد، بنابراین مضرب 3 را در معادله توان خواهیم داشت و PF ضریب توان است. ضریب توان یکی از فاکتورهای بسیار مهم در سیستم سه فاز است و در برخی مواقع به دلیل خطای خاصی با استفاده از خازن ها اصلاح می شود.