سه‌فازی برق | سیستم ستاره و دلتا

در سیستم‌های الکتریکی دو نوع سیستم موجود است، سیستم تک فاز و سیستم سه فاز. در مدار تک فاز فقط یک فاز وجود دارد، یعنی جریان فقط از یک سیم عبور می‌کند و یک مسیر بازگشت به نام خط متعادل برای تکمیل مدار وجود دارد. بنابراین در مدار تک فاز کمترین مقدار انرژی منتقل می‌شود. در اینجا ایستگاه تولید و ایستگاه بار هر دو تک فاز هستند. این یک سیستم قدیمی است که از زمان‌های پیش استفاده می‌شود.
در سال ۱۸۸۲، اختراع جدیدی روی سیستم چندفازی انجام شد که بیش از یک فاز برای تولید، انتقال و سیستم بار استفاده می‌شد. مدار سه فاز سیستم چندفازی است که سه فاز همزمان از ژنراتور به بار ارسال می‌شوند.

هر فاز دارای اختلاف فاز ۱۲۰°، یعنی ۱۲۰° اختلاف فاز الکتریکی است. بنابراین از مجموع ۳۶۰°، سه فاز به طور مساوی به ۱۲۰° تقسیم می‌شوند. قدرت در مدار سه فاز مداوم است زیرا همه سه فاز در تولید قدرت کلی شرکت دارند. موج‌های سینوسی برای سیستم سه فاز در زیر نشان داده شده است-
سه فاز می‌توانند به صورت جداگانه به عنوان مدار تک فاز استفاده شوند. بنابراین اگر بار تک فاز باشد، یک فاز از مدار سه فاز گرفته می‌شود و خط متعادل به عنوان زمین برای تکمیل مدار استفاده می‌شود.

چرا مدار سه فاز از مدار تک فاز ترجیح داده می‌شود؟

دلایل مختلفی برای این سوال وجود دارد زیرا مزایای متعددی نسبت به مدار تک فاز دارد. سیستم سه فاز می‌تواند به عنوان سه خط تک فاز استفاده شود و می‌تواند به عنوان سه سیستم تک فاز عمل کند. تولید سه فاز و تولید تک فاز در ژنراتور مشابه است به جز ترتیب سیم‌پیچ در ژنراتور برای بدست آوردن اختلاف فاز ۱۲۰°. رسانا لازم در مدار سه فاز ۷۵٪ رسانا لازم در مدار تک فاز است. همچنین قدرت لحظه‌ای در سیستم تک فاز به صفر می‌رسد زیرا در مدار تک فاز می‌توانیم از منحنی سینوسی ببینیم اما در سیستم سه فاز قدرت کلی از همه فازها قدرت مداومی به بار می‌دهد.

تا کنون می‌توانیم بگوییم که سه منبع ولتاژ به هم متصل شده‌اند تا یک مدار سه فاز تشکیل دهند و در واقع در داخل ژنراتور هستند. ژنراتور دارای سه منبع ولتاژ است که با اختلاف فاز ۱۲۰° همزمان عمل می‌کنند. اگر می‌توانیم سه مدار تک فاز با اختلاف فاز ۱۲۰° تنظیم کنیم، آنگاه به یک مدار سه فاز تبدیل خواهد شد. بنابراین اختلاف فاز ۱۲۰° الزامی است در غیر این صورت مدار کار نخواهد کرد، بار سه فاز قادر به دریافت قدرت فعال نخواهد بود و ممکن است به سیستم آسیب برساند.

حجم یا مقدار فلز دستگاه‌های سه فاز تفاوت زیادی ندارد. حالا اگر ترانسفورماتور را در نظر بگیریم، اندازه آن برای هر دو مدار تک فاز و سه فاز تقریباً مشابه خواهد بود زیرا ترانسفورماتور فقط پیوند فلوکس را ایجاد می‌کند. بنابراین سیستم سه فاز کارایی بالاتری نسبت به سیستم تک فاز خواهد داشت زیرا برای همان یا تفاوت کمی در جرم ترانسفورماتور، خطوط سه فاز خارج خواهند شد در حالی که در مدار تک فاز فقط یکی خواهد بود. و ضایعات در مدار سه فاز حداقل خواهد بود. بنابراین در نتیجه کلی سیستم سه فاز کارایی بهتر و بالاتری نسبت به سیستم تک فاز خواهد داشت.
در مدار سه فاز، اتصالات می‌توانند به دو نوع داده شوند:

1. اتصال ستاره‌ای

2. اتصال مثلثی

کمتر رایج، یک اتصال دلتا باز وجود دارد که در آن از دو ترانسفورماتور تک فاز برای ارائه تغذیه سه فاز استفاده می‌شود. این اتصالات عموماً فقط در شرایط اضطراری استفاده می‌شوند، زیرا کارایی آن‌ها در مقایسه با سیستم‌های دلتا-دلتا (دلتا بسته) (که در عملیات استاندارد استفاده می‌شوند) پایین است.

اتصال ستاره‌ای

در اتصال ستاره‌ای، چهار سیم وجود دارد، سه سیم فاز هستند و چهارم خط متعادل است که از نقطه ستاره گرفته می‌شود. اتصال ستاره‌ای برای انتقال قدرت در فواصل طولانی ترجیح داده می‌شود زیرا دارای نقطه متعادل است. در اینجا ما باید به مفهوم جریان متعادل و نامتعادل در سیستم قدرت بیاییم.

وقتی جریان مساوی در همه سه فاز جریان داشته باشد، آن را جریان متعادل می‌نامند. و وقتی جریان در هر یک از فازها مساوی نباشد، آن را جریان نامتعادل می‌نامند. در این حالت، در شرایط تعادلی جریانی از خط متعادل عبور نمی‌کند و بنابراین از ترمینال متعادل استفاده نمی‌شود. اما وقتی جریان نامتعادل در مدار سه فاز جریان داشته باشد، خط متعادل نقش مهمی دارد. جریان نامتعادل را از طریق زمین به خود می‌گیرد و ترانسفورماتور را محافظت می‌کند. جریان نامتعادل ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و ممکن است به آن آسیب برساند و به همین دلیل اتصال ستاره‌ای برای انتقال در فواصل طولانی ترجیح داده می‌شود.
اتصال ستاره‌ای در زیر نشان داده شده است-

در اتصال ستاره‌ای، ولتاژ خط √3 برابر ولتاژ فاز است. ولتاژ خط ولتاژ بین دو فاز در مدار سه فاز است و ولتاژ فاز ولتاژ بین یک فاز به خط متعادل است. و جریان برای هر دو خط و فاز یکسان است. این امر به صورت عبارت زیر نشان داده شده است

اتصال مثلثی

در اتصال مثلثی، فقط سه سیم وجود دارد و ترمینال متعادل گرفته نمی‌شود. معمولاً اتصال مثلثی برای فواصل کوتاه به دلیل مشکل جریان نامتعادل در مدار ترجیح داده می‌شود. شکل زیر برای اتصال مثلثی نشان داده شده است. در ایستگاه بار، اگر لازم باشد، زمین می‌تواند به عنوان مسیر متعادل استفاده شود.

در اتصال مثلثی، ولتاژ خط همانند ولتاژ فاز است. و جریان خط √3 برابر جریان فاز است. این امر به صورت عبارت زیر نشان داده شده است،

در مدار سه فاز، اتصال ستاره‌ای و مثلثی می‌توانند به چهار روش مختلف تنظیم شوند:

1. اتصال ستاره-ستاره

2. اتصال ستاره-مثلث

3. اتصال مثلث-ستاره

4. اتصال