مدار سه فاز | سیستم ستاره و دلتا

در مدار 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 میانه برای کامل کردن مدار وجود دارد. بنابراین در مدار تک فاز، حداقل مقدار انرژی قابل حمل است. 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 در سیستم چندفازی انجام شد که بیش از یک فاز را برای تولید، انتقال و بار سیستم می‌توان استفاده کرد. مدار سه فاز یک سیستم چندفازی است که سه فاز همزمان از ژنراتور به بار ارسال می‌شوند.

هر فاز یک اختلاف فاز ۱۲۰o دارد، یعنی ۱۲۰o اختلاف فاز الکتریکی. بنابراین از مجموع ۳۶۰o، سه فاز به صورت مساوی به ۱۲۰o تقسیم می‌شوند. قدرت در سیستم سه فاز مداوم است زیرا هر سه فاز در تولید قدرت کل نقش دارند. نمودارهای 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 میانه به عنوان زمین برای کامل کردن مدار استفاده می‌شود.

چرا سیستم سه فاز به سیستم تک فاز ترجیح داده می‌شود؟

دلایل مختلفی برای این سوال وجود دارد زیرا مزایای زیادی نسبت به مدار تک فاز وجود 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 تک فاز در ژنراتور یکسان است به جز ترتیب سیم‌پیچ‌ها در ژنراتور برای به دست آوردن اختلاف فاز ۱۲۰o. رسانا مورد نیاز در مدار سه فاز ۷۵٪ رسانای مورد نیاز در مدار تک فاز است. همچنین قدرت لحظه‌ای در سیستم تک فاز به صفر می‌رسد که می‌توان از منحنی سینوسی مشاهده کرد، اما در سیستم سه فاز قدرت کل از همه فازها قدرت مداومی را 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 سه منبع ولتاژ دارد که با اختلاف فاز ۱۲۰o همکاری می‌کنند. اگر بتوانیم سه مدار تک فاز با اختلاف فاز ۱۲۰o تنظیم کنیم، آنگاه به یک مدار سه فاز تبدیل خواهد شد. بنابراین اختلاف فاز ۱۲۰o الزامی است در غیر این صورت مدار کار نخواهد کرد، بار سه فاز قادر به گرفتن قدرت فعال نخواهد بود و ممکن است به سیستم آسیب برساند.

اندازه یا مقدار فلز دستگاه‌های سه فاز تفاوت زیادی ندارد. حالا اگر ترانسفورماتور را در نظر بگیریم، اندازه آن برای هر دو سیستم تک فاز و سه فاز تقریباً یکسان 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، خط سه فاز خروجی خواهد بود در حالی که در سیستم تک فاز فقط یک خط خواهد بود. و ضایعات در مدار سه فاز کمتر 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 انجام شوند:

1. اتصال ستاره‌ای

2. اتصال مثلثی

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

اتصال ستاره‌ای

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

وقتی جریان مساوی در هر 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 میانه عبور نمی‌کند و بنابراین استفاده از ترمینال میانه لازم نیست. اما وقتی جریان نامتعادل در مدار سه فاز جریان داشته باشد، خط میانه نقش مهمی دارد. این خط جریان نامتعادل را از طریق زمین می‌برد و ترانسفورماتور را محافظت می‌کند. جریان نامتعادل ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و ممکن است آن را آسیب ببیند 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 میانه است. و جریان برای هر دو خط و فاز یکسان است. این رابطه به صورت زیر نشان داده شده است

اتصال مثلثی

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

در اتصال مثلثی، ولتاژ خط همان ولتاژ فاز است. و جریان خط √3 برابر جریان فاز است. این رابطه به صورت 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. پاداش