سیستم سه فازی

تعریف و مشخصات سیستم‌های سه فاز

سیستم سه فاز به عنوان یک سیستم برقی شامل سه فاز تعریف می‌شود. در این ساختار، جریان الکتریکی از طریق سه سیم مجزا جریان می‌یابد، در حالی که یک سیم نوتروال به عنوان مسیری برای خروج ایمن جریان خطا به زمین عمل می‌کند. یا می‌توان آن را به عنوان یک سیستمی توصیف کرد که از سه سیم برای فرآیندهای تولید، انتقال و توزیع برق استفاده می‌کند. علاوه بر این، یک سیستم سه فاز می‌تواند به عنوان یک سیستم یک فاز با استخراج یکی از فازها همراه با سیم نوتروال عمل کند. در یک سیستم سه فاز متوازن، مجموع جریان‌های خط دقیقاً صفر است و فازها با اختلاف زاویه‌ای ۱۲۰ درجه از هم جدا شده‌اند.

یک سیستم سه فاز معمولاً از چهار سیم تشکیل شده است: سه هادی حمل‌کننده جریان و یک سیم نوتروال. قابل ذکر است که مساحت مقطع سیم نوتروال معمولاً نصف مساحت سیم‌های زنده است. جریان در سیم نوتروال برابر با مجموع برداری جریان‌های سه فاز است. از نظر ریاضی، این معادل √۳ برابر مؤلفه دنباله‌صفر جریان است.

سیستم‌های سه فاز مزایای متعدد و مهمی دارند. در مقایسه با سیستم‌های یک فاز، آنها نیاز به تعداد کمتری هادی دارند که هزینه‌های زیرساخت را کاهش می‌دهد. همچنین، آنها تامین برق پیوسته به بار را تضمین می‌کنند و قابلیت اطمینان خدمات برقی را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، سیستم‌های سه فاز به دلیل کارایی بالاتر و کاهش زیادی در تلفات انرژی در حین انتقال و عملکرد مشهور هستند.

ولتاژهای سه فاز در یک ژنراتور تولید می‌شوند که سه ولتاژ سینوسی با بزرگی و فرکانس یکسان ولی با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر ایجاد می‌کنند. این تنظیمات تامین برق بدون وقفه را فراهم می‌کنند. در صورت بروز اختلال در یکی از فازهای سیستم، دو فاز باقی‌مانده می‌توانند برق را ادامه دهند و خدمات برقی ضروری را حفظ کنند. باید توجه داشت که در یک سیستم سه فاز متوازن، بزرگی جریان در هر یک از فازها برابر با مجموع برداری جریان‌های دو فاز دیگر است که مطابق با اصول نظریه مدارهای الکتریکی است.

اختلاف فاز ۱۲۰ درجه بین سه فاز برای عملکرد صحیح و قابل اعتماد یک سیستم سه فاز بسیار مهم است. بدون این رابطه فازی دقیق، سیستم بسیار آسیب‌پذیر است که می‌تواند منجر به اختلال در تأمین برق، خرابی تجهیزات و خطرات احتمالی ایمنی شود.

نوع‌های اتصال در سیستم سه فاز

سیستم‌های سه فاز می‌توانند به دو روش اصلی پیکربندی شوند: اتصال ستاره‌ای و اتصال مثلثی. هر یک از این روش‌های اتصال ویژگی‌ها و کاربردهای متمایزی دارند که در زیر توضیح داده شده‌اند.

اتصال ستاره‌ای

اتصال ستاره‌ای، که به آن اتصال Y نیز گفته می‌شود، از چهار سیم استفاده می‌کند: سه هادی فاز و یک هادی نوتروال. این نوع اتصال به ویژه برای انتقال برق در فواصل دور مناسب است. وجود نقطه نوتروال یک مزیت کلیدی است. این نقطه به عنوان مسیری برای جریان‌های نامتوازن عمل می‌کند و اجازه می‌دهد آنها به ایمنی به زمین جریان یابند. با مدیریت موثر این جریان‌های نامتوازن، اتصال ستاره‌ای به حفظ تعادل کلی سیستم برقی کمک می‌کند، خطر بارگیری بیش از حد را کاهش می‌دهد و تأمین برق پایدار را در فواصل دور تضمین می‌کند.

در یک سیستم سه فاز متصل به صورت ستاره‌ای، دو سطح ولتاژ متفاوت در دسترس است: ۲۳۰ V و ۴۴۰ V. به طور خاص، ولتاژ اندازه‌گیری شده بین یک هادی فاز و نوتروال ۲۳۰ V است، در حالی که ولتاژ بین هر دو هادی فاز ۴۴۰ V است. این ویژگی دو-ولتاژی اتصال ستاره‌ای را برای کاربردهای مختلف برقی متنوع می‌کند که نیازهای خانگی با ولتاژ پایین و نیازهای صنعتی با ولتاژ بالاتر را برآورده می‌کند.

اتصال مثلثی

اتصال مثلثی، در مقابل، فقط از سه سیم استفاده می‌کند و نقطه نوتروال ندارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. یکی از ویژگی‌های تعریف‌کننده اتصال مثلثی این است که ولتاژ خط با ولتاژ فاز یکسان است. این پیکربندی در برخی مواقع سیستم برقی را ساده‌تر می‌کند، به ویژه وقتی عدم وجود یک سیم نوتروال قابل قبول است و طراحی سیستم از همترازی مستقیم ولتاژ خط و فاز سود می‌برد.

اتصال بارها در سیستم‌های سه فاز

در یک سیستم برقی سه فاز، بارها می‌توانند به صورت ستاره (Y) یا مثلث (Δ) متصل شوند. این دو روش اتصال ویژگی‌های الکتریکی و کاربردهای متمایزی دارند. نمودارهای زیر نحوه اتصال بارهای سه فاز در هر دو ترتیب مثلثی و ستاره‌ای را نشان می‌دهند و نمایش بصری واضحی از تفاوت‌های ساختاری و رفتارهای الکتریکی آنها فراهم می‌کنند.

در یک سیستم برقی سه فاز، بار می‌تواند به دو دسته متوازن یا نامتوازن تقسیم شود. یک بار سه فاز زمانی متوازن تلقی می‌شود که سه بار فردی (با مقاومت‌های نمایانگر) Z1، Z2 و Z3 هم در بزرگی و هم در زاویه فاز یکسان باشند. تحت شرایط متوازن، نه تنها ولتاژ‌های فازی بزرگی یکسان دارند، بلکه ولتاژ‌های خط نیز این ویژگی بزرگی یکسان را دارند. این تقارن در مقادیر ولتاژ و مقاومت منجر به عملکرد برقی پایدارتر و کارآمدتر می‌شود، تلفات انرژی را کاهش می‌دهد و توزیع یکنواخت انرژی برقی در سراسر سیستم را تضمین می‌کند.