لماذا الطاقة ثلاثية الأطوار؟ لماذا لا تكون 6 أو 12 أو أكثر للنقل الكهربائي؟

من المعروف أن الأنظمة ذات الطور الواحد والثلاثة أطوار هي الأكثر شيوعًا في نقل وتوزيع الكهرباء وتطبيقات الاستخدام النهائي. بينما تخدم كلاهما كإطار أساسي لتزويد الطاقة، فإن الأنظمة الثلاثية الأطوار تقدم مزايا مميزة على نظيراتها ذات الطور الواحد.

وبشكل خاص، تجد الأنظمة متعددة الأطوار (مثل 6 أطوار، 12 طورًا، إلخ) تطبيقات محددة في الإلكترونيات القوية—خاصة في دوائر التحويل المستقيم ومحركات التردد المتغير (VFDs)—حيث تقلل بشكل فعال من الاهتزاز في الإخراج المستقيم المتدفق. كانت تحقيق التكوينات متعددة الأطوار (مثل 6 أو 9 أو 12 طورًا) يتطلب تقنيات تحويل الطور المعقدة أو مجموعات المحركات المولدة للتيار، ولكن هذه الأساليب تظل غير اقتصادية لنقل وتوزيع الطاقة على نطاق واسع عبر مسافات طويلة.

لماذا نظام ثلاثي الأطوار بدلاً من نظام طور واحد؟

الميزة الرئيسية لنظام الثلاثة أطوار على نظام الطور الواحد أو النظام الثنائي الأطوار هو أنه يمكننا نقل قدرة أكبر (مستمرة ومتوازنة).

القدرة في نظام الطور الواحد

• P =  V . I  . CosФ

القدرة في نظام الثلاثة أطوار

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … أو

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

حيث:

• P = القدرة بوحدة الواط

• V_L = الجهد الخطي

• I_L = التيار الخطي

• V_PH = جهد الطور

• I_PH = تيار الطور

• CosФ = معامل القدرة

من الواضح أن قدرة نظام الثلاثة أطوار أعلى بـ 1.732 (√3) مرة من نظام الطور الواحد. بالمقارنة، ينقل نظام الطورين 1.141 مرة أكثر من نظام الطور الواحد.

إن أحد المزايا الرئيسية لنظم الثلاثة أطوار هو المجال المغناطيسي الدوار (RMF)، الذي يمكّن المحركات الثلاثية الأطوار من البدء الذاتي ويضمن قوة فورية وعزم دوران ثابتين. على العكس، تعاني الأنظمة ذات الطور الواحد من عدم وجود مجال مغناطيسي دوار وتشهد قوة متذبذبة، مما يحد من أدائها في تطبيقات المحركات.

تقدم الأنظمة الثلاثية الأطوار أيضًا كفاءة نقل أفضل، مع تقليل فقدان الطاقة وانخفاض الجهد. على سبيل المثال، في دائرة مقاومة نموذجية:

نظام الطور الواحد

• فقدان الطاقة في خط النقل = 18I²r … (P = I²R)

• انخفاض الجهد في خط النقل = I.6r … (V = IR)

نظام الثلاثة أطوار

• فقدان الطاقة في خط النقل = 9I²r … (P = I²R)

• انخفاض الجهد في خط النقل = I.3r … (V = IR)

تبين أن انخفاض الجهد وفقدان الطاقة في نظام الثلاثة أطوار أقل بنسبة 50٪ مقارنة بنظام الطور الواحد.

يمكن لأنظمة الطورين، مثل أنظمة الثلاثة أطوار، توفير قوة مستمرة وإنتاج مجال مغناطيسي دوار (RMF) والعزم الثابت. ومع ذلك، فإن أنظمة الثلاثة أطوار تحمل قوة أكبر من أنظمة الطورين بسبب الطور الإضافي. هذا يثير السؤال: لماذا لا نستخدم المزيد من الأطوار مثل 6 أو 9 أو 12 أو 24 أو 48 وما إلى ذلك؟ سنناقش هذا بمزيد من التفصيل ونوضح كيف يمكن لنظام الثلاثة أطوار نقل قوة أكبر من نظام الطورين بنفس عدد الأسلاك.

لماذا ليس نظام الطورين؟

يمكن لأنظمة الطورين وأنظمة الثلاثة أطوار إنتاج مجالات مغناطيسية دوارة (RMF) وتوفير قوة وعزم ثابتين، لكن أنظمة الثلاثة أطوار تقدم ميزة رئيسية: قدرة أعلى. الطور الإضافي في التجهيزات الثلاثية الأطوار يسمح بنقل قوة أعلى بـ 1.732 مرة من أنظمة الطورين بنفس حجم الموصل.

تتطلب أنظمة الطورين عادة أربع أسلاك (اثنين من أسلاك الطور واثنين من الأوتاد) لإكمال الدائرة. استخدام الوتر المشترك لتشكيل نظام ثلاثي الأسلاك يقلل من الأسلاك، ولكن يجب أن يحمل الوتر التيار العائد المجمع من كلتا الطورين—ما يتطلب أسلاكًا أسمك (مثل النحاس) لتجنب التشوه الحراري. في المقابل، تستخدم أنظمة الثلاثة أطوار ثلاثة أسلاك للأحمال المتوازنة (تكوين دلتا) أو أربعة أسلاك للأحمال غير المتوازنة (تكوين نجمة)، مما يحسن تسليم الطاقة وكفاءة الموصل.

لماذا ليس نظام 6 أطوار أو 9 أطوار أو 12 طورًا؟

بينما يمكن لأنظمة الأطوار الأعلى تقليل خسائر النقل، إلا أنها ليست مقبولة على نطاق واسع بسبب القيود العملية:

• كفاءة الموصل: تستخدم أنظمة الثلاثة أطوار أقل عدد من الموصلات (3) لنقل قوة متوازنة، بينما سيحتاج نظام 12 طورًا إلى 12 موصلًا—مضاعفة تكلفة المواد والتركيب بأربع مرات.

• كبح التوافقيات: الزاوية الفاصلة 120° في أنظمة الثلاثة أطوار تلغي بشكل طبيعي التوافقيات الثالثة، مما يلغي الحاجة لمكونات التصفية المعقدة المطلوبة في أنظمة الأطوار الأعلى.

• تعقيد النظام: تتطلب الأنظمة متعددة الأطوار إعادة هندسة المكونات (المحوّلات، المفاتيح الكهربائية، المعدات الكهربائية) ومراكز التحويل الأكبر، مما يزيد من تعقيد التصميم وأعباء الصيانة.

• القيود العملية: تكون المحركات والمولدات التي تحتوي على أكثر من ثلاثة أطوار أكبر حجمًا وأصعب تبريدًا، بينما ستحتاج أبراج النقل إلى ارتفاع أكبر لاستيعاب المزيد من الأسلاك.

مزايا نظام الثلاثة أطوار

تناسب أنظمة الثلاثة أطوار التوازن الأمثل:

• تنقل 50٪ من قوة نظام الطور الواحد بنفس الموصلات، مما يقلل من الخسائر.

• تكوين الزاوية 120° يوازن الأحمال ويقمع التوافقيات دون تعقيد إضافي.

• تكيف مع تكوينات دلتا (الأحمال المتوازنة) وتكوينات النجمة (الأحمال غير المتوازنة)، مما يدعم احتياجات الطاقة المختلفة.

توفر الأنظمة متعددة الأطوار عائدات متناقصة—كل طور إضافي يرفع التكاليف بشكل كبير بينما يقدم فوائد هامشية. لهذا السبب، تبقى تكنولوجيا الثلاثة أطوار المعيار العالمي لنقل الطاقة، حيث توازن بين الكفاءة والبساطة والقابلية الاقتصادية.