چرا برق سه‌فازی؟ چرا نه ۶، ۱۲ یا بیشتر برای انتقال برق

众所周ژ، فاز تک و سه‌فازی پرکاربردترین ساختارها برای انتقال، توزیع و کاربردهای نهایی برق هستند. در حالی که هر دو به عنوان چارچوب‌های اصلی تامین برق عمل می‌کنند، سیستم‌های سه‌فازی مزایای مشخصی نسبت به همتایان فاز تک خود دارند.

به طور قابل توجهی، سیستم‌های چندفازی (مانند ۶-فازی، ۱۲-فازی و غیره) کاربردهای خاصی در الکترونیک قدرت دارند - به ویژه در مدارهای مستطیلی و مبدل‌های فرکانس متغیر (VFDs) - که در آن‌ها با اثربخشی ریپل در خروجی‌های مستقیم متناوب را کاهش می‌دهند. دستیابی به سیستم‌های چندفازی (مانند ۶، ۹ یا ۱۲ فاز) در گذشته شامل تکنیک‌های پیچیده تغییر فاز یا مجموعه‌های موتور-ژنراتور بود، اما این رویکردها از لحاظ اقتصادی برای انتقال و توزیع برق در مقیاس بزرگ و در فواصل طولانی غیرقابل قبول هستند.

چرا سیستم سه‌فازی به جای سیستم تک‌فازی؟

مزیت اصلی سیستم سه‌فازی نسبت به سیستم تک‌فازی یا دو‌فازی این است که می‌توانیم بیشتر (ثابت و یکنواخت) قدرت انتقال دهیم.

قدرت در سیستم تک‌فازی

• P =  V . I  . CosФ

قدرت در سیستم سه‌فازی

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … یا

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

که:

• P = قدرت در وات

• V_L = ولتاژ خط

• I_L = جریان خط

• V_PH = ولتاژ فاز

• I_PH = جریان فاز

• CosФ = عامل قدرت

واضح است که ظرفیت قدرت سیستم سه‌فازی ۱.۷۳۲ (√3) برابر سیستم تک‌فازی است. به طور مقایسه، یک تأمین دو‌فازی ۱.۱۴۱ برابر قدرت بیشتر از یک سیستم تک‌فازی منتقل می‌کند.

یک مزیت کلیدی سیستم‌های سه‌فازی، میدان مغناطیسی چرخان (RMF) است که اجازه شروع خودکار در موتورهای سه‌فازی را می‌دهد و در عین حال قدرت و گشتاور ثابت را تضمین می‌کند. در مقابل، سیستم‌های تک‌فازی از RMF محروم هستند و قدرت موجی دارند که عملکرد آن‌ها را در کاربردهای موتوری محدود می‌کند.

سیستم‌های سه‌فازی همچنین کارایی انتقال برتری دارند، با کاهش زیاد قدرت و فروپاشی ولتاژ. به عنوان مثال، در یک مدار مقاومتی معمولی:

سیستم تک‌فازی

• اتلاف قدرت در خط انتقال = ۱۸I²r … (P = I²R)

• فروپاشی ولتاژ در خط انتقال = I.6r … (V = IR)

سیستم سه‌فازی

• اتلاف قدرت در خط انتقال = ۹I²r … (P = I²R)

• فروپاشی ولتاژ در خط انتقال = I.3r … (V = IR)

نشان داده شده است که فروپاشی ولتاژ و اتلاف قدرت در سیستم سه‌فازی ۵۰٪ کمتر از سیستم تک‌فازی است.

تأمین‌های دو‌فازی، مشابه سیستم‌های سه‌فازی، می‌توانند قدرت ثابت، میدان مغناطیسی چرخان (RMF) و گشتاور ثابت ایجاد کنند. با این حال، سیستم‌های سه‌فازی به دلیل فاز اضافه بیشتر قدرت را منتقل می‌کنند. این مسئله این سوال را مطرح می‌کند: چرا از فاز‌های بیشتری مانند ۶، ۹، ۱۲، ۲۴، ۴۸ و غیره استفاده نمی‌شود؟ ما این موضوع را به طور جامع مورد بحث قرار می‌دهیم و توضیح می‌دهیم که چگونه یک سیستم سه‌فازی می‌تواند بیشتر از یک سیستم دو‌فازی با تعداد مشابه سیم‌ها قدرت منتقل کند.

چرا نه دو‌فازی؟

هر دو سیستم دو‌فازی و سه‌فازی می‌توانند میدان‌های مغناطیسی چرخان (RMF) ایجاد کنند و قدرت و گشتاور ثابت فراهم کنند، اما سیستم‌های سه‌فازی مزیت کلیدی دارند: ظرفیت قدرت بالاتر. فاز اضافه در تنظیمات سه‌فازی اجازه می‌دهد ۱.۷۳۲ برابر قدرت بیشتر نسبت به سیستم‌های دو‌فازی با اندازه هادی یکسان منتقل شود.

سیستم‌های دو‌فازی معمولاً به چهار سیم (دو هادی فاز و دو نیوترال) برای تکمیل مدارها نیاز دارند. استفاده از یک نیوترال مشترک برای تشکیل یک سیستم سه‌سیمه کاهش سیم‌کشی را ایجاد می‌کند، اما نیوترال باید جریان‌های بازگشتی ترکیبی از هر دو فاز را حمل کند - نیازمند هادی‌های ضخیم‌تر (مانند مس) برای جلوگیری از گرم شدن است. در مقابل، سیستم‌های سه‌فازی از سه سیم برای بارهای متعادل (ساختار دلتا) یا چهار سیم برای بارهای نامتعادل (ساختار ستاره) استفاده می‌کنند، که ارسال قدرت و کارایی هادی را بهینه می‌کند.

چرا نه ۶-فازی، ۹-فازی یا ۱۲-فازی؟

در حالی که سیستم‌های با فاز بیشتر می‌توانند اتلاف انتقال را کاهش دهند، به دلیل محدودیت‌های عملی گسترده‌ای نیستند:

• کارایی هادی: سیستم‌های سه‌فازی از کمترین تعداد هادی (۳) برای ارسال قدرت متعادل استفاده می‌کنند، در حالی که یک سیستم ۱۲-فازی نیاز به ۱۲ هادی دارد - که میزان مواد و هزینه‌های نصب را چهار برابر می‌کند.

• کاهش هارمونیک: زاویه فاز ۱۲۰ درجه در سیستم‌های سه‌فازی به طور طبیعی جریان‌های هارمونیک سوم را لغو می‌کند، که نیاز به فیلترهای پیچیده در تنظیمات با فاز بیشتر را حذف می‌کند.

• پیچیدگی سیستم: سیستم‌های با فاز بیشتر نیاز به اجزای مجدداً مهندسی شده (تبدیل‌کننده‌ها، شکننده‌های مدار، تجهیزات مدارشکن) و زیرآستانه‌های بزرگتر دارند، که پیچیدگی طراحی و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهند.

• محدودیت‌های عملی: موتورها و ژنراتورها با بیش از سه فاز حجم بیشتری دارند و سخت‌تر خنک می‌شوند، در حالی که برج‌های انتقال نیاز به ارتفاع بیشتری برای جایگذاری هادی‌های بیشتر دارند.

مزیت سه‌فازی

سیستم‌های سه‌فازی تعادل بهینه‌ای را ایجاد می‌کنند:

• آن‌ها ۵۰٪ بیشتر قدرت را نسبت به سیستم‌های تک‌فازی با هادی‌های یکسان منتقل می‌کنند، که اتلاف را به حداقل می‌رساند.

• ساختار فاز ۱۲۰ درجه بارها را متعادل می‌کند و هارمونیک‌ها را بدون پیچیدگی اضافی کاهش می‌دهد.

• آن‌ها به هر دو ساختار دلتا (بارهای متعادل) و ستاره (بارهای نامتعادل) تطبیق می‌یابند، که نیازهای مختلف قدرت را پشتیبانی می‌کند.

سیستم‌های با فاز بیشتر بازدهی کاهشی دارند - هر فاز اضافه هزینه‌ها را به طور نمایی افزایش می‌دهد در حالی که منافع حاشیه‌ای ارائه می‌دهد. به این دلیل، فناوری سه‌فازی به عنوان استاندارد جهانی برای انتقال برق باقی می‌ماند، که کارایی، سادگی و امکانات اقتصادی را متعادل می‌کند.