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

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

به طور قابل توجهی، سیستم‌های چندفاز (مانند ۶-فاز، ۱۲-فاز و غیره) کاربردهای خاصی در الکترونیک قدرت دارند - به ویژه در مدارهای مستطیل‌ساز و درایوهای فرکانس متغیر (VFDs) - جایی که به طور موثری نوسانات در خروجی DC را کاهش می‌دهند. دستیابی به ساختارهای چندفاز (مثلاً ۶، ۹ یا ۱۲ فاز) تاریخیاً شامل تکنیک‌های پیچیده جابجایی فاز یا مجموعه‌های موتور-ژنراتور بوده است، اما این رویکردها از نظر اقتصادی برای انتقال و توزیع برق در مقیاس بزرگ و برای فواصل طولانی عملی نیستند.

چرا سیستم سه‌فاز به جای سیستم تک‌فاز؟

مزیت اصلی سیستم سه‌فاز نسبت به سیستم تک‌فاز یا دو‌فاز این است که می‌توانیم بیشتر (پایدار و یکنواخت) توان را منتقل کنیم.

توان در سیستم تک‌فاز

• P =  V . I  . CosФ

توان در سیستم سه‌فاز

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … یا

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

که:

• P = توان به وات

• V_L = ولتاژ خط

• I_L = جریان خط

• V_PH = ولتاژ فاز

• I_PH = جریان فاز

• CosФ = عامل توان

آشکار است که ظرفیت توان سیستم سه‌فاز ۱.۷۳۲ (√3) برابر با سیستم تک‌فاز است. در مقایسه، یک تأمین دو‌فاز ۱.۱۴۱ برابر توان بیشتری نسبت به یک سیستم تک‌فاز منتقل می‌کند.

یکی از مزایای کلیدی سیستم‌های سه‌فاز این است که میدان مغناطیسی چرخان (RMF) را ایجاد می‌کنند که اجازه شروع خودکار در موتورهای سه‌فاز را می‌دهد در حالی که تضمین می‌کند که توان و گشتاور لحظه‌ای ثابت باشد. در مقابل، سیستم‌های تک‌فاز RMF ندارند و توان نوسانی دارند که عملکرد آن‌ها در کاربردهای موتور را محدود می‌کند.

سیستم‌های سه‌فاز همچنین کارایی انتقال برتری دارند، با کاهش زیادی در ضرر توان و سقوط ولتاژ. به عنوان مثال، در یک مدار مقاومتی معمولی:

سیستم تک‌فاز

• ضرر توان در خط انتقال = 18I²r … (P = I²R)

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

سیستم سه‌فاز

• ضرر توان در خط انتقال = 9I²r … (P = I²R)

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

نشان داده شده است که سقوط ولتاژ و ضرر توان در سیستم سه‌فاز ۵۰٪ کمتر از سیستم تک‌فاز است.

تأمین‌های دو‌فاز، مشابه با سیستم‌های سه‌فاز، می‌توانند توان ثابت، میدان مغناطیسی چرخان (RMF) و گشتاور ثابت ایجاد کنند. با این حال، سیستم‌های سه‌فاز به دلیل فاز اضافی بیشتر توان منتقل می‌کنند. این موضوع این سوال را مطرح می‌کند: چرا نه فازهای بیشتری مانند ۶، ۹، ۱۲، ۲۴، ۴۸ و غیره؟ ما این موضوع را به طور جامع بحث خواهیم کرد و توضیح خواهیم داد که چگونه یک سیستم سه‌فاز می‌تواند بیشتر توان را نسبت به یک سیستم دو‌فاز با همان تعداد سیم منتقل کند.

چرا نه دو‌فاز؟

هر دو سیستم دو‌فاز و سه‌فاز می‌توانند میدان مغناطیسی چرخان (RMF) و توان و گشتاور ثابت ایجاد کنند، اما سیستم‌های سه‌فاز مزیت کلیدی دارند: ظرفیت توان بالاتر. فاز اضافی در تنظیمات سه‌فاز امکان انتقال ۱.۷۳۲ برابر توان بیشتر را نسبت به سیستم‌های دو‌فاز با همان اندازه رسانا فراهم می‌کند.

سیستم‌های دو‌فاز معمولاً به چهار سیم (دو رسانای فاز و دو نیوترال) برای تکمیل مدار نیاز دارند. استفاده از یک نیوترال مشترک برای تشکیل یک سیستم سه‌سیمه نیاز به سیم‌کشی را کاهش می‌دهد، اما نیوترال باید جریان‌های بازگشتی ترکیبی از هر دو فاز را حمل کند - نیاز به رسانا‌های ضخیم‌تر (مثلاً مس) برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد. در مقابل، سیستم‌های سه‌فاز از سه سیم برای بارهای متعادل (تهیه دلتا) یا چهار سیم برای بارهای نامتقارن (تهیه ستاره) استفاده می‌کنند، که ارسال توان و کارایی رسانا را بهینه می‌کند.

چرا نه ۶-فاز، ۹-فاز یا ۱۲-فاز؟

در حالی که سیستم‌های با فازهای بیشتر می‌توانند ضرر انتقال را کاهش دهند، به دلیل محدودیت‌های عملی گسترده‌ای پذیرفته نشده‌اند:

• کارایی رسانا: سیستم‌های سه‌فاز کمترین تعداد رسانا (۳) را برای انتقال توان متعادل استفاده می‌کنند، در حالی که یک سیستم ۱۲-فاز به ۱۲ رسانا نیاز دارد - چهار برابر کردن هزینه مواد و نصب.

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

• پیچیدگی سیستم: سیستم‌های با فازهای بیشتر نیاز به مولفه‌های مجدد مهندسی (ترانسفورماتورها، برش‌های مدار، تجهیزات تبدیل) و زیرایستگاه‌های بزرگ‌تر دارند، که پیچیدگی طراحی و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهد.

• محدودیت‌های عملی: موتورها و ژنراتورها با بیش از سه فاز بزرگ‌تر و سخت‌تر خنک‌سازی می‌شوند، در حالی که برج‌های انتقال باید ارتفاع بیشتری برای جایگذاری رساناهای بیشتر داشته باشند.

مزیت سیستم سه‌فاز

سیستم‌های سه‌فاز تعادل بهینه‌ای دارند:

• آن‌ها ۵۰٪ توان بیشتر از سیستم‌های تک‌فاز با همان رسانا منتقل می‌کنند، که ضرر را به حداقل می‌رساند.

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

• آن‌ها به هر دو تنظیمات دلتا (بارهای متعادل) و ستاره (بارهای نامتقارن) تطبیق می‌یابند، که نیازهای متنوع توان را پشتیبانی می‌کند.

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