למה חשמל תלת-פאזה? למה לא 6, 12 או יותר עבור העברת חשמל?

ידוע כי מערכות חד-שלביות ושלוש-שלביות הן המבניות הנפוצות ביותר להעברת חשמל, הפצה ושימוש סופי. אם כי שתיהן משמשות כמסגרות בסיסיות לספק חשמל, מערכות שלוש-שלביות מציעות יתרונות מובהקים לעומת מקבילותיהן החד-שלביות.

במיוחד, מערכות רב-שלביות (כמו שישה-שלביות, שנים-עשר-שלביות וכדומה) מוצאים שימושים מיוחדים באלקטרוניקה חזקה - במיוחד במעגלים של מתחם זרם ישר ובממראי תדר משתנה (VFDs) - בהם הם מפחיתים באופן יעיל את הגלים בפלט זרם ישר פולסנטי. השגת מבניות רב-שלביות (לדוגמה, שש, תשע או שנים-עשר שלבים) כללה בעבר טכניקות הזזה שלבנית מורכבות או מערכות מנוע-גנרטור, אך גישות אלו נותרו לא כלכליות עבור העברת חשמל בשקלה גדול ומפוזרת על פני מרחקים ארוכים.

מדוע מערכת שלוש-שלבית במקום מערכת חד-שלבית?

היתרון העיקרי של מערכת שלוש-שלבית מול מערכת חד-שלבית או דו-שלבית הוא שהן מאפשרות העברה של יותר (קבועה ו האחידה) עוצמה.

עוצמה במערכת חד-שלבית

• P =  V . I  . CosФ

עוצמה במערכת שלוש-שלבית

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … או

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

כאשר:

• P = עוצמה בוואט

• V_L = מתח קו

• I_L = זרם קו

• V_PH = מתח שלב

• I_PH = זרם שלב

• CosФ = מקדם כוח

ברור שעוצמת הכוח של מערכת שלוש-שלבית גבוהה פי 1.732 (√3) מהעוצמה של מערכת חד-שלבית. בהשוואה, מערכת דו-שלבית מעבירה 1.141 פעמים יותר עוצמה מאשר קונפיגורציה חד-שלבית.

יתרון מרכזי של מערכות שלוש-שלביות הוא השדה המגנטי הסובב (RMF), המאפשר התחלת עצמית במנועים שלוש-שלביים תוך שמירה על עוצמה מיידית קבועה ומומנט. לעומת זאת, מערכות חד-שלביות חסרות RMF ומציגות עוצמה פולסנטית, המגבילה את הביצועים שלהן במשימות מנוע.

מערכות שלוש-שלביות מציעות גם יעילות העברה טובה יותר, עם אובדן עוצמה מופחת וירידה מתח. למשל, במעגל 저ومة טיפוסי:

מערכת חד-שלבית

• אובדן עוצמה בקו ההעברה = 18I²r … (P = I²R)

• ירידה במתח בקו ההעברה = I.6r … (V = IR)

מערכת שלוש-שלבית

• אובדן עוצמה בקו ההעברה = 9I²r … (P = I²R)

• ירידה במתח בקו ההעברה = I.3r … (V = IR)

הוכח כי ירידת המתח ואובדן העוצמה במערכת שלוש-שלבית הם נמוכים ב-50% מאלו במערכת חד-שלבית.

מערכות דו-שלביות, דומות למערכות שלוש-שלביות, יכולות לספק עוצמה קבועה, ליצור שדה מגנטי סובב (RMF) ולהציע מומנט קבוע. עם זאת, מערכות שלוש-שלביות מעבירות יותר עוצמה מאשר מערכות דו-שלביות בשל השלב הנוסף. זה מעלה את השאלה: מדוע לא להשתמש בשלבים נוספים כמו 6, 9, 12, 24, 48 וכדומה? נדון בעניין זה בפירוט ונסביר כיצד מערכת שלוש-שלבית יכולה להעביר יותר עוצמה מאשר מערכת דו-שלבית עם אותו מספר קווי העברה.

מדוע לא דו-שלבית?

cả מערכות דו-שלביות ושלוש-שלביות יכולות ליצור שדות מגנטיים מסובבים (RMF) ולספק עוצמה ומומנט קבועים, אך מערכות שלוש-שלביות מציעות יתרון מרכזי: עוצמת כוח גבוהה יותר. השלב הנוסף במערכות שלוש-שלביות מאפשר העברה של 1.732 פעמים יותר עוצמה מאשר מערכות דו-שלביות עם אותו גודל מוליך.

מערכות דו-שלביות דורשות בדרך כלל ארבעה קווים (שני מוליכים שלביים ושניים ניטרלים) כדי לסיים מעגלים. שימוש בניטראל משותף כדי ליצור מערכת של שלושה קווים מפחית את הקישוט, אבל הניטראל חייב לשאת את הזרמים המשולבים החוזרים משני השלבים - הדורש מוליכים עבים יותר (למשל, נחושת) כדי למנוע חימום יתר. לעומת זאת, מערכות שלוש-שלביות משתמשות בשלושה קווים עבור טענות מאוזנות (קונפיגורציה דלתא) או ארבעה קווים עבור טענות לא מאוזנות (קונפיגורציה כוכב), והופכות את ההעברה של הכוח והיעילות של המוליכים.

מדוע לא שישה-שלביות, תשע-שלביות, או שנים-עשר-שלביות?

אם כי מערכות רב-שלביות יכולות להפחית אובדן העברה, הן אינן נפוצות בשל מגבלות מעשיות:

• יעילות מוליכים: מערכות שלוש-שלביות משתמשות במספר המוליכים הקטן ביותר (3) להעברת עוצמה מאוזנת, בעוד מערכת של שנים-עשר-שלביות תצטרך 12 מוליכים - מכפילה את עלויות החומר וההתקנה.

• דיכוי הרמוניות: הזוית של 120° במערכות שלוש-שלביות מבטיחה ביעילות ביטול זרמים הרמוניים שלישיים, מה שהופך את הצורך בפילטרים מורכבים הנדרשים במערכות רב-שלביות לאחדים לחינם.

• מורכבות המערכת: מערכות רב-שלביות דורשות רכיבים מחודשים (トランスフォーマー、回路遮断器、スイッチギア)とより大きな変電所が必要になり、設計の複雑さとメンテナンスの負担が増加します。

• 実用的な制約: 三相以上のモーターと発電機は大型で冷却が難しく、送電塔もより多くの導線を収容するためには高い高さが必要になります。

三相系统的优点

三相系统达到了最佳平衡：

• 它们比单相系统在相同导体下传输多50%的功率，减少了损耗。

• 120°相位配置平衡了负载并抑制了谐波，无需增加复杂性。

• 它们适应三角形（平衡负载）和星形（不平衡负载）设置，支持多样化的电力需求。

多相系统提供的回报递减——每个额外的相位都会成倍增加成本，而带来的好处却微乎其微。因此，三相技术仍然是全球电力传输的标准，平衡了效率、简单性和经济可行性。