तीन-फेज विद्युत क्यों? पावर ट्रांसमिशन के लिए 6, 12 या अधिक फेज क्यों नहीं?

विद्युत प्रसारण, वितरण और अंतिम उपयोग के लिए सिंगल-फेज और थ्री-फेज प्रणालियाँ सबसे अधिक प्रचलित विन्यास हैं। यद्यपि दोनों मौलिक विद्युत आपूर्ति ढांचे के रूप में कार्य करते हैं, फिर भी थ्री-फेज प्रणालियाँ अपने सिंगल-फेज प्रतिपक्षियों की तुलना में विशिष्ट लाभ प्रदान करती हैं।

उल्लेखनीय रूप से, बहु-फेज प्रणालियाँ (जैसे 6-फेज, 12-फेज, आदि) पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में विशिष्ट अनुप्रयोगों में पाई जाती हैं - विशेष रूप से रेक्टिफायर सर्किट और वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव (VFDs) में - जहाँ वे पल्सित DC आउटपुट में रिपल को प्रभावी रूप से कम करती हैं। बहु-फेज विन्यास (जैसे, 6, 9, या 12 फेज) प्राप्त करने के लिए ऐतिहासिक रूप से जटिल फेज-शिफ्टिंग तकनीकों या मोटर-जनरेटर सेट का उपयोग किया जाता था, लेकिन ये दृष्टिकोण बड़े पैमाने पर विद्युत प्रसारण और वितरण के लिए आर्थिक रूप से असंभव हैं।

एक-फेज आपूर्ति प्रणाली के बजाय 3-फेज क्यों?

थ्री-फेज का मुख्य लाभ एक-फेज या दो-फेज प्रणाली की तुलना में यह है कि हम अधिक (निरंतर और समान) शक्ति प्रसारित कर सकते हैं।

एक-फेज प्रणाली में शक्ति

• P =  V . I  . CosФ

थ्री-फेज प्रणाली में शक्ति

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … या

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

जहाँ:

• P = वाट में शक्ति

• V_L = लाइन वोल्टेज

• I_L = लाइन करंट

• V_PH = फेज वोल्टेज

• I_PH = फेज करंट

• CosФ = शक्ति गुणांक

यह स्पष्ट है कि थ्री-फेज प्रणाली की शक्ति क्षमता एक-फेज प्रणाली की तुलना में 1.732 (√3) गुना अधिक है। तुलना में, दो-फेज आपूर्ति एक-फेज विन्यास की तुलना में 1.141 गुना अधिक शक्ति प्रसारित करती है।

थ्री-फेज प्रणालियों का एक प्रमुख लाभ घूर्णी चुंबकीय क्षेत्र (RMF) है, जो थ्री-फेज मोटरों में स्व-आरंभ की सुविधा प्रदान करता है, साथ ही निरंतर तात्कालिक शक्ति और टोक की गारंटी देता है। इसके विपरीत, एक-फेज प्रणालियाँ RMF की कमी होने के कारण शक्ति में पल्सित रहती हैं, जिससे मोटर अनुप्रयोगों में उनकी प्रदर्शन क्षमता सीमित रहती है।

थ्री-फेज प्रणालियाँ शक्ति की अधिक प्रभावी प्रसारण की सुविधा भी प्रदान करती हैं, जिसमें शक्ति की हानि और वोल्टेज गिरावट कम होती है। उदाहरण के लिए, एक सामान्य रिझिस्टिव सर्किट में:

एक-फेज प्रणाली

• प्रसारण लाइन में शक्ति की हानि = 18I²r … (P = I²R)

• प्रसारण लाइन में वोल्टेज गिरावट = I.6r … (V = IR)

थ्री-फेज प्रणाली

• प्रसारण लाइन में शक्ति की हानि = 9I²r … (P = I²R)

• प्रसारण लाइन में वोल्टेज गिरावट = I.3r … (V = IR)

यह दिखाया गया है कि थ्री-फेज प्रणाली में वोल्टेज गिरावट और शक्ति की हानि एक-फेज प्रणाली की तुलना में 50% कम है।

दो-फेज आपूर्तियाँ, थ्री-फेज की तरह, निरंतर शक्ति प्रदान कर सकती हैं, घूर्णी चुंबकीय क्षेत्र (RMF) उत्पन्न कर सकती हैं, और निरंतर टोक प्रदान कर सकती हैं। हालाँकि, थ्री-फेज प्रणालियाँ अतिरिक्त फेज के कारण दो-फेज प्रणालियों की तुलना में अधिक शक्ति प्रसारित करती हैं। यह सवाल उठाया जाता है: 6, 9, 12, 24, 48, आदि जैसे अधिक फेजों का उपयोग क्यों नहीं किया जाता? हम इसकी विस्तृत चर्चा करेंगे और यह समझाएंगे कि एक थ्री-फेज प्रणाली किस प्रकार एक दो-फेज प्रणाली की तुलना में उसी संख्या के तारों के साथ अधिक शक्ति प्रसारित कर सकती है।

दो-फेज क्यों नहीं?

दो-फेज और थ्री-फेज दोनों प्रणालियाँ घूर्णी चुंबकीय क्षेत्र (RMF) उत्पन्न कर सकती हैं और निरंतर शक्ति और टोक प्रदान कर सकती हैं, लेकिन थ्री-फेज प्रणालियाँ एक प्रमुख लाभ प्रदान करती हैं: अधिक शक्ति क्षमता। थ्री-फेज सेटअप में अतिरिक्त फेज दो-फेज प्रणालियों की तुलना में 1.732 गुना अधिक शक्ति प्रसारित करने की सुविधा प्रदान करता है जब समान चालक का उपयोग किया जाता है।

दो-फेज प्रणालियाँ आम तौर पर चार तारों (दो फेज चालक और दो न्यूट्रल) की आवश्यकता होती है जो सर्किट को पूरा करते हैं। एक सामान्य न्यूट्रल का उपयोग करके तीन-तारीय प्रणाली बनाने से तारों की संख्या कम हो जाती है, लेकिन न्यूट्रल को दोनों फेजों से लौटने वाली संयुक्त धारा ले जानी पड़ती है - जिससे गर्मी से बचने के लिए गाढ़े चालक (जैसे, तांबा) की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, थ्री-फेज प्रणालियाँ संतुलित लोड (डेल्टा कॉन्फिगरेशन) के लिए तीन तारों या असंतुलित लोड (स्टार कॉन्फिगरेशन) के लिए चार तारों का उपयोग करती हैं, जिससे शक्ति प्रदान और चालक की दक्षता में सुधार होता है।

6-फेज, 9-फेज, या 12-फेज क्यों नहीं?

हालाँकि उच्च-फेज प्रणालियाँ प्रसारण हानि को कम कर सकती हैं, फिर भी वे व्यावहारिक सीमाओं के कारण व्यापक रूप से अपनाई नहीं जाती हैं:

• चालक की दक्षता: थ्री-फेज प्रणालियाँ संतुलित शक्ति प्रसारित करने के लिए कम से कम चालक (3) का उपयोग करती हैं, जबकि 12-फेज प्रणाली 12 चालकों की आवश्यकता होती है - जो सामग्री और स्थापना की लागत को चार गुना बढ़ा देती है।

• हार्मोनिक दमन: थ्री-फेज प्रणालियों में 120° फेज कोण तीसरे हार्मोनिक धाराओं को प्राकृतिक रूप से रद्द कर देता है, जिससे उच्च-फेज सेटअप में जटिल फिल्टरों की आवश्यकता नहीं होती।

• प्रणाली की जटिलता: उच्च-फेज प्रणालियाँ फिर से डिजाइन किए गए घटकों (ट्रांसफार्मर, सर्किट ब्रेकर, स्विचगियर) और बड़े सबस्टेशन की मांग करती हैं, जो डिजाइन की जटिलता और रखरखाव की लागत में वृद्धि करते हैं।

• व्यावहारिक सीमाएँ: तीन से अधिक फेजों वाले मोटर और जनरेटर अधिक जिस्मी और ठंडा करने में कठिन होते हैं, जबकि प्रसारण टावरों को अधिक तारों को समायोजित करने के लिए अधिक ऊंचाई की आवश्यकता होती है।

थ्री-फेज का लाभ

थ्री-फेज प्रणालियाँ एक इष्टतम संतुलन बनाती हैं:

• वे समान चालकों के साथ एक-फेज प्रणालियों की तुलना में 50% अधिक शक्ति प्रसारित करती हैं, जिससे हानि कम होती है।

• 120° फेज व्यवस्था लोडों को संतुलित करती है और जटिलता के बिना हार्मोनिकों को दमन करती है।

• वे डेल्टा (संतुलित लोड) और स्टार (असंतुलित लोड) दोनों सेटअपों को समर्थित करती हैं, जिससे विभिन्न शक्ति की आवश्यकताओं का समर्थन होता है।

उच्च-फेज प्रणालियाँ अतिरिक्त लाभों के लिए लागत को घातांकीय रूप से बढ़ाती हैं। इसी कारण से, थ्री-फेज तकनीक शक्ति प्रसारण के लिए वैश्विक मानक बनी हुई है, जो दक्षता, सरलता और आर्थिक योग्यता के बीच संतुलन बनाती है।