Mengapa Listrik 3 Fasa? Mengapa Bukan 6, 12, atau Lebih untuk Transmisi Listrik?

Dikenal luas bahwa sistem fase tunggal dan tiga fase merupakan konfigurasi yang paling umum untuk transmisi, distribusi, dan aplikasi penggunaan akhir listrik. Meskipun keduanya berfungsi sebagai kerangka dasar penyediaan daya, sistem tiga fase menawarkan keunggulan tertentu dibandingkan dengan sistem fase tunggal.

Secara khusus, sistem multi-fase (seperti 6-fase, 12-fase, dll.) memiliki aplikasi spesifik dalam elektronika daya—terutama pada sirkuit rektifikasi dan penggerak frekuensi variabel (VFDs)—di mana mereka secara efektif mengurangi ripple pada output DC pulsa. Mencapai konfigurasi multi-fase (misalnya, 6, 9, atau 12 fase) secara historis melibatkan teknik pergeseran fase yang kompleks atau set motor-generator, tetapi pendekatan-pendekatan ini tetap ekonomis tidak layak untuk transmisi dan distribusi daya berskala besar jarak jauh.

Mengapa Sistem Tiga Fase Daripada Sistem Satu Fase?

Keuntungan utama dari sistem tiga fase dibandingkan sistem satu fase atau dua fase adalah kita dapat mentransmisikan lebih banyak (konstan dan seragam) daya.

Daya dalam Sistem Satu Fase

• P =  V . I  . CosФ

Daya dalam Sistem Tiga Fase

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Atau

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Di mana:

• P = Daya dalam Watt

• V_L = Tegangan Garis

• I_L = Arus Garis

• V_PH = Tegangan Fase

• I_PH = Arus Fase

• CosФ = Faktor Daya

Jelas bahwa kapasitas daya sistem tiga fase 1,732 (√3) kali lebih tinggi dibandingkan sistem satu fase. Dalam perbandingan, pasokan dua fase mentransmisikan 1,141 kali lebih banyak daya daripada konfigurasi satu fase.

Keuntungan utama dari sistem tiga fase adalah medan magnet berputar (RMF), yang memungkinkan self-starting pada motor tiga fase sambil memastikan daya dan torsi instan yang konstan. Sebaliknya, sistem satu fase tidak memiliki RMF dan menunjukkan daya pulsa, membatasi kinerjanya dalam aplikasi motor.

Sistem tiga fase juga menawarkan efisiensi transmisi yang superior, dengan penurunan hilang daya dan drop tegangan. Misalnya, dalam rangkaian resistif:

Sistem Satu Fase

• Hilang daya pada garis transmisi = 18I²r … (P = I²R)

• Drop tegangan pada garis transmisi = I.6r … (V = IR)

Sistem Tiga Fase

• Hilang daya pada garis transmisi = 9I²r … (P = I²R)

• Drop tegangan pada garis transmisi = I.3r … (V = IR)

Terlihat bahwa drop tegangan dan hilang daya pada sistem tiga fase 50% lebih rendah dibandingkan sistem satu fase.

Pasokan dua fase, mirip dengan tiga fase, dapat menyediakan daya konstan, menghasilkan RMF (medan magnet berputar), dan menawarkan torsi konstan. Namun, sistem tiga fase membawa lebih banyak daya daripada sistem dua fase karena adanya fase tambahan. Ini mengundang pertanyaan: mengapa tidak menggunakan lebih banyak fase seperti 6, 9, 12, 24, 48, dll.? Kita akan membahas ini secara detail dan menjelaskan bagaimana sistem tiga fase dapat mentransmisikan lebih banyak daya daripada sistem dua fase dengan jumlah kabel yang sama.

Mengapa Bukan Dua Fase?

Baik sistem dua fase maupun tiga fase dapat menghasilkan medan magnet berputar (RMF) dan menyediakan daya serta torsi yang konstan, tetapi sistem tiga fase menawarkan keunggulan utama: kapasitas daya yang lebih tinggi. Fase tambahan dalam setup tiga fase memungkinkan transmisi daya 1,732 kali lebih banyak dibandingkan sistem dua fase dengan ukuran konduktor yang sama.

Sistem dua fase biasanya memerlukan empat kabel (dua konduktor fase dan dua netral) untuk menyelesaikan rangkaian. Menggunakan netral bersama untuk membentuk sistem tiga kabel mengurangi kabel, tetapi netral harus membawa arus balik gabungan dari kedua fase—membutuhkan konduktor yang lebih tebal (misalnya, tembaga) untuk menghindari overheating. Sebaliknya, sistem tiga fase menggunakan tiga kabel untuk beban seimbang (konfigurasi delta) atau empat kabel untuk beban tidak seimbang (konfigurasi bintang), mengoptimalkan pengiriman daya dan efisiensi konduktor.

Mengapa Bukan 6-Fase, 9-Fase, atau 12-Fase?

Meskipun sistem multi-fase dapat mengurangi hilang daya, mereka tidak banyak diterapkan karena batasan praktis:

• Efisiensi Konduktor: Sistem tiga fase menggunakan konduktor terkecil (3) untuk mentransmisikan daya seimbang, sementara sistem 12-fase akan membutuhkan 12 konduktor—mengempatkan biaya material dan pemasangan.

• Penghilangan Harmonisa: Sudut fase 120° dalam sistem tiga fase secara alami menghapus arus harmonisa ketiga, menghilangkan kebutuhan filter kompleks yang diperlukan dalam setup multi-fase.

• Kompleksitas Sistem: Sistem multi-fase membutuhkan komponen yang direkayasa ulang (transformator, pemutus sirkuit, switchgear) dan substation yang lebih besar, meningkatkan kompleksitas desain dan overhead pemeliharaan.

• Batasan Praktis: Motor dan generator dengan lebih dari tiga fase lebih besar dan sulit didinginkan, sementara menara transmisi akan membutuhkan ketinggian lebih besar untuk menampung lebih banyak konduktor.

Keunggulan Sistem Tiga Fase

Sistem tiga fase mencapai keseimbangan optimal:

• Mereka mentransmisikan 50% lebih banyak daya dibandingkan sistem satu fase dengan konduktor yang sama, meminimalkan hilang daya.

• Konfigurasi fase 120° seimbangkan beban dan menghapus harmonisa tanpa menambah kompleksitas.

• Mereka menyesuaikan diri dengan baik untuk kedua setup delta (beban seimbang) dan bintang (beban tidak seimbang), mendukung kebutuhan daya yang beragam.

Sistem multi-fase menawarkan pengembalian yang semakin berkurang—setiap fase tambahan meningkatkan biaya secara eksponensial sambil memberikan manfaat marjinal. Oleh karena itu, teknologi tiga fase tetap menjadi standar global untuk transmisi daya, mengimbangi efisiensi, kesederhanaan, dan kelayakan ekonomi.