क्यों ३-फेज विद्युत? क्यों नहीं ६, १२ या अधिक विद्युत प्रसारण के लिए?

यह ज्ञात है कि एक-पास और तीन-पास प्रणालियाँ विद्युत प्रसार, वितरण और अंतिम उपयोग में सबसे प्रचलित विन्यास हैं। यद्यपि दोनों मौलिक विद्युत आपूर्ति ढांचे के रूप में काम करते हैं, तीन-पास प्रणालियाँ अपने एक-पास के समकक्षों की तुलना में विशिष्ट फाइदे प्रदान करती हैं।

विशेष रूप से, बहु-पास प्रणालियाँ (जैसे 6-पास, 12-पास, आदि) विद्युत इलेक्ट्रोनिक्स, विशेष रूप से रेक्टिफायर सर्किट और चर आवृत्ति ड्राइव (VFDs) में विशिष्ट उपयोग के लिए पाई जाती हैं, जहाँ वे धड़कन वाले DC आउटपुट में रिपल को प्रभावी रूप से कम करती हैं। बहु-पास विन्यास (जैसे 6, 9, या 1 मोटर-जनरेटर सेट, लेकिन ये दृष्टिकोण बड़े पैमाने पर विद्युत प्रसार और वितरण के लिए आर्थिक रूप से असंभव हैं।

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

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

एक-पास प्रणाली में शक्ति

• P =  V . I  . CosФ

तीन-पास 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 तीन-पास प्रणाली की शक्ति क्षमता एक-पास प्रणाली की तुलना में 1.732 (√3) गुना अधिक है। तुलना में, दो-पास आपूर्ति एक-पास व्यवस्था की तुलना में 1.141 गुना अधिक शक्ति प्रसारित करती है।

तीन-पास प्रणालियों का एक प्रमुख फाइदा घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र (RMF) है, जो तीन-पास मोटरों में स्व-शुरुआत को सुनिश्चित करता है और निरंतर तात्कालिक शक्ति और टोक को सुनिश्चित करता है। इसके विपरीत, एक-पास प्रणालियाँ RMF की कमी होती हैं और धड़कन वाली शक्ति प्रदर्शित करती हैं, जो मोटर अनुप्रयोगों में उनके प्रदर्शन को सीमित करती हैं।

तीन-पास प्रणालियाँ भी श्रेष्ठ प्रसार दक्षता प्रदान करती हैं, जिसमें शक्ति की हानि और वोल्टेज गिरावट कम होती है। उदाहरण के लिए, एक आम रेसिस्टिव सर्किट में:

एक-पास प्रणाली

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

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

तीन-पास प्रणाली

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

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

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

दो-पास आपूर्तियाँ, तीन-पास वाली की तरह, निरंतर शक्ति प्रदान कर सकती हैं, घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र (RMF) उत्पन्न कर सकती हैं, और निरंतर टोक प्रदान कर सकती हैं। हालाँकि, तीन-पास प्रणालियाँ अतिरिक्त फेज के कारण दो-पास प्रणालियों की तुलना में अधिक शक्ति प्रसारित करती हैं। यह सवाल उठाता है: 6, 9, 12, 24, 48, आदि जैसे अधिक फेज क्यों नहीं उपयोग किए जाते? हम इसकी विस्तार से चर्चा करेंगे और समझाएंगे कि एक तीन-पास प्रणाली दो-पास प्रणाली की तुलना में उसी संख्या के तारों के साथ अधिक शक्ति कैसे प्रसारित कर सकती है।

दो-पास क्यों नहीं?

दो-पास और तीन-पास दोनों प्रणालियाँ घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र (RMF) उत्पन्न कर सकती हैं और निरंतर शक्ति और टोक प्रदान कर सकती हैं, लेकिन तीन-पास प्रणालियाँ एक प्रमुख फाइदा प्रदान करती हैं: उच्च शक्ति क्षमता। तीन-पास सेटअप में अतिरिक्त फेज के कारण दो-पास प्रणालियों की तुलना में 1.732 गुना अधिक शक्ति प्रसारित की जा सकती है।

दो-पास प्रणालियाँ आमतौर पर चार तारों (दो फेज तार और दो न्यूट्रल) की आवश्यकता होती है जो सर्किट को पूरा करते हैं। एक सामान्य न्यूट्रल का उपयोग करके तीन-तार वाली प्रणाली बनाने से तारों की संख्या कम हो जाती है, लेकिन न्यूट्रल को दोनों फेजों से लौटने वाली संयुक्त धारा को ले जाना पड़ता है, जिसके लिए गाड़े हुए तार (जैसे तांबा) की आवश्यकता होती है ताकि गर्मी से बचा जा सके। इसके विपरीत, तीन-पास प्रणालियाँ तीन तारों (डेल्टा विन्यास) का उपयोग संतुलित लोडों के लिए करती हैं या चार तारों (स्टार विन्यास) का उपयोग असंतुलित लोडों के लिए करती हैं, जो शक्ति वितरण और तारों की दक्षता को अनुकूलित करता है।

6-पास, 9-पास, या 12-पास क्यों नहीं?

हालाँकि उच्च-पास प्रणालियाँ प्रसार हानि को कम कर सकती हैं, वे व्यावहारिक सीमाओं के कारण व्यापक रूप से अपनाई नहीं जातीं:

• तार की दक्षता: तीन-पास प्रणालियाँ संतुलित शक्ति प्रसारित करने के लिए कम से कम तार (3) का उपयोग करती हैं, जबकि 12-पास प्रणाली 12 तारों की आवश्यकता होती है, जो सामग्री और स्थापना की लागत को चार गुना कर देती है।

• हार्मोनिक समापन: तीन-पास प्रणालियों में 120° फेज कोण तीसरे हार्मोनिक धाराओं को प्राकृतिक रूप से रद्द करता है, जिससे उच्च-पास व्यवस्थाओं में आवश्यक जटिल फिल्टरों की आवश्यकता नहीं होती।

• प्रणाली की जटिलता: उच्च-पास प्रणालियाँ इंजीनियरिंग द्वारा फिर से डिजाइन किए गए घटकों (ट्रांसफार्मर, सर्किट ब्रेकर, स्विचगियर) और बड़े सबस्टेशनों की मांग करती हैं, जो डिजाइन की जटिलता और रखरखाव की लागत को बढ़ा देती हैं।

• व्यावहारिक सीमाएँ: तीन से अधिक फेज वाले मोटर और जनरेटर बड़े और ठंडा करने में अधिक कठिन होते हैं, जबकि प्रसार टावरों को अधिक ऊंचाई की आवश्यकता होती है ताकि अधिक तारों को समायोजित किया जा सके।

तीन-पास का फाइदा

तीन-पास प्रणालियाँ एक अनुकूल संतुलन बनाती हैं:

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

• 120° फेज विन्यास लोडों को संतुलित करता है और जटिलता के बिना हार्मोनिक को दबाता है।

• वे डेल्टा (संतुलित लोड) और स्टार (असंतुलित लोड) दोनों विन्यासों में अनुकूलित होती हैं, जो विविध शक्ति की आवश्यकताओं का समर्थन करता है।

उच्च-पास प्रणालियाँ अतिरिक्त फाइदे देती हैं, लेकिन प्रत्येक अतिरिक्त फेज लागत को घातांकीय रूप से बढ़ा देता है जबकि सीमित लाभ प्रदान करता है। इसी कारण से, तीन-पास तकनीक विद्युत प्रसार के लिए वैश्विक मानक रहती है, जो दक्षता, सरलता और आर्थिक व्यवहार्यता के बीच संतुलन बनाती है।