ทำไมต้องใช้ไฟฟ้า 3 เฟส? ทำไมไม่ใช้ 6, 12 หรือมากกว่านั้นในการส่งผ่านพลังงาน
เป็นที่รู้จักกันดีว่าระบบเฟสเดียวและระบบสามเฟสเป็นการกำหนดค่าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการส่งและการกระจายพลังงานไฟฟ้า รวมถึงการใช้งานปลายทาง ในขณะที่ทั้งสองระบบเป็นโครงสร้างพื้นฐานในการจ่ายพลังงาน ระบบสามเฟสมอบข้อได้เปรียบที่ชัดเจนเหนือระบบเฟสเดียว
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ระบบหลายเฟส (เช่น 6 เฟส, 12 เฟส ฯลฯ) มีการประยุกต์ใช้เฉพาะในวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง—โดยเฉพาะในวงจรแปลงกระแสตรงและเครื่องขับความถี่แปรผัน (VFDs)—ที่สามารถลดการกระเพื่อมของกระแสตรงที่มีการกระตุกได้อย่างมีประสิทธิภาพ การบรรลุการกำหนดค่าหลายเฟส (เช่น 6, 9 หรือ 12 เฟส) ในอดีตจำเป็นต้องใช้เทคนิคการเปลี่ยนเฟสที่ซับซ้อนหรือชุดมอเตอร์-เจเนเรเตอร์ แต่วิธีการเหล่านี้ยังคงไม่เป็นไปได้ทางเศรษฐศาสตร์สำหรับการส่งและการกระจายพลังงานในระยะทางไกล
ทำไมต้องใช้ระบบสามเฟสแทนที่จะเป็นระบบเฟสเดียว?
ข้อได้เปรียบหลักของระบบสามเฟสเมื่อเทียบกับระบบเฟสเดียวหรือระบบสองเฟสคือเราสามารถส่งพลังงานมากขึ้น (คงที่และสม่ำเสมอ)
พลังงานในระบบเฟสเดียว
P = V . I . CosФ
พลังงานในระบบสามเฟส
P = √3 . VL . IL . CosФ … หรือ
P = 3 x. VPH . IPH . CosФ
โดยที่:
P = พลังงานในหน่วยวัตต์
VL = แรงดันระหว่างสาย
IL = กระแสระหว่างสาย
VPH = แรงดันเฟส
IPH = กระแสเฟส
CosФ = ปัจจัยกำลัง
จากที่เห็นแล้ว ความจุพลังงานของระบบสามเฟสสูงกว่าระบบเฟสเดียว 1.732 (√3) เท่า โดยเปรียบเทียบ ระบบสองเฟสส่งพลังงานมากกว่าระบบเฟสเดียว 1.141 เท่า
ข้อได้เปรียบสำคัญของระบบสามเฟสคือสนามแม่เหล็กรอบ (RMF) ซึ่งทำให้มอเตอร์สามเฟสสามารถเริ่มต้นเองได้ และยังรับประกันพลังงานและแรงบิดที่คงที่ ในทางกลับกัน ระบบเฟสเดียวไม่มี RMF และมีพลังงานที่กระตุก จำกัดประสิทธิภาพในการใช้งานมอเตอร์
ระบบสามเฟสยังมีประสิทธิภาพการส่งสูงกว่า ด้วยการสูญเสียพลังงานและความตกลงของแรงดันที่น้อยลง ตัวอย่างเช่น ในวงจรต้านทานทั่วไป:
ระบบเฟสเดียว
การสูญเสียพลังงานในสายส่ง = 18I2r … (P = I2R)
ความตกลงของแรงดันในสายส่ง = I.6r … (V = IR)
ระบบสามเฟส
การสูญเสียพลังงานในสายส่ง = 9I2r … (P = I2R)
ความตกลงของแรงดันในสายส่ง = I.3r … (V = IR)
แสดงให้เห็นว่าความตกลงของแรงดันและการสูญเสียพลังงานในระบบสามเฟสน้อยกว่าระบบเฟสเดียว 50%
ระบบสองเฟส คล้ายกับระบบสามเฟส สามารถให้พลังงานคงที่ สร้างสนามแม่เหล็กรอบ (RMF) และให้แรงบิดคงที่ แต่ระบบสามเฟสส่งพลังงานมากกว่าระบบสองเฟสเนื่องจากมีเฟสเพิ่มเติม คำถามที่เกิดขึ้นคือ ทำไมไม่ใช้เฟสเพิ่มเติมเช่น 6, 9, 12, 24, 48 ฯลฯ? เราจะอภิปรายรายละเอียดและอธิบายว่าระบบสามเฟสสามารถส่งพลังงานมากกว่าระบบสองเฟสได้อย่างไรด้วยจำนวนสายเดียวกัน
ทำไมไม่ใช้ระบบสองเฟส?
ทั้งระบบสองเฟสและระบบสามเฟสสามารถสร้างสนามแม่เหล็กรอบ (RMF) และให้พลังงานและแรงบิดคงที่ แต่ระบบสามเฟสมีข้อได้เปรียบสำคัญคือ ความจุพลังงานที่สูงกว่า เฟสเพิ่มเติมในระบบสามเฟสทำให้สามารถส่งพลังงานมากกว่าระบบสองเฟส 1.732 เท่าด้วยขนาดคอนดักเตอร์เดียวกัน
ระบบสองเฟสโดยทั่วไปต้องใช้สายสี่เส้น (สองเฟสและสองกลาง) เพื่อป้อนวงจร การใช้กลางร่วมเพื่อสร้างระบบสามเส้นลดการใช้สาย แต่กลางต้องรับกระแสคืนรวมจากทั้งสองเฟส—จำเป็นต้องใช้คอนดักเตอร์ที่หนาขึ้น (เช่น ทองแดง) เพื่อป้องกันการร้อนเกิน ในทางกลับกัน ระบบสามเฟสใช้สายสามเส้นสำหรับโหลดสมดุล (การกำหนดค่าแบบดีลตา) หรือสายสี่เส้นสำหรับโหลดไม่สมดุล (การกำหนดค่าแบบสตาร์) ในการส่งพลังงานและประสิทธิภาพของคอนดักเตอร์
ทำไมไม่ใช้ระบบ 6 เฟส, 9 เฟส หรือ 12 เฟส?
แม้ว่าระบบหลายเฟสจะสามารถลดการสูญเสียในการส่ง แต่ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากข้อจำกัดปฏิบัติ:
ข้อได้เปรียบของระบบสามเฟส
ระบบสามเฟสสามารถหาสมดุลได้อย่างเหมาะสม:
ระบบหลายเฟสให้ผลตอบแทนที่ลดลง—แต่ละเฟสเพิ่มเติมทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในขณะที่ให้ประโยชน์เพียงเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้เทคโนโลยีระบบสามเฟสจึงยังคงเป็นมาตรฐานโลกสำหรับการส่งพลังงาน ซึ่งสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความง่าย และความเป็นไปได้ทางเศรษฐศาสตร์
