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 . V_L . I_L . CosФ … หรือ

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

โดยที่:

• P = พลังงานในหน่วยวัตต์

• V_L = แรงดันระหว่างสาย

• I_L = กระแสระหว่างสาย

• V_PH = แรงดันเฟส

• I_PH = 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:

• ประสิทธิภาพของคอนดักเตอร์: ระบบสามเฟสใช้คอนดักเตอร์น้อยที่สุด (3) เพื่อส่งพลังงานสมดุล ในขณะที่ระบบ 12 เฟสต้องใช้คอนดักเตอร์ 12 เส้น—เพิ่มค่าใช้จ่ายของวัสดุและการติดตั้งสี่เท่า

• การยับยั้งฮาร์โมนิก: มุมเฟส 120° ในระบบสามเฟสสามารถยกเลิกกระแสฮาร์โมนิกที่สามได้โดยธรรมชาติ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฟิลเตอร์ที่ซับซ้อนในระบบหลายเฟส

• ความซับซ้อนของระบบ: ระบบหลายเฟสต้องใช้คอมโพเนนต์ที่ออกแบบใหม่ (หม้อแปลง ตัวตัดวงจร อุปกรณ์สวิตช์) และสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่ ทำให้เพิ่มความซับซ้อนในการออกแบบและการบำรุงรักษา

• ข้อจำกัดทางปฏิบัติ: มอเตอร์และเจเนเรเตอร์ที่มีมากกว่าสามเฟสมีขนาดใหญ่และยากต่อการทำความเย็น ในขณะที่เสาไฟฟ้าต้องมีความสูงมากขึ้นเพื่อรองรับคอนดักเตอร์ที่เพิ่มขึ้น

ข้อได้เปรียบของระบบสามเฟส

ระบบสามเฟสสามารถหาสมดุลได้อย่างเหมาะสม:

• สามารถส่งพลังงานมากกว่าระบบเฟสเดียว 50% ด้วยคอนดักเตอร์เดียวกัน ลดการสูญเสีย

• การกำหนดค่าเฟส 120° ทำให้โหลดสมดุลและยับยั้งฮาร์โมนิกโดยไม่เพิ่มความซับซ้อน

• สามารถปรับตัวให้เข้ากับการกำหนดค่าแบบดีลตา (โหลดสมดุล) และสตาร์ (โหลดไม่สมดุล) รองรับความต้องการพลังงานที่หลากหลาย

ระบบหลายเฟสให้ผลตอบแทนที่ลดลง—แต่ละเฟสเพิ่มเติมทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในขณะที่ให้ประโยชน์เพียงเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้เทคโนโลยีระบบสามเฟสจึงยังคงเป็นมาตรฐานโลกสำหรับการส่งพลังงาน ซึ่งสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความง่าย และความเป็นไปได้ทางเศรษฐศาสตร์