Tại sao lại là điện 3 pha? Tại sao không phải 6, 12 hoặc nhiều pha hơn cho truyền tải điện?

Được biết rằng hệ thống một pha và ba pha là những cấu hình phổ biến nhất cho việc truyền tải, phân phối và sử dụng cuối cùng điện năng. Mặc dù cả hai đều là khung cung cấp điện cơ bản, nhưng hệ thống ba pha mang lại nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống một pha.

Đáng chú ý, các hệ thống đa pha (như 6 pha, 12 pha, v.v.) được áp dụng cụ thể trong điện tử công suất - đặc biệt là trong mạch chỉnh lưu và bộ điều khiển tần số biến thiên (VFDs) - nơi chúng giảm thiểu hiệu quả sự gợn sóng trong nguồn DC xung. Việc đạt được các cấu hình đa pha (ví dụ: 6, 9, hoặc 12 pha) trước đây đòi hỏi các kỹ thuật chuyển pha phức tạp hoặc bộ máy phát điện, nhưng những phương pháp này vẫn không kinh tế cho việc truyền tải và phân phối điện quy mô lớn trên khoảng cách xa.

Tại Sao Lại Chọn Hệ Thống Ba Pha Thay Vì Hệ Thống Một Pha?

Ưu điểm chính của hệ thống ba pha so với hệ thống một pha hoặc hai pha là khả năng truyền tải nhiều (đều đặn và ổn định) điện năng hơn.

Công Suất Trong Hệ Thống Một Pha

• P =  V . I  . CosФ

Công Suất Trong Hệ Thống Ba Pha

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Hoặc

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Trong đó:

• P = Công suất tính theo Watt

• V_L = Điện áp đường dây

• I_L = Dòng điện đường dây

• V_PH = Điện áp pha

• I_PH = Dòng điện pha

• CosФ = Hệ số công suất

Rõ ràng, công suất của hệ thống ba pha cao hơn 1.732 (√3) lần so với hệ thống một pha. So sánh với hệ thống hai pha, nó truyền tải nhiều 1.141 lần công suất so với hệ thống một pha.

Một lợi thế quan trọng của hệ thống ba pha là trường từ xoay (RMF), giúp khởi động tự động ở các động cơ ba pha đồng thời đảm bảo công suất và lực kéo tức thì ổn định. Ngược lại, hệ thống một pha thiếu RMF và có công suất dao động, hạn chế hiệu suất trong ứng dụng động cơ.

Hệ thống ba pha cũng cung cấp hiệu quả truyền tải vượt trội, với tổn thất công suất và sụt áp giảm. Ví dụ, trong mạch kháng điển typic:

Hệ Thống Một Pha

• Tổn thất công suất trong đường dây truyền tải = 18I²r … (P = I²R)

• Sụt áp trong đường dây truyền tải = I.6r … (V = IR)

Hệ Thống Ba Pha

• Tổn thất công suất trong đường dây truyền tải = 9I²r … (P = I²R)

• Sụt áp trong đường dây truyền tải = I.3r … (V = IR)

Được chứng minh rằng sụt áp và tổn thất công suất trong hệ thống ba pha thấp hơn 50% so với hệ thống một pha.

Hệ thống hai pha, tương tự như hệ thống ba pha, có thể cung cấp công suất ổn định, tạo ra trường từ xoay (RMF) và cung cấp lực kéo ổn định. Tuy nhiên, hệ thống ba pha truyền tải nhiều công suất hơn do có thêm một pha. Điều này đặt ra câu hỏi: tại sao không sử dụng nhiều pha hơn như 6, 9, 12, 24, 48, v.v.? Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết và giải thích làm thế nào hệ thống ba pha có thể truyền tải nhiều công suất hơn hệ thống hai pha với cùng số dây dẫn.

Tại Sao Không Sử Dụng Hệ Thống Hai Pha?

Cả hệ thống hai pha và ba pha đều có thể tạo ra trường từ xoay (RMF) và cung cấp công suất và lực kéo ổn định, nhưng hệ thống ba pha có ưu điểm chính là dung lượng công suất cao hơn. Pha bổ sung trong hệ thống ba pha cho phép truyền tải nhiều 1.732 lần công suất so với hệ thống hai pha với cùng kích thước dây dẫn.

Hệ thống hai pha thường yêu cầu bốn dây (hai dây dẫn pha và hai dây trung tính) để hoàn thành mạch. Sử dụng dây trung tính chung để tạo thành hệ thống ba dây giảm thiểu dây dẫn, nhưng dây trung tính phải chịu dòng điện tổng hợp từ cả hai pha - cần dây dẫn dày hơn (ví dụ: đồng) để tránh quá nhiệt. Ngược lại, hệ thống ba pha sử dụng ba dây cho tải cân bằng (cấu hình delta) hoặc bốn dây cho tải không cân bằng (cấu hình sao), tối ưu hóa việc truyền tải điện và hiệu quả dây dẫn.

Tại Sao Không Sử Dụng Hệ Thống 6 Pha, 9 Pha, Hoặc 12 Pha?

Mặc dù các hệ thống đa pha có thể giảm tổn thất truyền tải, nhưng chúng không được áp dụng rộng rãi do những hạn chế thực tế:

• Hiệu Quả Dây Dẫn: Hệ thống ba pha sử dụng ít dây dẫn nhất (3) để truyền tải công suất cân bằng, trong khi hệ thống 12 pha sẽ cần 12 dây dẫn - tăng gấp bốn lần vật liệu và chi phí lắp đặt.

• Khử Hài Âm: Góc pha 120° trong hệ thống ba pha tự nhiên triệt tiêu dòng điện hài thứ ba, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lọc phức tạp cần thiết trong các hệ thống đa pha.

• Độ Phức Tạp Của Hệ Thống: Các hệ thống đa pha đòi hỏi các thành phần được tái thiết kế (biến áp, cầu chì, thiết bị đóng cắt) và các trạm biến áp lớn hơn, tăng độ phức tạp trong thiết kế và chi phí bảo trì.

• Hạn Chế Thực Tế: Động cơ và máy phát điện có nhiều hơn ba pha to hơn và khó làm mát, trong khi các cột điện cần chiều cao lớn hơn để chứa nhiều dây dẫn.

Ưu Điểm Của Hệ Thống Ba Pha

Hệ thống ba pha đạt được sự cân bằng tối ưu:

• Chúng truyền tải nhiều 50% công suất hơn so với hệ thống một pha với cùng dây dẫn, giảm thiểu tổn thất.

• Cấu hình pha 120° cân bằng tải và triệt tiêu hài âm mà không cần thêm độ phức tạp.

• Chúng thích ứng với cả cấu hình delta (tải cân bằng) và sao (tải không cân bằng), hỗ trợ nhu cầu điện đa dạng.

Các hệ thống đa pha cung cấp lợi ích giảm dần - mỗi pha bổ sung tăng chi phí theo cấp số nhân trong khi chỉ mang lại lợi ích nhỏ. Vì lý do này, công nghệ ba pha vẫn là tiêu chuẩn toàn cầu cho việc truyền tải điện, cân bằng giữa hiệu quả, đơn giản và khả năng kinh tế.