توان الکتریکی سه فاز

در کشورهای صنعتی ، سه فاز روش عمومی انتقال توان الکتریکی است. این سیستم در واقع نوعی از سیستم چند فاز است. در نیروگاههای برق یک ژنراتور الکتریکی توان مکانیکی را به یک دسته از جریانهای الکتریکی متناوب تبدیل می‌کند که از هر کدام از سیم پیچهای الکترومغناطیسی یا سیم پیچهای ژنراتور تولید می‌شوند. جریانها همگی توابعی سینوسی از زمان هستند و همگی دارای فرکانسی مشابه اما با زاویه‌های متفاوت.

در یک سیستم سه فاز ، زاویه‌ها دارای اختلاف ۱۲۰ درجه‌ای (که حداکثر جداسازی ممکن بین زاویه‌هاست) هستند. فرکانس معمولاً در اروپا ۵۰ هرتز و در ایالات متحده ۶۰ هرتز است لیست کشورها به همراه پریزهای خطوط برق ، ولتاژها و فرکانسها را مشاهده کنید.) سه فاز معمولاً توسط رنگها نشانه گذاری شده‌اند، که بطور سنتی قرمز ، زرد و آبی هستند.

خروجی ولتاژ ژنراتورها از چند صد ولت تا بالای ۲۰۰۰۰ ولت تغییر می‌کند. این ولتاژ معمولاً توسط یک ترانسفورماتور به یک سطح ولتاژ بالاتری تبدیل می‌شود. علت این افزایش ولتاژ هم کاهش تلفات است.

توان برابر حاصلضرب ولتاژ و جریان است، بنابراین برای یک توان داده شده اگر شما ولتاژ را افزایش دهید جریان کاهش می‌یابد. تلفات گرمایی در یک خط انتقال با مجذور جریان متناسب است و در نتیجه اگر شما جریان را نصف کنید، تلفات یک چهارم می‌شود. به همین علت برخی از خطوط انتقال در سطح ولتاژی بیش از ۵۰۰،۰۰۰ ولت کار می‌کنند.

در انتهای خط انتقال ، یک پست برق یا یک ترانسفورماتور ، برق را از ولتاژ زیاد خطوط انتقال به سه جریان متغیر سینوسی با ولتاژ ۱۲۰ ولت (در ایالات متحده) یا ۲۳۰ ولت (در اروپا) جریان متناوب (Vac) تبدیل می‌کند.

سپس این برق از طریق چهار سیم به مدارات مصرف کننده‌ها در یک تابلوی فرمان اصلی ، ارائه می‌شود. یکی از سیمها خنثی است یا در منبع برق زمین شده است، فازها یا سه خط دیگر ، برق را به نقطه مقصد یا ترانسفورماتورهای تغذیه می‌رسانند. با برقراری اتصال بین یک فاز و سیم خنثی ، ولتاژی معادل ۱۲۰ ولت متناوب (یا ۲۳۰ ولت متناوب) برای مدار متصل شده فراهم می‌شود.

شبکه انتقال توان به گونه‌ای طراحی شده است که هر فاز اندازه جریانی برابر را از خود عبور دهد، همه جریانهای برگشتی از مناطق مسکونی مصرف کننده‌ها به نیروگاه ، در جریان سیم خنثی سهیم هستند، اما سیستم سه فاز تضمین می‌کند که جمع جریانهای برگشتی تقریباً صفر است.

اتصال بین دو فاز ولتاژی معادل ۳√ یا ۷۳/۱ برابر ولتاژ تک فاز را ایجاد می‌کند (۲۰۸ ولت متناوب در ایالات متحده ، ۴۰۰ ولت متناوب در اروپا). شکل موجهای دارای اختلاف فاز ، با یکدیگر جمع می‌شوند تا یک پیک ولتاژی بالاتری را در شکل موج نهایی ایجاد کنند. چنین اتصالی را اتصال خط به خط می‌نامند و معمولاً با یک مدار شکن دو قطب صورت می‌گیرد. از این نوع اتصال بیشتر برای گرمکنها مانند یک گرمکن قرنیزی ۲ کیلو وات و ۲۰۸ ولت ، استفاده می‌کنند.

ولتاژهای استاندارد دیگر موجود در آمریکای شمالی شامل ولتاژهای ۲۴۰ ولت فاز به فاز ، ۲۷۷/۴۸۰ ولت و ۳۴۷/۶۰۰ ولت می‌شود. ولتاژ فاز به زمین (سطح ولتاژ پایین تر) دو مورد آخر عموماً تنها برای روشنایی به کار می رود.

ولتاژ ۶۰۰ ولت در کانادا بسیار بیشتر از آمریکا ، معمول است. در موتورهای سه فاز یا هواسازهای کارا (برای مثال اکثر بخش های York که بالای ۵/۲ تن هستند، سه فاز اند) هر سه فاز برق مورد استفاده قرار می‌گیرد، چرا که این بهترین راه انتقال مقادیر بزرگ توان الکتریکی است. گفتنی است که راه اندازی موتور ، توان بیشتری را نیاز دارد.

برخی دستگاه‌هایی ساخته شده‌اند که یک سه فاز مصنوعی را از یک برق تک فاز تپ ـ وسط (۲۴۰ ولت متناوب در ایلات متحده ، با تفکیک زاویه ۱۸۰ درجه) ایجاد می کنند. این عمل با ایجاد یک “زیر فاز” سوم بین دو قطب انجام می شود که منجر به یک تفکیک فاز ۹۰=۹۰-۱۸۰ درجه‌ای می‌شود. بسیاری از دستگاه‌های سه فاز بر این اساس کار می کنند، اما با یک فرکانس پایین‌تر.

برخی اوقات برق تک فاز تپ ـ وسط۲۴۰ ولت متناوب، به غلط برق “دو فاز” خوانده می شود. باید توجه شود که یک سیستم دو فاز سیستمی است که در آن دو ولتاژ دارای اختلاف ۹۰ درجه‌ای هستند. برای مثال ، اگر یکی از ولتاژها برابر:
Cos 2п) * ۶۰
و دیگری:
sin 2п) * ۶۰t)

است، آنگاه شما یک سیستم دو فاز دارید که به عنوان سیستم عمود (یکی به عنوان بخش حقیقی و دیگری به عنوان بخش موهومی در نظر گرفته می شود) نیز شناخته می شود.

یک سیستم دو فاز به ازای ۱۲۰ ولت متناوب خط به خنثی تقریباً ولتاژی معادل ۷/۱۶۹ ولت متناوب خط به خط را ایجاد می‌کند. سیستمهای دو فاز تنها برای توان بالا به کار می‌روند چرا که آنها نیاز به سیمهایی به همان تعداد سیمهای ارتباطی اتصال مثلث سه فاز دارند (برای مثال یکی برای سینوس ، یکی برای کسینوس و یک سیم مشترک) و نیز سیستم دو فاز مقدار انرژی یکسان را در هر یک از سه سیم توزیع نمی‌کند (اگر چه سینوس و کسینوس متعادل‌اند، اما سیم خنثی مانند دو تای دیگر نیست).

گفته می‌شود که یک سیستم دو فاز توان مختلط ایجاد می‌کند و چنین سیستمهایی در ولتاژهای پایین‌تر به کار می‌روند (برای مثال برای کاربردهای ارتباطی ، یا راه انداختن موتورهای پله‌ای و مانند این) و عموماً در سطح توانهای بالا توزیع نشده‌اند.

در عمل ، اگر ما فازورهای یک سیستم دو فاز یا سه فاز را حول دایره واحد در صفحه مختلط رسم کنیم، دارای یک نوع از توان مختلط خواهیم بود. یک سیستم فاز شکسته (تپ ـ وسط) ۲۴۰ ولت متناوب ، وقتی که به صورت فازورها روی صفحه مختلط رسم شود، می تواند کاملاً در طول محور حقیقی وجود داشته باشد.

در واقع ، این کمبود قابلیت توان مختلط است که توانایی یک سیستم تغذیه را برای تولید یک میدان دوار مغناطیسی تضعیف می‌کند و این میدان دوار مغناطیسی است که موجب گردش مؤثر موتورها می‌شود. چنین برقی (فاز شکسته) برای گرمایش خوب است، اما مثلاً برای گرداندن یک هوا ساز خیلی بهتر است تا از توان مختلط استفاده کنیم.

چگونه تغذیه سه فاز را امتحان کنیم یک تغذیه سه فاز الکتریکی شامل سه هادی فعال و یک زمین می‌شود.

اگر که تغذیه الکتریکی یک موتور القایی سه فاز بین پارامترهای معینی نباشد، نمی‌تواند به درستی کار کند. این پارامترهای نوعی مانند مقابل‌اند: ۲۰۸ یا ۴۱۵ ولت بین فازها ، ۱۲۰ یا ۲۴۰ ولت بین هر فاز و زمین ، خطای ولتاژ کمتر از ۱۲ درصد مقادیر نامی و اختلاف ولتاژ هر فاز کمتر از ۵ درصد فاز دیگر. در یک مدار موتور القایی سه فاز نوعی ، یک مکان مناسب برای آزمایش در طرف خط راه انداز مستقیم موتور است.

چگونه دستگاههای سه فاز را امتحان کنیم
دستگاه‌های سه فاز نظیر پمپها ، کمپرسورها و … بایستی فازهایشان به ترتیب درستی وصل شود تا از خرابی آنها جلوگیری شود.

این دستگاهها عموماً هنگامی که به اشتباه وصل شوند جریان کمتری را می‌کشند و می‌توانند به آسانی توسط یک آمپروب (گیره روی آمپر متر) برای میزان جریانی که از شبکه می‌کشند امتحان شوند.

برای مثال آزمایش یک هوا ساز که دارای یک کمپرسور است، می‌توان فهمید که اگر این وسیله به صورت غلطی به برق سه فاز متصل شود، جریان بسیار کمی را خواهد کشید و بنابراین جای هر کدام از دو سیم برق را می‌توان برای تغییر فازها عوض کرد. موتورهای جیبی کوچکی وجود دارند که از جهت چرخش آنها می‌توان برای تشخیص توالی فازها استفاده کرد.

این موتورها گران هستند. یک جایگزین ارزانتر استفاده از سه لامپ نئون و دیدن اینکه توالی فاز یا روشن شدن لامپ ها در چه جهتی می چرخد، است. موضوعاتی شامل آزمایش مقاومت سیم پیچ موتور و آزمایش مقاومت خطای زمین بیان شده اند.

برای اطلاعات بیشتر راجع به مدارات سه فاز کلید واژه زیر را مشاهده کنید:
ترانسفورماتورهای ستاره مثلث
پریزهای الکتریکی سه فاز
برق سه فاز را می‌توان با استفاده از یک پریز سه فاز یا با سه تایی کردن ، تغذیه کرد. اغلب پریزها ، پریزهای دوتایی‌اند. حفره‌های بالایی و پایینی را می‌توان در صورت تمایل از هم جدا کرد و برای مثال با مدار شکنهای مجزایی با یک نول مشترک تغذیه شوند.

این کار را معمولاً در آشپزخانه‌ها انجام ‌می‌دهند که در آنها احتمالاً یک بار زیاد روی هر دو پریز اعمال می‌شود. در این صورت یک مدار شکن دو قطب تریپ (قطع کننده) مورد نیاز است.

ایده دو برابر کردن را می‌توان به سه برابر کردن گسترش داد، تا اینکه سه پریز دوگانه را بتوان با یک نول مشترک از یک منبع سه فاز تغذیه کرد. عموماً یک مدار شکن سه قطب تریپ عمومی ۱۵ میلی آمپر برای تغذیه چنین پریزی به کار می‌رود.

این امر بارهای سه فاز تکی را قادر می‌سازد تا به صورت یک توالی فازی تغذیه شوند. مثالی از این بار یک لامپ با سه حباب است. برای داشتن عملکردی بدون چشمک زنی ، سه حباب هر کدام با یک دوشاخه جدا نصب می‌شوند و با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه‌ای نسبت به هم از یک پریز سه تایی راه اندازی می‌شوند. بالای پریزها لامپهای نئون قرار داده شده تا توالی فاز را در بارهای سه تایی که توالی صحیح فازها مورد نیاز است نشان دهد.

موتورهاي سه فاز
• موتورهای AC سه فاز:
برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده می‌کنند.

اغلب ، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.

این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیه اعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد.

استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها ، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است.

به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز ، به گردش در می‌آید. موتورهای سنکرون را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.

سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش ، یا اختلاف در سرعت چرخش بین روتور و میدان استاتور ، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیس