آشنایی با برق سه فاز

در این مقاله به معرفی برق سه فاز، تفاوت آن با برق تکفاز، دلیل نداشتن نول، انواع اتصال در برق سه فاز، روش های اندازه گیری توان و مزایای برق سه فاز خواهیم پرداخت.

آشنایی با جریان سه فاز

جریان سه فاز در مداری که سیم بندی القاء شونده آن (آرمیچر) از سه دسته سیم پیچ جدا که هر کدام نسبت به هم 120 درجه الکتریکی اختلاف فاز دارند تهیه می شود.

برق تک‌فاز با سه فاز چه تفاوتی دارد؟

برق تکفاز دارای دو رشته سیم می باشد، یکی فاز ۲۲۰ ولت متناوب و دیگری نول.

برق سه فاز دارای چهار رشته سیم می باشد، سه سیم فاز ۳۸۰ ولت متناوب و یک سیم نول. که فاز اول را با رنگ قرمز و فاز دوم را با رنگ زرد و فاز آخر هم با رنگ آبی نشان می دهند. سیستم سه فاز دو نوع اتصال دارد:

• اتصال ستاره و اتصال مثلت. که هرکدام از این اتصال ها کارایی خاص خود را دارند و تفاوت این دو اتصال در سیم نول میباشد.به طوری که برای ایجاد سیم نول از اتصال ستاره استفاده میکنند و بین فازها ۱۲۰ درجه اخلاف فازی به وجود می آورند. و اتصال مثلث در شبکه انتقال استفاده می شود چرا که در انتقال نیازی به داشتن سیم نول نیست.
• دستگاه سه فاز مدارهای الکتریکی دستگاهی است شامل سه مدار با نیروهای محرکه الکتریکی متناوب با فرکانس یکسان ، که نسبت به یکدیگر به اندازه ۱/۳ دوره اختلاف فاز دارند (۳/φ = ۲π). هر تک مدار از این دستگاه به اختصار فاز نامیده می‌شود و دستگاه جریانهای متناوب با اختلاف فاز در این مدارها به جریان سه فاز معروف است. تقریبا تمام مولدهایی که در نیروگاههای الکتریکی نصب میشوند مولدهای سه فاز هستند. یک چنین مولدی اصولا ترکیبی از سه مولد AC در یک ماشین است. این مولدها چنان طراحی میشوند که نسبت به یکدیگر به اندازه سوم دوره اختلاف فاز داشته باشند. انرژی الکتریکی در نیروگاه‌ها بوسیله آلترناتورهای سه فاز تولید می‌شود. این الترناتورها از دو قسمت عمده تشکیل شده‌اند.

انواع اتصال در سیستم سه فاز

در سیستم سه فاز معمولاً‌ از سه نوع اتصال استفاده می شود :

• الف- اتصال ستاره
• ب- اتصال مثلث
• ج- اتصال مختلط (ترکیبی از اتصالهای ستاره و مثلث می باشد)

محاسبه جریان و ولتاژ در اتصال ستاره

همانطور که می دانیم در اتصال ستاره اختلاف سطح هر فاز با سیم نول ولتاژ فازی (UP) و اختلاف سطح هر فاز با فازی دیگر ولتاژ (Ul) را تشکیل می دهند. مقدار ولتاژ خط از مجموع دو ولتاژ فازی بدست می آید. به همین جهت برای بدست آوردن مقدار Ul باید برآیند دو ولتاژ فازی را رسم و مقدار آن را محاسبه نماییم. بدین ترتیب که یکی از بردارها را در امتداد و به اندازه خودش رسم کرده و سپس بردار را با بردار پهلویش رسم می کنیم. رابطه روبرو برقرار است:

UL=(√3)UP

اما جریانی که از هر کلاف عبور می کند همان جریان خط می باشد. یعنی در اتصال ستاره جریان خط مساوی جریان فاز است IL=IP

محاسبه جریان و ولتاژ در اتصال مثلث

در این روش کلافهای مصرف کننده یا مولد به شکل مثلث قرار می گیرند. همانطور که می دانیم ولتاژ خط UL در اتصال مثلث همان ولتاژی است که در دو سر کلاف قرار دارد یعنی در اتصال مثلث ولتاژ خط برابر با ولتاژ فاز است : UL = UP

اما جریانی که از هر خط می گذرد مجموع برداری جریان دو کلاف بعدی است. پس جریان هر خط 1.73 برابر جریان هر فاز است :

IP=(√3)IL

جریان هر خط 1.73 برابر جریان هر فاز است.

توان در مدارهای سه فاز

در یک اتصال سه فاز توان کل از مجموع توانهای هر فاز بدست می آید :

P = P1+P2+P3

اگر بار متعادل باشد داریم :

P1 = P2 = P3 = Pph

پس توان کل می تواند سه برابر توان هر فاز باشد :

P = 3Pph

P = Up.lp.COSφ

در اتصال ستاره توان بصورت زیر بدست می آید :

UP=(√3)UL و ip=iL

P=(√3)IL.UL.Cosφ

در اتصال مثلث هم رابطه بالا صادق می باشد.

روش های اندازه گیری توان

معمولاً برای اندازه گیری در سیستم سه فاز از دو روش زیر استفاده می کنند:

الف- روش چهار سیم (3 واتمتری)

ب- روش سه سیم (2 واتمتری)

الف- روش چهار سیم :

در این روش با استفاده از 3 واتمتر که سر راه هر فاز قرار می گیرد و سیم نول توان هر فاز جداگانه اندازه گیری شده و مجموع این سه واتمتر توان کل می باشد. اگر بار کاملاً متعادل باشد هر سه واتمتر دارای مقادیر مساوی می شوند. پس در یک بار متعادل فقط از یک واتمتر هم می توان استفاده کرد.

ب- روش سه سیم :

در این روش بدون سیم نول عمل می شود. دو واتمتر که هر کدام بین دو فاز قرار می گیرد البته فاز وسط برای فازهای اول و سوم مشترک است توان کل از مجموع دو واتمتر بدست می آید.

چرا  برق سه فاز نول ندارد؟
برای روشن شدن یک وسیله برقی باید آن وسیله را بین دو نقطه وصل کنیم که آن دو نقطه دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی باشند. مثلا لامپ را بین قطب‌های باطری قرار می دهیم. یعنی وسیله در یک مدار بسته قرار گیرد.

در نیروگاه برق سه سیم برقدار (سه فاز) برق را به مصرف کننده منتقل می‌کنند. این سه سیم برقدار مشابه هم‌اند اما ولتاژ آن‌ها ۱۲۰ درجه با هم اختلاف فاز دارد. معنی این جمله این است که این سه سیم با هم اختلاف پتانسیل دارند پس اگر دو تا از آن‌ها را به دو سر یک وسیله وصل کنیم آن وسیله روشن می شود. موتور سه فاز به همین روش کار می کند. به هرکدام از این سیم‌ها برق تک فاز گفته می‌شود.

در حقیقت قسمت روتور ژنراتور از سه سیم پیچ تشکیل شده است که این سیم پیچ‌ها با زاویه‌ی ۱۲۰ درجه نسبت به هم قرار دارند و هنگام تولید برق هرکدام از این سیم پیچ‌ها برق مخصوص به خود را تولید می‌کند یعنی از هر ژنراتور سه سیم برقدار خارج می‌شود که به آن‌ها سه فاز می‌گویند که هر فاز برق تولیدی یکی از سیم پیچ‌ها می‌باشد. به علت وجود زاویه ۱۲۰ درجه بین سیم پیچ‌ها برق تولیدی آن‌ها دارای اختلاف فاز ۱۲۰ درجه می‌باشد.

سوال مهم این است پس سیم نول کجا به کار می‌رود؟

با توجه به نکته بالا باید بگوییم که اگر وسیله برقی فقط به یک سیم فاز وصل شود برای اینکه مدار کامل شود و وسیله روشن شود نیاز به سیم دیگری داریم که برق را از وسیله به مولد برگرداند که به این سیم، سیم نول می گویند.

در حقیقت سیم نول سیمی است که جریان خروجی از وسیله را به مولد برمی‌گرداند.

نکته مهم: سیم نول را  وارد چاهی مرطوب می‌کنند تا به زمین وصل شود که به آن چاه نول می‌گویند. این کار باعث می‌شود از زمین مرطوب به عنوان قسمتی از مدار استفاده شود. یعنی زمین نیز به عنوان قسمتی از مدار بین مصرف کننده و مولد مورد استفاده قرار می‌گیرد. مشابه این عمل در اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرد مثلا برای روشن کردن یک لامپ توسط باطری ماشین کافیست یکی از قطب‌های باطری را به لامپ وصل کرده و سر دیگر لامپ را به بدنه ماشین وصل کنیم. بدنه ماشین نقش سیم نول را بازی می کند.

باید دقت کرد که سیم نول نیز هنگامی که وسیله برقی روشن است دارای برق می‌باشد و خطرناک است اما اگر وسیله برقی خاموش باشد نول بدون برق است.

معمولا از پنج سیمی که وارد یک کوچه می‌شود سه تای آن‌ها فاز است چهارمی نول است و سیم پنجمی برای شهرداری است که از آن برای روشن کردن لامپ معابر استفاده می‌کنند.

شاید دیده باشید که کابل برقی که وارد خانه می‌شود دو رشته دارد که یکی از این رشته‌ها به یکی از سه فاز و دیگری به سیم نول متصل می شود. سیم نول پس از خروج از خانه ابتدا به ترانسفور ماتور وصل می‌شود و سپس به چاه نول هدایت می شود.

وسایل صنعتی مانند موتور سه فاز نیازی به سیم نول ندارند چون خود فازها با هم اختلاف پتانسیل دارند.

مزایای سیستم سه فاز

• در جریان تکفاز مقدار قدرت لحظه ای در قسمتهایی به صفر می رسد اما در جریان سه فاز هیچگاه توان لحظه ای صفر نمی شود چون اگر یکی از فازها مقدارش به صفر برسد فازهای دیگر دارای مقادیر هستند.
• راه اندازی موتورهای آسنکرون : می دانیم که برای گردش موتورهای آسنکرون احتیاج به میدان دوار است که این میدان با جریان تکفاز ساخته نمی شود.
• تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم : دامنه یکسو در تبدیل سیستم سه فاز به جریان مستقیم دارای ضربان کمتری نسبت به جریان یکسو شده توسط جریان متناوب تکفاز بوده و ضریب بهره آن زیاد است.