آشنايي با برق سه فاز

در اين مقاله به معرفي برق سه فاز، تفاوت آن با برق تکفاز، دليل نداشتن نول، انواع اتصال در برق سه فاز، روش هاي اندازه گيري توان و مزاياي برق سه فاز خواهيم پرداخت.

آشنايي با جريان سه فاز

جريان سه فاز در مداري که سيم بندي القاء شونده آن (آرميچر) از سه دسته سيم پيچ جدا که هر کدام نسبت به هم 120 درجه الکتريکي اختلاف فاز دارند تهيه مي شود.

برق تک‌فاز با سه فاز چه تفاوتي دارد؟

برق تکفاز داراي دو رشته سيم مي باشد، يکي فاز 220 ولت متناوب و ديگري نول.

برق سه فاز داراي چهار رشته سيم مي باشد، سه سيم فاز 380 ولت متناوب و يک سيم نول. که فاز اول را با رنگ قرمز و فاز دوم را با رنگ زرد و فاز آخر هم با رنگ آبي نشان مي دهند. سيستم سه فاز دو نوع اتصال دارد:

• اتصال ستاره و اتصال مثلت. که هرکدام از اين اتصال ها کارايي خاص خود را دارند و تفاوت اين دو اتصال در سيم نول ميباشد.به طوري که براي ايجاد سيم نول از اتصال ستاره استفاده ميکنند و بين فازها 120 درجه اخلاف فازي به وجود مي آورند. و اتصال مثلث در شبکه انتقال استفاده مي شود چرا که در انتقال نيازي به داشتن سيم نول نيست.


• دستگاه سه فاز مدارهاي الکتريکي دستگاهي است شامل سه مدار با نيروهاي محرکه الکتريکي متناوب با فرکانس يکسان ، که نسبت به يکديگر به اندازه 1/3 دوره اختلاف فاز دارند (3/φ = 2π). هر تک مدار از اين دستگاه به اختصار فاز ناميده مي‌شود و دستگاه جريانهاي متناوب با اختلاف فاز در اين مدارها به جريان سه فاز معروف است. تقريبا تمام مولدهايي که در نيروگاههاي الکتريکي نصب ميشوند مولدهاي سه فاز هستند. يک چنين مولدي اصولا ترکيبي از سه مولد AC در يک ماشين است. اين مولدها چنان طراحي ميشوند که نسبت به يکديگر به اندازه سوم دوره اختلاف فاز داشته باشند. انرژي الکتريکي در نيروگاه‌ها بوسيله آلترناتورهاي سه فاز توليد مي‌شود. اين الترناتورها از دو قسمت عمده تشکيل شده‌اند.

انواع اتصال در سيستم سه فاز

در سيستم سه فاز معمولاً‌ از سه نوع اتصال استفاده مي شود :

• الف- اتصال ستاره


• ب- اتصال مثلث


• ج- اتصال مختلط (ترکيبي از اتصالهاي ستاره و مثلث مي باشد)

محاسبه جريان و ولتاژ در اتصال ستاره

همانطور که مي دانيم در اتصال ستاره اختلاف سطح هر فاز با سيم نول ولتاژ فازي (UP) و اختلاف سطح هر فاز با فازي ديگر ولتاژ (Ul) را تشکيل مي دهند. مقدار ولتاژ خط از مجموع دو ولتاژ فازي بدست مي آيد. به همين جهت براي بدست آوردن مقدار Ul بايد برآيند دو ولتاژ فازي را رسم و مقدار آن را محاسبه نماييم. بدين ترتيب که يکي از بردارها را در امتداد و به اندازه خودش رسم کرده و سپس بردار را با بردار پهلويش رسم مي کنيم. رابطه روبرو برقرار است:

UL=(√3)UP

اما جرياني که از هر کلاف عبور مي کند همان جريان خط مي باشد. يعني در اتصال ستاره جريان خط مساوي جريان فاز است IL=IP

محاسبه جريان و ولتاژ در اتصال مثلث

در اين روش کلافهاي مصرف کننده يا مولد به شکل مثلث قرار مي گيرند. همانطور که مي دانيم ولتاژ خط UL در اتصال مثلث همان ولتاژي است که در دو سر کلاف قرار دارد يعني در اتصال مثلث ولتاژ خط برابر با ولتاژ فاز است : UL = UP

اما جرياني که از هر خط مي گذرد مجموع برداري جريان دو کلاف بعدي است. پس جريان هر خط 1.73 برابر جريان هر فاز است :

IP=(√3)IL

جريان هر خط 1.73 برابر جريان هر فاز است.

توان در مدارهاي سه فاز

در يک اتصال سه فاز توان کل از مجموع توانهاي هر فاز بدست مي آيد :

P = P1+P2+P3

اگر بار متعادل باشد داريم :

P1 = P2 = P3 = Pph

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

P = 3Pph

P = Up.lp.COSφ

در اتصال ستاره توان بصورت زير بدست مي آيد :

UP=(√3)UL و ip=iL

P=(√3)IL.UL.Cosφ

در اتصال مثلث هم رابطه بالا صادق مي باشد.

روش هاي اندازه گيري توان

معمولاً براي اندازه گيري در سيستم سه فاز از دو روش زير استفاده مي کنند:

الف- روش چهار سيم (3 واتمتري)

ب- روش سه سيم (2 واتمتري)

الف- روش چهار سيم :

در اين روش با استفاده از 3 واتمتر که سر راه هر فاز قرار مي گيرد و سيم نول توان هر فاز جداگانه اندازه گيري شده و مجموع اين سه واتمتر توان کل مي باشد. اگر بار کاملاً متعادل باشد هر سه واتمتر داراي مقادير مساوي مي شوند. پس در يک بار متعادل فقط از يک واتمتر هم مي توان استفاده کرد.

ب- روش سه سيم :

در اين روش بدون سيم نول عمل مي شود. دو واتمتر که هر کدام بين دو فاز قرار مي گيرد البته فاز وسط براي فازهاي اول و سوم مشترک است توان کل از مجموع دو واتمتر بدست مي آيد.

چرا  برق سه فاز نول ندارد؟
براي روشن شدن يک وسيله برقي بايد آن وسيله را بين دو نقطه وصل کنيم که آن دو نقطه داراي اختلاف پتانسيل الکتريکي باشند. مثلا لامپ را بين قطب‌هاي باطري قرار مي دهيم. يعني وسيله در يک مدار بسته قرار گيرد.

در نيروگاه برق سه سيم برقدار (سه فاز) برق را به مصرف کننده منتقل مي‌کنند. اين سه سيم برقدار مشابه هم‌اند اما ولتاژ آن‌ها 120 درجه با هم اختلاف فاز دارد. معني اين جمله اين است که اين سه سيم با هم اختلاف پتانسيل دارند پس اگر دو تا از آن‌ها را به دو سر يک وسيله وصل کنيم آن وسيله روشن مي شود. موتور سه فاز به همين روش کار مي کند. به هرکدام از اين سيم‌ها برق تک فاز گفته مي‌شود.

در حقيقت قسمت روتور ژنراتور از سه سيم پيچ تشکيل شده است که اين سيم پيچ‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به هم قرار دارند و هنگام توليد برق هرکدام از اين سيم پيچ‌ها برق مخصوص به خود را توليد مي‌کند يعني از هر ژنراتور سه سيم برقدار خارج مي‌شود که به آن‌ها سه فاز مي‌گويند که هر فاز برق توليدي يکي از سيم پيچ‌ها مي‌باشد. به علت وجود زاويه 120 درجه بين سيم پيچ‌ها برق توليدي آن‌ها داراي اختلاف فاز 120 درجه مي‌باشد.

سوال مهم اين است پس سيم نول کجا به کار مي‌رود؟

با توجه به نکته بالا بايد بگوييم که اگر وسيله برقي فقط به يک سيم فاز وصل شود براي اينکه مدار کامل شود و وسيله روشن شود نياز به سيم ديگري داريم که برق را از وسيله به مولد برگرداند که به اين سيم، سيم نول مي گويند.

در حقيقت سيم نول سيمي است که جريان خروجي از وسيله را به مولد برمي‌گرداند.

نکته مهم: سيم نول را  وارد چاهي مرطوب مي‌کنند تا به زمين وصل شود که به آن چاه نول مي‌گويند. اين کار باعث مي‌شود از زمين مرطوب به عنوان قسمتي از مدار استفاده شود. يعني زمين نيز به عنوان قسمتي از مدار بين مصرف کننده و مولد مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مشابه اين عمل در اتومبيل مورد استفاده قرار مي‌گيرد مثلا براي روشن کردن يک لامپ توسط باطري ماشين کافيست يکي از قطب‌هاي باطري را به لامپ وصل کرده و سر ديگر لامپ را به بدنه ماشين وصل کنيم. بدنه ماشين نقش سيم نول را بازي مي کند.

بايد دقت کرد که سيم نول نيز هنگامي که وسيله برقي روشن است داراي برق مي‌باشد و خطرناک است اما اگر وسيله برقي خاموش باشد نول بدون برق است.

معمولا از پنج سيمي که وارد يک کوچه مي‌شود سه تاي آن‌ها فاز است چهارمي نول است و سيم پنجمي براي شهرداري است که از آن براي روشن کردن لامپ معابر استفاده مي‌کنند.

شايد ديده باشيد که کابل برق که وارد خانه مي‌شود دو رشته دارد که يکي از اين رشته‌ها به يکي از سه فاز و ديگري به سيم نول متصل مي شود. سيم نول پس از خروج از خانه ابتدا به ترانسفور ماتور وصل مي‌شود و سپس به چاه نول هدايت مي شود.

وسايل صنعتي مانند موتور سه فاز نيازي به سيم نول ندارند چون خود فازها با هم اختلاف پتانسيل دارند.

مزاياي سيستم سه فاز

• در جريان تکفاز مقدار قدرت لحظه اي در قسمتهايي به صفر مي رسد اما در جريان سه فاز هيچگاه توان لحظه اي صفر نمي شود چون اگر يکي از فازها مقدارش به صفر برسد فازهاي ديگر داراي مقادير هستند.


• راه اندازي موتورهاي آسنکرون : مي دانيم که براي گردش موتورهاي آسنکرون احتياج به ميدان دوار است که اين ميدان با جريان تکفاز ساخته نمي شود.


• تبديل جريان متناوب به جريان مستقيم : دامنه يکسو در تبديل سيستم سه فاز به جريان مستقيم داراي ضربان کمتري نسبت به جريان يکسو شده توسط جريان متناوب تکفاز بوده و ضريب بهره آن زياد است.