نمایش 36 کالا
سیستم قدرت شبکه‌ای است که در آن توان الکتریکی توسط ژنراتورها تولید شده و توسط خطوط انتقال به مصرف کننده یا مشترکین می‌رسد. سیستم‌های قدرت از دیدگاه سنتی شامل سه قسمت کلی تولید، انتقال و توزیع هستند.
در بخش تولید، ژنراتورها قرار دارند و توان یا ولتاژ در این محل تولید می‌شود. بخش انتقال، واسطه‌ای است که توان تولید شده را به مصرف کننده می‌رساند. این فرآیند توسط خطوط انتقال انجام می‌گیرد. در بخش توزیع، ولتاٰژ منتقل شده به منظور استفاده مشترکین آماده می‌شود. به این صورت که در چند مرحله، سطح ولتاژ پایین می‌آید تا به سطح ولتاژ مناسب برسد. در شکل زیر، بخش انتقال یک سیستم قدرت را مشاهده می‌کنید که برق به شکل سه‌فاز از طریق خطوط انتقال به مصرف‌کننده می‌رسد.
«توماس ادیسون» (Thomas Edison) به عنوان پایه‌گذار صنعت برق، در سال ۱۸۸۲ میلادی (۱۲۶۰ شمسی) اولین شبکه برق را برای تامین روشنایی در محله‌ای از نیویورک تاسیس کرد. این نیروگاه که «پرل استریت» (Pearl Street) نام داشت، از ژنراتورهای DC و کابل‌‌های زیرزمینی تشکیل شده بود و در آن زمان در حدود ۸۵ مشترک را تغذیه می‌کرد.
پس از آن، شرکت‌های زیادی تحت امتیاز ادیسون برای روشنایی تاسیس شدند. البته در سال ۱۸۹۰ میلادی (۱۲۶۸ شمسی)، به دلیل وقوع آتش‌سوزی در نیروگاه، همه‌چیز از بین رفت و تنها تعداد اندکی از تجهیزات باقی ماندند که در حال حاضر در موزه نگهداری می‌شوند.
مشکل اصلی سیستم DC در آن زمان، تلفات بالا به دلیل سطح ولتاژ پایین خطوط بود. به همین علت، اولین شبکه برق AC در سال ۱۸۹۱ میلادی (۱۲۶۹ شمسی) توسط «جورج وستینگهاوس» (George Westinghouse)، یکی از رقبای اصلی توماس ادیسون در اجرای سیستم برق آمریکا و به کمک «نیکولا تسلا» (Nikola Tesla) ساخته شد. ساخت «موتورهای القایی» (Induction Motors) و «ترانسفورماتورها» (Transformers)، دو دلیل اصلی پیروزی سیستم‌های AC بر سیستم‌های DC در آن دوران بودند.
موتور القایی از اختراعات ثبت شده تسلا بود که حق امتیاز آن، توسط جورج وستینگهاوس، در آن دوران خریداری شد. ترانسفورماتورهای جریان متناوب نیز، توسط «ویلیام استنلی» (William Stanley) اختراع شد و در کنار موتور القایی، باعث غلبه سیستم‌های AC بر سیستم‌های DC در صنعت برق آن دوران شد. در شکل زیر، اولین ترانسفورماتور ساخته شده توسط ویلیام استنلی را مشاهده می‌کنید.
شکل زیر نیز اولین موتور القایی ساخته شده توسط نیکولا تسلا را نشان می‌دهد.
با روی کار آمدن سیستم AC در صنعت برق و فراگیری آن در دنیا، سرانجام در سال ۱۸۹۳ میلادی (۱۲۷۱ شمسی)، شرکت ادیسون کالیفرنیای جنوبی اولین سیستم سه‌فاز AC را نصب کرد. در سال‌های اولیه پیدایش سیستم‌های برق سه فاز، فرکانس‌‌های ۲۵ تا ۱۳۳ هرتز در آمریکا استفاده می‌شد؛ اما پس از چند سال، فرکانس استاندارد در آمریکا به ۶۰ هرتز تغییر یافت. در اروپا نیز فرکانس استاندارد، ۵۰ هرتز تعیین شد.
سیستم برق سه فاز، نسبت به تکفاز مزایای زیادی دارد. البته این مزایا تنها در مقایسه با سیستم‌های تکفاز سنجیده نمی‌شوند. به عبارتی، می‌توان گفت که در یک سیستم قدرت، استفاده از سه فاز در مقایسه با فازهای بالاتر نظیر شش یا دوازده فاز، حالت بهینه‌ای دارد که بیشترین بهره‌وری را با صرف کمترین هزینه ارائه می‌دهد. بنابراین یک سیستم سه‌فاز، در یک نگاه کلی نسبت به بقیه فازها مقرون به صرفه‌تر است. اما از آنجایی که از نظر تاریخی، سیستم‌های سه‌فاز، در ابتدا جایگزین سیستم‌های تکفاز شدند، مطلوب است ابتدا مقایسه‌ای داشته باشیم بر مزیت‌های برق سه فاز نسبت به تکفاز تا روند پیشرفت تکنولوژی در صنعت برق را بهتر درک کنیم. این مزیت‌ها در بخش‌های بعدی مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
هنگام انتقال انرژی الکتریکی از واحد تولید به مصرف و در بخش انتقال، هرچه سطح ولتاژ خطوط انتقال بالاتر باشد، تلفات کمتر است. دلیل چنین موضوعی این است که یک خط انتقال در طول مسیر، خاصیت مقاومتی دارد. یعنی ولتاژ در طول خط، به مرور تلف می‌شود. میزان توانی که خاصیت مقاومتی خط انتقال، مصرف می‌کند، توان اهمی نام دارد. این تلفات، با مقدار جریان خط رابطه مستقیم دارد. پس هرچه میزان جریان خط انتقال بالاتر باشد، توان بیشتری در طول خط تلف می‌شود.
با بالا بردن سطح ولتاژ در طول خط انتقال، میزان جریان پایین می‌آید و توان کمتری تلف می‌شود. بنابراین در گام اول، ناگزیر باید سطح ولتاژ را بالا ببریم. انجام چنین کاری با سیستم برق سه فاز به مراتب ساده‌تر خواهد بود. دلیل چنین موضوعی این است که بسیاری از تجهیزاتی که در صنایع بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند به میدان دوار جهت کارکرد نیاز دارند. ایجاد چنین میدانی توسط برق سه فاز بسیار ساده‌تر از برق تکفاز می‌باشد.
مزایای اقتصادی که برق سه فاز نسبت به برق تکفاز دارد از چند جهت قابل بررسی است. از یک دیدگاه می‌توانیم اینگونه بگوییم که ماشین‌های سه‌فاز در مقایسه با ماشین‌های تکفاز، هزینه ساخت پایین‌تری دارند. البته این مقایسه زمانی درست است که دو ماشین سه‌فاز و تکفاز را در یک خروجی یکسان باهم در نظر بگیریم؛ زیرا در یک سیستم سه‌فاز، می‌تواند میدان دوار یکنواخت و با ضربات کمتری را ایجاد کند. بنابراین تجهیزاتی نظیر موتورهای الکتریکی، زمانی که به صورت سه‌فاز ساخته می‌شوند، از نظر ابعاد، اندازه کوچکتری خواهند داشت. بنابراین هزینه ساخت آن‌ها پایین‌تر می‌آید و از نظر اقتصادی صرفه بیشتری خواهند داشت.
برای انتقال مقدار مشخصی از توان، اگر بخواهیم از سیستم سه‌فاز استفاده کنیم، به سه‌فاز و یک سیم نول (جمعا چهار سیم) احتیاج داریم. اما اگر بخواهیم همان مقدار توان را با استفاده از سیستم برق تکفاز منتقل کنیم به سه زوج سیم (فاز و نول) احتیاج داریم. یعنی جمعا به شش سیم نیاز داریم. دلیل چنین مسئله‌ای این است که در سیستم برق تکفاز، هریک از فازها یک مدار جداگانه را برای انتقال بار الکتریکی تشکیل می‌دهند. از طرفی، تشکیل یک مدار نیازمند یک مسیر بسته است. بنابراین هر یک از فازها، جهت انتقال توان، مدار خود را با استفاده از یک فاز و یک نول می‌بندند.
در سیستم برق سه فاز، هر سه فاز موجود، تشکیل یک مدار واحد را می‌دهند. این مدار واحد با استفاده از یک سیم نول، مسیر خود را تشکیل می‌دهد و آماده است که توان را منتقل کند. ویژگی چنین ساختاری، این است که هر سه فاز را در یک مدار الکتریکی جمع کرده‌ایم و به جای سه مدار الکتریکی، با یک مدار واحد روبه‌رو هستیم که این مدار نیز به یک سیم نول احتیاج دارد. بنابراین با استفاده از برق سه فاز توانستیم دو سیم نول را از شبکه حذف کنیم. نتیجه این اتفاق استفاده از کابل کمتر و در نتیجه، هزینه کمتر خواهد بود. یعنی هزینه صرف شده برای راه‌اندازی یک سیستم را با استفاده از سیستم برق سه فاز، کاهش دادیم.
یک سیستم برق سه فاز، در مقایسه با تکفاز، توان لحظه‌ای ثابتی را ارائه می‌کند. چنین ویژگی از اهمیت بالایی برخوردار است؛ زیرا زمانی که از مقدار توان در لحظه صحبت می‌کنیم و سیستم نیز به صورت جریان متناوب است، در لحظاتی از زمان با مقادیر صفر روبه‌رو می‌شویم. در واقع تنها می‌توانیم توان متوسط را به صورت مقدار ثابت در نظر بگیریم.
زمانی که از برق سه فاز استفاده می‌کنیم، توان لحظه‌ای تحویل داده شده را تقریبا می‌توانیم به صورت ثابت در نظر بگیریم. چنین ویژگی باعث لرزش و ضربات کمتری در تجهیزات می‌شود. یعنی زمانی که یک ماشین، با برق سه فاز کار می‌کند به دلیل دریافت ولتاژ ثابت در هر لحظه، پاسخ ماشین ماشین به چنین ورودی، یک پاسخ نرم و بدون ضربه خواهد بود. این موضوع سبب می‌شود تا توان تحویلی از جانب ماشین نیز کیفیت مطلوب‌تری داشته باشد.
منابعی که از برق سه فاز استفاده می‌کنند را می‌توان در حالت تکفاز نیز به کار برد. اما عکس این موضوع برقرار نیست و نمی‌توانیم به طور مستقیم، از یک منبع تکفاز به صورت سه‌فاز، خروجی بگیریم. برای این کار به تجهیزاتی نظیر اینورترها نیاز داریم. اما استفاده از آن‌ها سیستم مورد نظر را پیچیده‌تر می‌کند و هزینه‌های تمام شده برای دستیابی به برق سه فاز به مراتب بیشتر از حالتی است که بخواهیم به طور مستقیم از برق سه فاز استفاده کنیم. شکل زیر نمونه‌ای از یک مبدل را برای تبدیل برق تکفاز ۲۲۰ ولت به برق سه فاز ۳۸۰ ولت نشان می‌دهد.
