מערכת תלת-פאזית

מערכת תלת־פאזית (או תלת־מופעית) היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור והולכת אנרגיה חשמלית. השיטה מבוססת על זרמי חילופין בתדר זהה הזורמים בשלושה מוליכים, כאשר בין הזרמים קיים הפרש מופע של 120°.

עקרונות פעולת המערכת

במערכת תלת־פאזית סימטרית, שלושה מוליכים נושאים זרם חילופין באותו תדר ואותה משרעת מתח ביחס לנקודה משותפת ("נקודת האפס"), אך עם הפרש מופע של שליש אורך הגל. הנקודה המשותפת מיוחסת בדרך כלל לקרקע ולעיתים קרובות למוליך נושא זרם הנקרא ניוטרל (או אפס). בשל הפרש המופע, המתח על כל מוליך מגיע לשיאו בשליש של מחזור לאחר אחד המוליכים האחרים ושליש של מחזור לפני המוליך האחר. עיכוב מופע זה יוצר הפרש מתחים קבוע בין המוליכים המאפשר הפעלת מכשירים חשמליים. זה גם מאפשר לייצר שדה מגנטי מסתובב במנוע חשמלי וליצור סידורי פאזה אחרים (חד/דו מופעי) באמצעות שנאים. המתח בין המוליכים נקרא "מתח שלוב", ואילו המתח בין המוליכים לנקודת היחוס נקרא "מתח פאזי".

מערכת שלושת השלבים הסימטריים המתוארת לעיל נקראת פשוט מערכות תלת־פאזיות, כי אף על פי שניתן לתכנן וליישם מערכות כוח תלת־פאזי אסימטריות (כלומר, עם מתח לא שווה או הפרשי פאזה לא סימטריים), הן אינן משמשות בפועל כי הן חסרות את היתרונות החשובים ביותר של מערכות סימטריות.

במערכת תלת־פאזית המזינה עומס מאוזן וליניארי, סכום הזרמים הרגעי של שלושת המוליכים הוא אפס. במילים אחרות, הזרם בכל מוליך שווה בגודלו לסכום הזרמים בשניים האחרים, אך עם סימן הפוך. נתיב ההחזרה של הזרם בכל מוליך פאזה הוא שני המוליכים האחרים.

יתרונות לעומת מערכת חד־פאזית

• העברת אנרגיה יעילה יותר – במערכת חד־פאזית המעגל הבסיסי מקשר בין מקור המתח לעומס באמצעות שני מוליכים. מערכת תלת־פאזית ניתנת לתיאור כשלושה מעגלים חד־פאזיים, אך במערכת סימטרית סכום הזרמים כאמור הוא אפס, כלומר ניתן לוותר על מוליך הניוטרל. המשמעות היא שמערכת תלת־פאזית יכולה להעביר כמות אנרגיה גדולה פי 3 ממערכת חד־פאזית, אך עם כמות מוליכים גדולה פי 1.5 בלבד. מעבר לחיסכון בכמות המוליכים, הקטנת מספר המוליכים מתבטאת גם בהפסדי אנרגיה נמוכים יותר עקב ההתנגדות הקיימת במוליכים. שתי תכונות אלו הופכות למשמעותיות ביותר כשמדובר בהולכת כמויות גדולות של אנרגיה חשמלית.
• גמישות – מערכת תלת־פאזית ניתנת לפיצול פשוט לשלוש מערכות חד־פאזיות. במקומות בהם צריכת האנרגיה נמוכה יחסית (כדוגמת מתקן חשמל דירתי) ניתן לבצע חיבור תלת־פאזי אשר מתפצל בתוך המתקן למעגלים חד־פאזיים, ללא צורך בציוד נוסף.

יתרונות לעומת מערכת זרם ישר

• מערכות זרם חילופין ניתנות להשנאה, דבר בלתי אפשרי במערכות זרם ישר. המשמעות היא שמצד אחד ניתן להעלות את המתח של המערכת ובכך להקטין מאוד את הזרמים, ומהצד השני ניתן לקבל מגוון רחב של מתחים לשימושים שונים.
• מיתוג מערכת זרם חילופין פשוט יחסית, מכיוון שבכל מחזור של גל המתח הוא עובר פעמיים בנקודת האפס (כלומר לא קיים מתח בין הדקי המתג), בעוד שבמעגלי זרם ישר למתח ערך קבוע וכל משך פעולת המיתוג קיים מתח בין הדקי המתג.

חסרונות

• במערכת שבה נקודת הניוטרל אינה מיוצבת, המתחים הפאזיים למעשה אינם מוגדרים, ויכולים לפיכך להגיע לערכים גבוהים מאוד ביחס לאדמה, מה שעלול לגרום לפריצה חשמלית.
• בשל המבנה הפיזי של מוליכים במערכת תלת־פאזית והעובדה שמדובר בזרם חילופין, למערכת יש קיבוליות משמעותית שמשפיעה על התפקוד שלה. במערכת כזאת עשוי גם להתחולל קצר חשמלי קיבולי.
• התחשמלות אפשרית בערכי מתח נמוכים יחסית למערכת זרם ישר.

צורת חיבור

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו למכלול והשלימו אותו.

סכימת חיבור כוכב (למעלה) ומשולש (למטה). מוליך האפס המופיע בתצורת הכוכב אופציונלי בלבד ואינו הכרחי לפעולתה התקינה של המערכת.

כוכב

בחיבור דמוי כוכב נעשה שימוש לראשונה על ידי הבריטים במלחמת העולם הראשונה. בתצורת חיבור כוכב, שלושת מקורות המתח מחוברים בנקודה אחת (המכונה "אפס"), והמתח נוצר על גבי המוליכים ביחס לנקודה זו. כאשר נקודת האפס מקוצרת לאדמה באמצעות הארקה, המתח הפאזי של המערכת "מקובע" לערך סופי ידוע.

בחיבור כוכב, מתח הקו גדול פי $\surd 3$ מהמתח הפאזי ומקדים אותו ב30 מעלות ואילו הזרם שווה.

משולש

בתצורת משולש מקורות המתח מחוברים זה לזה בטור, כך שכל הדק מחובר למקור מתח שונה. בתצורה זו, לא קיימת במערכת נקודת "אפס" ולכן בעוד שהמתח השלוב נשאר קבוע, הרי שהמתח הפאזי יכול תאורטית לקבל כל ערך שהוא.

בחיבור משולש, מתח הקו זהה למתח הפאזי ואילו הזרם הקווי גדול פי $\surd 3$ מהזרם הפאזי ומקדים אותו ב30 מעלות.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מערכת תלת-פאזית בוויקישיתוף

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

מערכת תלת-פאזית35111120Q471846