ไฟฟ้าสามเฟส

ไฟฟ้าสามเฟสเป็นระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่มีแรงดัน 3 ค่า ความถี่เท่ากัน และมีมุมเฟสห่างกัน $120^\circ$ ในระบบสมดุล การจัดระยะเช่นนี้ทำให้กำลังรวมที่จ่ายให้โหลดคงที่ตามเวลา ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่ไฟฟ้าสามเฟสถูกใช้ในระบบโครงข่ายไฟฟ้า โรงงาน และมอเตอร์

ถ้าคุณกำลังทำการบ้านหรืออ่านข้อมูลบนเนมเพลต แนวคิดหลักที่มักต้องรู้มีดังนี้: เข้าใจว่าการเหลื่อมเฟสหมายถึงอะไร แยกค่าระหว่างสายกับค่าของเฟสให้ชัดเจน และใช้สูตรลัดของกำลังไฟฟ้าได้ก็ต่อเมื่อระบบสมดุลเท่านั้น

ไฟฟ้าสามเฟสหมายถึงอะไร

ให้นึกถึงแรงดันไซน์ 3 ตัวที่มีรูปเหมือนกันทุกอย่าง ต่างกันเพียงแต่แต่ละตัวถูกเลื่อนออกไปหนึ่งในสามของคาบ:

$$v_a = V_m \sin(\omega t), \qquad v_b = V_m \sin(\omega t - 120^\circ), \qquad v_c = V_m \sin(\omega t - 240^\circ)$$

ถ้าแอมพลิจูดเท่ากันและระยะห่างของเฟสเท่ากับ $120^\circ$ พอดี ชุดนี้จะเรียกว่าระบบสมดุล เงื่อนไขสมดุลนี้เองที่ทำให้สูตรมาตรฐานของไฟฟ้าสามเฟสใช้งานได้ง่ายและมีประโยชน์

ระยะห่าง $120^\circ$ ไม่ได้ถูกเลือกมาแบบสุ่ม แต่มันทำให้รูปคลื่นทั้งสามกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอตลอดหนึ่งคาบ ดังนั้นเมื่อเฟสหนึ่งกำลังลดลง อีกเฟสหนึ่งก็จะกำลังเพิ่มขึ้น สำหรับโหลดสมดุล สิ่งนี้ทำให้การจ่ายกำลังรวมเรียบกว่าระบบเฟสเดียวมาก

ทำไมไฟฟ้าสามเฟสจึงมีประโยชน์

แหล่งจ่ายไฟฟ้าเฟสเดียวจะจ่ายกำลังที่เพิ่มขึ้นและลดลงในแต่ละคาบ แต่แหล่งจ่ายไฟฟ้าสามเฟสแบบสมดุลจะแบ่งภาระนี้ออกไปใน 3 เฟสที่เหลื่อมกัน ทำให้กำลังรวมที่จ่ายคงที่สำหรับโหลดสมดุลภายใต้สภาวะคงตัวแบบไซน์

เรื่องนี้สำคัญมากกับมอเตอร์ มอเตอร์สามเฟสสามารถสร้างสนามแม่เหล็กหมุนได้ตามธรรมชาติ ซึ่งช่วยให้แรงบิดเรียบกว่าและการทำงานง่ายกว่ามอเตอร์เฟสเดียวที่ให้สมรรถนะใกล้เคียงกัน

แรงดันสาย กับ แรงดันเฟส

โจทย์ไฟฟ้าสามเฟสมักสลับไปมาระหว่างค่าของสายและค่าของเฟส ซึ่งเป็นจุดที่หลายคนเริ่มผิดพลาด ดังนั้นควรกำหนดปริมาณแต่ละตัวให้ชัดก่อนคำนวณ

ในระบบสมดุลแบบต่อวาย:

$$V_L = \sqrt{3}\, V_{ph}$$

และ

$$I_L = I_{ph}$$

โดยที่ $V_L$ คือแรงดันระหว่างสาย และ $V_{ph}$ คือแรงดันคร่อมหนึ่งเฟส ความสัมพันธ์เหล่านี้ใช้เฉพาะกับการต่อวายแบบสมดุลเท่านั้น ในการต่อเดลตา ความสัมพันธ์ของแรงดันและกระแสจะต่างออกไป

สูตรกำลังไฟฟ้าสามเฟสที่สำคัญ

สำหรับโหลดสามเฟสแบบสมดุล กำลังจริงคือ

$$P = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi$$

โดยที่ $V_L$ คือแรงดันสาย, $I_L$ คือกระแสสาย และ $\cos \phi$ คือตัวประกอบกำลัง

ถ้าต้องการหากำลังปรากฏ ให้ใช้

$$S = \sqrt{3} V_L I_L$$

สำหรับกำลังรีแอกทีฟ ให้ใช้

$$Q = \sqrt{3} V_L I_L \sin \phi$$

สูตรแบบย่อเหล่านี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าระบบสามเฟสสมดุลและอยู่ในสภาวะคงตัวแบบไซน์ ถ้าโหลดไม่สมดุล โดยทั่วไปคุณต้องคำนวณทีละเฟสแทนที่จะใช้สูตรลัดเพียงสูตรเดียว

ตัวอย่างคำนวณ: กำลังจริงในระบบสมดุล

สมมติว่าโหลดสามเฟสแบบสมดุลได้รับแรงดัน $400\ \text{V}$ ระหว่างสาย กระแสสายมีค่า $10\ \text{A}$ และตัวประกอบกำลังเท่ากับ $0.8$

ใช้สูตรกำลังจริงของระบบสมดุล:

$$P = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi$$

แทนค่าลงไป:

$$P = \sqrt{3} \times 400 \times 10 \times 0.8$$ $$P \approx 1.732 \times 3200 \approx 5540\ \text{W}$$

ดังนั้นโหลดนี้ใช้กำลังประมาณ

$$P \approx 5.54\ \text{kW}$$

นี่คือข้อดีหลักของสูตรที่ใช้ค่าระดับสาย: ในระบบสมดุล มันให้ค่ากำลังจริงรวมได้โดยตรง คุณไม่จำเป็นต้องคำนวณกำลังของแต่ละเฟสแยกกัน เว้นแต่โจทย์จะถามหาปริมาณของแต่ละเฟสโดยเฉพาะ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์ไฟฟ้าสามเฟส

• สับสนระหว่างค่าของสายกับค่าของเฟส ในระบบวาย แรงดันสายมีค่าเป็น $\sqrt{3}$ เท่าของแรงดันเฟส แต่กระแสสายเท่ากับกระแสเฟส ส่วนในระบบเดลตา ความสัมพันธ์นี้จะเปลี่ยนไป

• ใช้ $P = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi$ โดยไม่ตรวจสอบก่อนว่าโหลดสมดุลหรือไม่ สูตรลัดนี้ไม่ใช่สูตรทั่วไปสำหรับวงจรสามเฟสทุกแบบ

• มองข้ามตัวประกอบกำลัง แรงดันและกระแสเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบอกกำลังจริงได้ เว้นแต่โหลดจะเป็นตัวต้านทานล้วน

• มองว่าแต่ละเฟสเป็นวงจรเฟสเดียวที่ไม่เกี่ยวข้องกัน ความห่างของเฟสที่คงที่นี่เองคือสิ่งที่ทำให้ระบบนี้มีข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติ

ไฟฟ้าสามเฟสถูกใช้งานที่ไหน

ไฟฟ้าสามเฟสเป็นมาตรฐานในงานผลิตไฟฟ้า การส่งกำลังไฟฟ้า และการจ่ายไฟในภาคอุตสาหกรรม นอกจากนี้ยังพบได้ทั่วไปในงานที่ใช้มอเตอร์ขนาดใหญ่ ปั๊ม คอมเพรสเซอร์ หรือเครื่องมือกล

บ้านส่วนใหญ่มักใช้ไฟฟ้าเฟสเดียวที่จุดเชื่อมต่อปลายทาง แต่โครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่อยู่เบื้องหลังถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของการผลิตและการจ่ายไฟแบบสามเฟส เพราะส่งกำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพและรองรับอุปกรณ์หมุนขนาดใหญ่ได้ดี

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

ลองเปลี่ยนค่าของแรงดันสาย กระแส หรือค่าตัวประกอบกำลังในตัวอย่างนี้ด้วยตัวเอง ถ้าอยากไปอีกขั้น ให้เปรียบเทียบโหลดเดียวกันภายใต้แหล่งจ่ายเฟสเดียวและสามเฟส แล้วสังเกตว่าการจ่ายกำลังและพฤติกรรมของมอเตอร์แตกต่างกันอย่างไร