Điện ba pha

Điện ba pha là một hệ thống AC có ba điện áp cùng tần số, lệch pha nhau $120^\circ$. Trong một hệ cân bằng, khoảng lệch này giúp tổng công suất cấp cho tải không đổi theo thời gian, đó là lý do quan trọng khiến điện ba pha được dùng cho lưới điện, nhà máy và động cơ.

Nếu bạn đang làm bài tập hoặc đọc thông số trên nhãn máy, các ý chính thường là: hiểu độ lệch pha có nghĩa gì, phân biệt rõ đại lượng dây với đại lượng pha, và chỉ dùng các công thức công suất rút gọn khi hệ là cân bằng.

Điện ba pha có nghĩa là gì

Hãy hình dung ba điện áp hình sin giống hệt nhau, chỉ khác là mỗi điện áp bị dịch đi một phần ba chu kỳ:

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

Nếu biên độ bằng nhau và khoảng lệch pha đúng bằng $120^\circ$, bộ ba này được gọi là cân bằng. Chính điều kiện cân bằng này làm cho các công thức điện ba pha tiêu chuẩn trở nên đơn giản và hữu ích.

Khoảng cách $120^\circ$ không phải là ngẫu nhiên. Nó phân bố đều ba dạng sóng trên một chu kỳ, nên khi một pha đang giảm thì pha khác đang tăng. Với tải cân bằng, điều đó làm cho công suất tổng cấp đến tải ổn định hơn nhiều so với hệ một pha.

Vì sao điện ba pha hữu ích

Nguồn một pha cung cấp công suất tăng giảm theo từng chu kỳ. Nguồn ba pha cân bằng phân chia nhiệm vụ đó cho ba pha lệch nhau, nên tổng công suất cấp ra là không đổi đối với tải cân bằng trong điều kiện xác lập hình sin.

Điều này đặc biệt quan trọng với động cơ. Động cơ ba pha có thể tự nhiên tạo ra từ trường quay, giúp mô-men xoắn êm hơn và vận hành đơn giản hơn so với động cơ một pha tương đương.

Điện áp dây và điện áp pha

Các bài toán điện ba pha thường chuyển qua lại giữa đại lượng dây và đại lượng pha. Đây là chỗ rất dễ sai, vì vậy hãy xác định rõ các đại lượng trước khi tính.

Trong hệ cân bằng nối sao:

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

và

$$I_L = I_{ph}$$

Ở đây $V_L$ là điện áp dây và $V_{ph}$ là điện áp trên một pha. Các hệ thức này chỉ đúng cho nối sao cân bằng. Với nối tam giác, quan hệ giữa điện áp và dòng điện sẽ khác.

Công thức công suất ba pha chính

Với tải ba pha cân bằng, công suất tác dụng là

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

trong đó $V_L$ là điện áp dây, $I_L$ là dòng điện dây, và $\cos \phi$ là hệ số công suất.

Nếu cần công suất biểu kiến, dùng

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

Với công suất phản kháng, dùng

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

Các công thức gọn này giả sử hệ ba pha là cân bằng và các đại lượng ở trạng thái xác lập hình sin. Nếu tải không cân bằng, bạn thường phải tính theo từng pha thay vì dựa vào một công thức rút gọn.

Ví dụ có lời giải: Công suất tác dụng trong hệ cân bằng

Giả sử một tải ba pha cân bằng được cấp điện áp dây $400\ \text{V}$. Dòng điện dây là $10\ \text{A}$ và hệ số công suất là $0.8$.

Dùng công thức công suất tác dụng của hệ cân bằng:

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

Thay số vào:

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

Vậy tải tiêu thụ khoảng

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

Đây là ưu điểm chính của công thức dùng đại lượng dây: trong hệ cân bằng, nó cho trực tiếp tổng công suất tác dụng. Bạn không cần tính công suất của từng pha riêng lẻ trừ khi đề bài yêu cầu rõ các đại lượng pha.

Những lỗi thường gặp trong bài toán điện ba pha

• Nhầm lẫn giữa đại lượng dây và đại lượng pha. Trong hệ nối sao, điện áp dây bằng $\sqrt{3}$ lần điện áp pha, còn dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong hệ nối tam giác, quy luật này thay đổi.

• Dùng $P = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi$ mà không kiểm tra tải có cân bằng hay không. Công thức rút gọn này không phải là công thức tổng quát cho mọi mạch ba pha.

• Bỏ qua hệ số công suất. Chỉ biết điện áp và dòng điện thì chưa đủ để tính công suất tác dụng, trừ khi tải thuần trở.

• Xem ba pha như ba mạch một pha không liên quan. Chính khoảng lệch pha cố định mới tạo ra các ưu điểm thực tế của hệ thống này.

Điện ba pha được dùng ở đâu

Điện ba pha là tiêu chuẩn trong phát điện, truyền tải và phân phối điện công nghiệp. Nó cũng rất phổ biến ở những nơi dùng động cơ lớn, bơm, máy nén hoặc máy công cụ.

Phần lớn nhà ở dùng điện một pha ở điểm đấu nối cuối cùng, nhưng lưới điện lớn phía sau hệ cấp đó được xây dựng dựa trên phát và phân phối điện ba pha vì nó truyền tải điện hiệu quả và phù hợp với thiết bị quay công suất lớn.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy tự làm lại ví dụ trên với điện áp dây, dòng điện hoặc hệ số công suất khác. Nếu muốn đi thêm một bước, hãy so sánh cùng một tải khi dùng nguồn một pha và ba pha để thấy sự khác nhau về cách cấp công suất và đặc tính làm việc của động cơ.