Tại sao dùng 3 pha xoay chiều để truyền tải điện năng
- Để hiểu lý do tại sao chúng ta sử dụng 3 pha xoay chiều AC để truyền năng lượng điện từ nơi này sang nơi khác chứ không phải 1, 2 hoặc 4 pha, chúng ta cần hiểu một số lịch sử đằng sau cách thức tạo ra và sử dụng năng lượng điện.
- Năng lượng điện được tạo ra bởi các máy điện quay, mặc dù phụ tải sử dụng đầu tiên chủ yếu là đèn chiếu sáng, chẳng bao lâu tải sử dụng hầu hết năng lượng là máy điện quay – motor. Điện cung cấp năng lượng cho nhiều động cơ hoạt động từ một máy phát lớn. Điều này cho phép chuyên môn hóa kinh tế: có các công ty chuyên sản xuất điện năng, các công ty truyền tải điện năng, trong khi các công ty khác sử dụng điện năng tập trung chuyên môn hóa vào các hoạt động sản xuất tiêu thụ điện.
- Ban đầu cả máy phát điện và động cơ đều có thể hoạt động như máy điện DC, hoặc AC. Trong một vài thập kỷ, cả hai hệ thống đã được sử dụng cùng một lúc, nhưng cuối cùng hệ thống AC đã được ưu tiên vì các lý do sau:
- AC có thể truyền tải với khoảng cách xa hơn và hiệu quả hơn DC, do đó cho phép các máy phát điện đặt cách xa hơn đến khách hàng, từ đó mà tránh được tiếng ồn, ô nhiễm không khí, nước….từ các nhà máy điện.
- Động cơ cảm ứng xoay chiều làm việc tin cậy hơn động cơ DC (động cơ DC có chổi than và vành góp liên tục bị mòn, động cơ cảm ứng AC thì không).
—>> Lưu ý: Một nhược điểm của động cơ cảm ứng AC là tốc độ của nó không thể thay đổi dễ dàng – nó phải chạy ở tốc độ gần với tốc độ không đổi được đặt theo tần số của nguồn cung cấp AC. Tuy nhiên, tốc độ của động cơ DC, có thể thay đổi khá dễ dàng. Ngày nay, rất dễ dàng để kiểm soát tốc độ của động cơ điện xoay chiều bằng các thiết bị điện tử công suất, ví dụ: Bộ điều chỉnh tốc độ, nhưng khi tất cả điều này xảy ra thì các bóng bán dẫn thậm chí chưa được phát minh!
Bây giờ, hãy tưởng tượng chúng ta đang sống vào năm 1900 (không có bóng bán dẫn, không có máy tính!) Và đã được giao nhiệm vụ thiết kế một hệ thống điện xoay chiều (với điện áp sóng hình sin) để truyền năng lượng điện từ máy phát sang động cơ cảm ứng AC; các tính năng mong muốn nó nên có là gì?
1. Công suất không đổi. Động cơ nên cung cấp tải cho nó với công suất ở tốc độ điều chỉnh của người dùng với mô-men xoắn trơn tru và do đó công suất trơn tru; trục không được tạo ra các xung năng lượng. Động cơ DC thực hiện điều này một cách dễ dàng; tuy nhiên bản chất của nguồn điện được cung cấp qua động cơ AC phụ thuộc vào nguồn cung cấp AC, như chúng ta thấy.
2. Mô-men xoắn khởi động. Động cơ nên cung cấp đủ mô-men xoắn để khởi động động cơ từ trạng thái ban đầu.
3. Đơn giản.
Không truyền tải hệ thống điện với 1 pha AC
- Điều này sẽ rất đơn giản, tuy nhiên công suất mà nó cung cấp không phải là hằng số. Công suất được cung cấp qua trục động cơ, nó đi từ giá trị 0 đến đỉnh 2 lần trong mỗi chu kỳ. Điều này không tốt cho công nghiệp chế biến gỗ và cán thép.
- Momen xoắn khởi động cũng không tốt, có thời điểm nó bằng 0, nếu động cơ không quay được tải thì đó là vấn đề lớn và chỉ có thể giải quyết bằng việc chế tạo động cơ phức tạp hơn và thêm các phần tử phụ.
Không truyền tải hệ thống điện với 2 pha AC
- Động cơ cảm ứng hai pha có thể cung cấp cả mô-men xoắn khởi động tốt và công suất trục không đổi nếu pha thứ hai thay đổi theo chu kỳ 1/4 (90 độ) trong giai đoạn 1. Nhưng công suất này không thể được truyền một cách hiệu quả chỉ với hai dây dẫn đến tải; một dây dẫn thứ 3 được yêu cầu để trả lại dòng trung tính về điểm chung của hai nguồn cung cấp AC (điểm sao).
- Hơn nữa, dây dẫn trung tính này sẽ phải mang dòng điện cao hơn 50% so với dòng điện chạy trong mỗi dây dẫn pha! Có thể giảm dòng trung tính này về 0, nhưng chỉ bằng cách đặt độ dịch pha thành 180deg; nhưng nó sẽ gây ra rung. Vì vậy hệ thống này cần đánh đổi: để công suất trơn tru thì dòng trung tính lớn, và để giảm được xung năng lượng chúng ta cần sửu dụng dây thứ 3 làm dây trung tính.
Hệ thống điện xoay chiều 3 pha AC dùng để truyền tải điện năng
- Nếu mỗi pha được bù bằng 1/3 chu kỳ (120 độ) từ các pha khác thì chúng ta có được tất cả các tính năng mà chúng ta muốn. Công suất là không đổi (đối với một hệ thống cân bằng). Mô-men xoắn khởi động trên một động cơ cảm ứng được cung cấp tự nhiên và đơn giản mà không cần thêm các thành phần. Dây dẫn trung tính trong một hệ thống cân bằng mang dòng điện bằng 0, vì vậy nó có thể có kích thước rất nhỏ hoặc thực tế không được lắp đặt (nhưng chỉ khi tải sẽ luôn cân bằng).
>> Để truyền tải điện cùng một công suất cho cùng một lần sụt điện áp và cùng tổn thất điện năng cáp, lượng vật liệu dây dẫn cần cho 3 pha ít hơn so với 2 pha.
Không truyền tải hệ thống điện với 4 pha AC
Nếu mỗi pha được bù bằng 1/4 chu kỳ (90 độ) từ các pha khác thì chúng ta sẽ có được tất cả các tính năng chúng ta muốn, giống như chúng ta làm cho 3 pha. Nhưng tại sao có thêm một nguồn điện áp, và thêm cáp, không có lợi? Ba pha đã cung cấp cho chúng tôi tất cả các tính năng mà chúng tôi muốn, vì vậy chúng tôi có thể dừng lại chỉ ở 3 pha, bởi không cần thêm sự phức tạp.