ระบบไฟฟ้ากำลังสามเฟส (Three-Phase Power Systems)

การผลิต การส่งจ่าย และการจ่ายกำลังไฟฟ้าอุตสาหกรรมหนักส่วนใหญ่ในปัจจุบันอาศัย ระบบไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (Three-phase AC systems) มากกว่าระบบเฟสเดียว ระบบสามเฟสใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 3 แหล่งที่เป็นอิสระต่อกัน แต่มีขนาดและความถี่เท่ากัน โดยมีมุมเฟสต่างกัน $120^\circ$

ระบบสามเฟสสามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้มากกว่าเมื่อเทียบกับมวลของสายตัวนำที่เท่ากัน และให้กำลังไฟฟ้าชั่วขณะที่คงที่ (ไม่เต้นเป็นจังหวะ) ซึ่งส่งผลให้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ทำงานได้เรียบและราบรื่นกว่า

การต่อแบบวาย (Y) และเดลต้า ($\Delta$)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหลดแบบสามเฟสสามารถเชื่อมต่อได้สองรูปแบบหลัก:

1. การต่อแบบวาย (Wye หรือ Y): ทั้งสามเฟสมาบรรจบกันที่จุดนิวทรัล (Neutral) ร่วมกัน
2. การต่อแบบเดลต้า (Delta หรือ $\Delta$): ทั้งสามเฟสต่อเรียงกันปลายชนหัวเป็นวงจรปิด

ความสัมพันธ์ระหว่างสายและเฟส (ระบบสมดุล)

ระบบที่ สมดุล (Balanced) จะมีแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดที่เหมือนกัน และมีอิมพีแดนซ์ของโหลดที่เหมือนกันในทั้งสามเฟส เราจะแยกความแตกต่างระหว่างตัวแปร เฟส (phase) (แรงดัน/กระแสไฟฟ้าคร่อมอุปกรณ์โหลดแต่ละตัว) และตัวแปร สาย (line) (แรงดัน/กระแสไฟฟ้าบนสายส่ง)

สำหรับการต่อแบบ Y สมดุล:

• กระแสสาย ($I_L$) เท่ากับกระแสเฟส ($I_p$): $I_L = I_p$
• ขนาดของแรงดันสาย ($V_L$) เป็น $\sqrt{3}$ เท่าของแรงดันเฟส ($V_p$): $V_L = \sqrt{3} V_p$
• แรงดันสายมีมุมเฟสนำหน้าแรงดันเฟสอยู่ $30^\circ$

สำหรับการต่อแบบ $\Delta$ สมดุล:

• แรงดันสาย ($V_L$) เท่ากับแรงดันเฟส ($V_p$): $V_L = V_p$
• ขนาดของกระแสสาย ($I_L$) เป็น $\sqrt{3}$ เท่าของกระแสเฟส ($I_p$): $I_L = \sqrt{3} I_p$
• กระแสสายมีมุมเฟสตามหลังกระแสเฟสอยู่ $30^\circ$

การคำนวณกำลังไฟฟ้าสามเฟส

กำลังไฟฟ้าจริง (Real power, $P$), กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ (Reactive power, $Q$), และกำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent power, $S$) รวมสำหรับโหลดสามเฟสสมดุล สามารถคำนวณได้โดยใช้ปริมาณเฟสหรือปริมาณสาย

หากใช้ปริมาณสาย (ซึ่งเป็นสิ่งที่วัดได้ทั่วไปที่สุด) กำลังไฟฟ้ารวมคือ:

$P = \sqrt{3} V_L I_L \cos(\theta)$ $Q = \sqrt{3} V_L I_L \sin(\theta)$ $S = \sqrt{3} V_L I_L$

โดยที่ $\theta$ คือมุมอิมพีแดนซ์ของโหลด (มุมระหว่างแรงดันเฟสและกระแสเฟส ไม่ใช่มุมระหว่างแรงดันสายและกระแสสาย) และ $\cos(\theta)$ คือตัวประกอบกำลัง (Power factor)

ตัวอย่างการคำนวณ

เนื้อหาตัวอย่างการคำนวณกำลังไฟฟ้าสามเฟสแบบละเอียดพร้อมระบบ Interactive สามารถดูได้ที่ ตัวอย่างการคำนวณ: ระบบไฟฟ้ากำลังสามเฟส

การตรวจสอบทางวิศวกรรม

ในระบบที่ต่อแบบ Y และสมดุลอย่างสมบูรณ์ ผลรวมของกระแสไฟฟ้าที่ไหลกลับผ่านสายนิวทรัลจะเป็นศูนย์ ดังนั้นในทางทฤษฎีจึงสามารถตัดสายนิวทรัลทิ้งได้ (หรือใช้สายขนาดเล็กลง) อย่างไรก็ตาม ในระบบจ่ายไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ในโลกแห่งความเป็นจริง (ซึ่งมักจะมีโหลดเฟสเดียวที่ไม่สมดุลปะปนอยู่) สายนิวทรัลที่แข็งแรงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการป้องกันสภาวะแรงดันเกิน (overvoltage) อย่างรุนแรงในเฟสที่มีโหลดน้อยกว่า