Alternatif akım tek fazlı (monofaze) veya üç fazlı (trifaze) olarak kullanılır. Biz elektrik enerjisini üç fazlı olarak üretiyor, iletiyor ve dağıtıyoruz. Faz demek, bir sinyalin (bu akım veya gerilim olabilir) değer olarak sıfırdan geçerek pozitif değerler almaya başladığı noktanın referans (başlangıç) noktasına göre değeridir. Monofaze sistemlerde bir faz ve nötr vardır. Trifaze sinyallerde ise üç faz bulunur. Üç fazlı sistemler üçgen veya yıldız bağlanır ve bu bağlantı şekline göre devrede nötr bulunur ya da bulunmaz.

Üç Fazın Fazörel Gösterimi
BENZER İÇERİK:  SOLAR İNVERTÖRLER

Üç Fazlı Sistemlerde Akım ve Gerilim Hesapları

Üç fazlı akım veya gerilim üç adet dalga formuna sahip olan alternatif akım (AC) sinyallerinden oluşan, birbirlerinden 120 derece farklı faz açılarına sahip dalga formlarıdır. 50 Hz frekansta alçak gerilim dağıtım sistemlerinde kullanılan faz-nötr 220VAC iken, faz-faz arası gerilim 380VAC’dir. 60 Hz’de ise alçak gerilimde faz-nötr 110VAC, faz-faz arası gerilim 208 VAC’dir. ABD’de bazı noktalarda bu değer 240VAC veya 480 VAC olabilmektedir. Üç faz akım ve gerilimin her bir genliği aynı ancak faz arasındaki açı farkı 120 derecedir.

Üç faz akım ve gerilim hesapları fazörel işlemlerle yapılır. Aşağıda gerilim için hem fonksiyon olarak hem de fazörel olarak formüller bulunmaktadır.

    \[U_1(t)=U_m\sin wt\]

    \[U_2(t)=U_m\sin(wt-120^0)=U_m\sin(wt+240^0)\]

    \[U_3(t)=U_m\sin(wt+120^0)=U_m\sin(wt-240^0)\]

Üç fazın fazörel gösterimleri aşağıdaki gibidir.

    \[U_1=U\angle0^0\]

    \[U_2=U\angle-120^0=U\angle240^0\\\]

    \[U_3=U\angle120^0=U\angle-240^0\\\]

    \[U=\frac{U_m}{\sqrt2}\\\]

Üç Fazın Grafiksel Gösterimi

Üç Fazlı Sistemlerde Yıldız Bağlantı ve Akım & Gerilim Formülleri

Yıldız bağlı üç fazlı sistemlerde nötr vardır. Her faz, kendisine ait çıkış uçları birbirleriyle birleştirilerek elde edilir. Birleşme noktasından çıkan iletken ise nötr iletkenidir.  Burada faz akımları (Ia, Ib ve Ic), hat (fazlar arası) akımına, (Iab, Ibc ve Iac) eşit ancak fazörel olarak aralarında 120 derece bulunacak şekilde değerdedir.. Hat gerilimleri (Vab, Vac, Vbc) ise faz gerilimlerinin (Va, Va, Vb), genlik olarak V3 katı kadardır ve fazörel olarak aralarında 120 derece bulunacak şekilde değerdedir.

Üç Fazlı Sistemlerde Yıldız Bağlantı

Yıldız bağlantıda akım ve gerilim formülleri aşağıdaki şekilde verilmiştir.

    \[U_{hat}=\sqrt3\;U_{faz}\\\]

    \[I_{hat}=I_{faz}\\\]

Üç Fazlı Sistemlerde Üçgen Bağlantı ve Akım & Gerilim Formülleri

Üç fazlı sistemlerde üçgen bağlantı yaparken her bir fazın çıkışı diğer bir fazın girişine bağlayarak elde edilir. Üçgen bağlantı da nötr yoktur. Dolayısıyla faz gerilimi (Va, Va, Vb), hat gerilimine (Vab, Vac, Vbc) gerilimine genlik olarak eşit ancak fazörel olarak aralarında 120 derece bulunacak şekilde değerdedir. Hat akımlarının (Iab, Ibc ve Iac) genlik değeri,  faz akımlarının (Ia, Ib ve Ic), V3 katı kadardır ve fazörel olarak aralarında 120 derece bulunacak şekilde değerdedir.

Üç Fazlı Sistemlerde Üçgen Bağlantı

Üçgen bağlantıda akım ve gerilim formülleri aşağıdaki şekilde verilmiştir.

    \[U_{hat}=U_{faz}\\\]

    \[I_{hat}=\sqrt3I_{faz}\\\]

Üç Fazlı Sistemlerde Güç

Alternatif akım sistemlerinde güç faktörüne göre görünür güç (VA), reaktif güç (VAr) ve aktif güç (W) birimleri bulunur. Üç fazlı sistemlerde toplam güç, üç fazın toplamıdır.

    \[P_{aktif}=P_1+P_2+P_3\\\]

    \[Q_{reaktif}=Q_1+Q_2+Q_3\\\]

    \[S=P+iQ=S\angle\varphi\\\]

Buradaki açı değeri, aktif ve reaktif gücün arasındaki açı farkına göre sistemin güç katsayıdır.

Dengeli bir sistemde toplam aktif güç;

    \[P_t=3P=3\;U_{faz}\;I_{faz}\;\cos\left(\varphi\right)=3\frac{U_{hat}}{\sqrt3}\;I_{hat}\;\cos\left(\varphi\right)=\sqrt3\;U_{hat}I_{hat}\;\cos\left(\varphi\right)\\\;\]

Dengeli bir sistemde toplam reaktif güç;

    \[Q_t=3Q=3\;U_{faz}\;I_{faz}\;\sin\left(\varphi\right)=3\frac{U_{hat}}{\sqrt3}\;I_{hat}\;\sin\left(\varphi\right)=\sqrt3\;U_{hat}I_{hat}\;\sin\left(\varphi\right)\\\;\]

Görünür güç S ise aşağıdaki formülle hesaplanır.

    \[S=\sqrt3\;U_{hat}I_{hat}\;\\\;\]

Üç Fazlı Sistemlerde Dengeli ve Dengesiz Yüklenme

Üç fazlı bir yükün her fazına bağlanan empedans büyüklüğü (hem genlik hem de açı olarak) eşit ise, bu yüke dengeli yük denir. Yük aslında çekilen akım olarak düşünecek olursak, dengeli yüklenme de akım değerleri yukarıda verilen formüllerle hesaplanabilmektedir. Dengesiz yük durumunda ise her bir fazdan farklı değerlerde akım geçer. Yani farklı empedans büyüklüğü (hem genlik hem de açı olarak) bağlanmış  olarak düşünülür ve eşdeğer devresi oluşturulur. Dengesiz yük hem yıldız hem de üçgen bağlantı durumunda yukarıdaki formüller pek doğru hesaplama yapamaz. Dolayısıyla fazörel olarak hesap yapmak gerekir. Çünkü yıldız bağlantıda tüm faz akımlarının genlikleri farklıdır ve aralarındaki açı artık 120 derece değildir. Üçgen bağlantıda ise zaten faz akımları birbirinden farklıydı ve her bir fazdaki empedans değerine bağlı olarak farklı değerler elde edilmektedir. Burada empedansın omik, endüktif ve kapasitif olma durumuna göre fazörel işlemler vasıtasıyla akımların genlikleri ve faz açıları hesaplanmaktadır.

BENZER İÇERİK:  DOĞRU (DC) VE ALTERNATİF AKIM (AC) NEDİR?

Neden Elektriği Üç Fazlı Olarak Kullanıyoruz?

Üç fazlı sistemlerin elektrik üretiminde, iletiminde ve dağıtımında önemli avantajları bulunmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir.

  • Yüksek güç seviyelerinde ve daha az kayıpla ve daha verimli bir şekilde enerji aktarımı sağlanır.
  • Büyük ölçekli enerji üretimi, iletimi ve dağıtımı için kullanılır. Enerji iletiminin çok fazlı yapılması, tek fazlı hatlara göre daha ucuzdur. Aynı gücün çok fazlı olarak iletilmesinde, gerilim değeri artarken akım değeri düşeceğinden kayıplar azalır. Kullanılan iletkenin kesiti de küçülür.
  • Endüstriyel uygulamalar ve büyük güç gerektiren uygulamalar için oldukça yaygın kullanım alanı vardır. Örneğin, manyetik döner alan gerekli elektrik motorlarının çalıştırılması, ısıtma ve soğutma sistemleri, aydınlatma sistemleri ve daha birçok uygulama için üç fazlı sistemler kullanılır. Özellikle elektrik motorlarında tek fazlı sistemlerinde tek fazlı olarak büyük bir güç çekildiğinde motorun momenti de değişeceğinden motorda titreşim/salınım olur. Eğer bu güç üç fazlı olarak üç parça halinde çekilirse motorun momenti daha düzgün olup, titreşimleri (salınımları) en az olur. Bu yüzden büyük güçlü motorlar üç fazlı olarak üretilirler.
  • Daha az kablo kesiti kullanımı ve daha küçük boyutlu elektrik motorları gibi diğer bileşenlerin kullanılmasına da olanak tanır. Bu da maliyetleri düşürür.
  • Aynı boyuttaki üç fazlı sistemler, bir fazlı sisteme göre daha büyük güç verir.