اختلاف فاز در مدار چیست

اختلاف فاز چیست

در این مقاله مفهوم اختلاف فاز و بررسی آن در مدارهای اهمی خالص، سلفی خالص و خازنی خالص را بررسی خواهیم کرد. فاز به معنی موقعیت زمانی یک کمیت نسبت به یک مبدا است. به عنوان مثال عبارت فاز در یک شکل موج سینوسی؛ مشخص کننده‌ی فاصله‌ی آن نسبت به نقطه‌ی مبدا خواهد بود. قابل ذکر است که یک سیکل کامل در 360 درجه که برگرفته از یک دور کامل رتور در ژنراتورها است، ایجاد شده و به همین علت میزان فاصله‌ی هر بخش از آن را نسبت به مبدا یا شکل موج‌های دیگر معمولا بر اساس زاویه بیان می‌کنند.

اختلاف فاز در مدارهای متناوب

اختلاف فاز در مدارهای متناوب به معنی وجود فاصله‌ی زمانی بین دو یا چند شکل موج با فرکانس برابر است. توجه کنید که تعریف اختلاف فاز در شکل موج‌های با فرکانس مختلف صحیح نیست. به‌عنوان‌مثال شکل موج‌های ولتاژ در یک مدار سه فاز را در نظر بگیرید. فرکانس این شکل موج‌ها یا یکدیگر مساوی بوده ولی نقطه‌ی شروع آن‌ها از نظر زمانی 120 درجه با یکدیگر اختلاف دارد.

طبق تصویر زیر منحی فاز 1 دقیقا از نقطه‌ی صفر آغاز شده و هیچ اختلافی نسبت به مبدا یا نقطه‌ی صفر ندارد. در ادامه شکل موج فاز 2 با 120 درجه اختلاف نسبت به مبدا آغاز شده و با فرکانس برابر ادامه پیدا کرده است. شکل موج فاز 3 نسبت به فاز قبلی 120 درجه و نسبت به  مبدا 240 درجه اختلاف فاز دارد. البته موقعیت فاز سوم نسبت به مبدا گاهی اوقات با 120- درجه نیز نمایش داده می‌شود.

اختلاف فاز بین شکل موج‌های ولتاژ در مدار سه فاز

برای تعریف اختلاف فاز علاوه بر زاویه باید جهت آن نیز مشخص کنیم. به‌عنوان‌مثال نقطه‌ی 120+ با 120- درجه یکسان نبوده و در دو جهت مخالف یکدیگر قرار دارند. قابل ذکر است که زاویه‌های مثبت و منفی اغلب به صورت پس فاز و پیش فاز نیز تعریف می‌شوند. برای درک بهتر این موضوع به تصویر زیر توجه کنید.

نمایش فاصله‌ی بین سه منحنی با فرکانس برابر شامل A با زاویه‌ی صفر، B با زاویه‌ی منفی یا پیش فاز و C با زاویه‌ی مثبت با پس فاز

در این تصویر سه شکل موج A، B و C با فرکانس برابر و زاویه‌ی نامشخص ترسیم شده است. شکل موج A نسبت به نقطه‌ی مبدا یا صفر هیچ اختلافی نداشته و زاویه‌ی آن صفر است. شکل موج B نسبت به مبدا زودتر آغاز شده و اختلاف زمانی آن به صورت منفی یا پیش فاز تعریف می‌شود. شکل موج C نسبت به مبدا دیرتر آغاز شده و زاویه‌ی آن به صورت مثبت است. به عبارت دیگر این شکل موج نسبت به مبدا پس فاز خواهد بود.

فرض کنید در تصویر بالا هیچ نقطه‌ای به عنوان مبدا روی محور وجود نداشته باشد. در این شرایط برای مشخص کردن اخلاف فاز یا فاصله‌ی زمانی بین چند شکل موج باید از چه روشی استفاده کنیم؟ ساده‌ترین راه در نظر گرفتن سه نقطه در قسمت مشخصی از تمام منحنی‌ها است. به‌عنوان‌مثال عبارت‌های A، B و C در نقطه‌ی پیک مثبت هر سه شکل موج انتخاب شده است.

در مرحله‌ی بعد باید شکل موج مبنا را انتخاب کنیم. تصور کنید منحنی A به عنوان مبنا در نظر گرفته شده باشد. با توجه به اینکه پیک مثبت شکل موج B زودتر از شکل موج A رخ داده است؛ پس منحنی B نسبت به A پیش فاز بوده و زاویه‌ی آن منفی است. در طرف مقابل با رخ دادن پیک مثبت منحنی C پس از منحنی A، می‌توان منحنی C را نسبت به A به صورت پس فاز با زاویه‌ی مثبت معرفی کرد.

در شبکه‌های سه فاز موقعیت شکل موج‌ها یا اختلاف فاز آن‌ها بسیار مهم است. در واقع ترتیب آن‌ها تعیین کننده‌ی توالی یا جهت گردش در الکتروموتورها است. حتما تا کنون عبارت‌های توالی مثبت یا راستگرد و توالی منفی یا چپ گرد را شنیده‌اید. این عبارت‌ها در اصل مشخص کننده‌ی زاویه‌ی بین فازها و جهت گردش میدان دوار در الکتروموتورها هستند.

تشکیل میدان دوار در الکتروموتورها

در توالی راستگرد یا مثبت، اختلاف فازها یا زمان آغاز آن‌ها به ترتیب \(L_{1}=0^{\circ}\) و \(L_{2}=120^{\circ}\) و \(-120^{\circ}\) یا \(L_{3}=240^{\circ}\) است. در صورتی که فازها با همین ترتیب به ترمینال‌های U,V,W الکتروموتور متصل شوند، حاصل آن توالی راستگرد در میدان دوار و شفت الکتروموتور خواهد بود. برای تغییر جهت گردش الکتروموتورهای سه فاز کافی است موقعیت زمانی دو عدد از فازها جابجا شود. به‌عنوان‌مثال جابجایی فاز اول با فاز سوم را در نظر بگیرید. این توالی باعث به وجود آمدن میدان دوار چپ گرد و در نتیجه چرخش الکتروموتور به صورت معکوس خواهد شد.

به منظور تست‌ توالی فازها قبل از راه‌اندازی الکترومتورهای سه فاز دستگاهی با عنوان توالی سنج ساخته شده‌است. این دستگاه پس از اتصال به منبع می‌تواند اختلاف فازها را اندازه‌گیری و میدان حاصل از آن‌ها را به صورت راستگرد یا چپ گرد نمایش دهد.

موقعیت زمانی فازها در تعیین میدان دوار شامل (1) توالی راست گرد، (2) توالی چپ گرد و (3) توالی سنج

اختلاف فاز بارهای محتلف در جریان متناوب

همانگونه که در قسمت‌های قبلی شرح داده شد؛ اعمال ولتاژ متناوب به یک بار باعث به وجود آمدن جریان متناوب در آن خواهد شد. در این شرایط فرکانس جریان به وجود آمده با فرکانس منبع ولتاژ برابر است ولی از نظر زمانی ممکن است اختلافی وجود داشته باشد.

این اختلاف یا همان فاز بیان کننده‌ی فاصله‌ی زمانی بین منحنی‌های ولتاژ و جریان است. در نظر داشته باشید که وقتی اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان ایجاد شود دیگر توان یک مدار به سادگی و با استفاده از فرمول \(P=U\times L\) قابل محاسبه نیست. در چنین شرایطی توان‌های دیگر مانند توان ظاهری، توان اکتیو و توان راکتیو تعریف خواهد شد.

در مدارهای مختلف فاصله‌ی زمانی جریان نسبت به ولتاژ می تواند هم فاز، پس فاز یا پیش فاز باشد. در این حالت‌ها میزان زاویه بیان نشده و تنها مشخص می‌شود که مجموع بار متصل شده به منبع دارای خاصیت اهمی، سلفی یا خازنی است. در ادامه نحوه‌ی ایجاد اخلاف فاز در بارهای مختلف را بیشتر بررسی خواهیم کرد.

1.مقاومت در جریان متناوب

بار اهمی یا مقاومتی خالص باعث ایجاد اختلاف فاز بین منحنی‌های جریان و ولتاژ نمی‌شود. به عبارت دیگر جریان و ولتاژ در این مدار هم فاز بوده و کاملا با یکدیگر پیش می‌روند. این همگامی بین منحنی‌های ولتاژ و جریان در تصویر زیر نمایش داده شده است.

سمت چپ: منحنی‌های ولتاژ و جریان یک بار کاملا اهمی در مدار تکفاز و سمت راست: نحوه‌‌ی محاسبه‌ی توان

 

توان در مدار اهمی خالص همواره مثبت بوده و در مدار تکفاز به صورت \(\mathbf{P=U\times I}\) و در مدارهای سه فاز به صورت \(\mathbf{P=\sqrt{3}\times U\times I}\) محاسبه می‌شود.

2.سلف در جریان متناوب

برای مشخص کردن وضعیت منحنی‌های جریان و ولتاژ در بار سلفی ابتدا باید کمی بیشتر با این عنصر آشنا شویم. سلف خالص از سیم پیچ‌های تشکیل شده که از مقاومت اهمی و دیگر تلفات‌های آن صرف نظر شده باشد.

شاید اینجا این سوال در ذهن شما مطرح شود که اگر یک سیم پیچ هیچ مقاومتی نداشته باشد پس چطور باعث محدود شدن جریان می‌شود؟ آیا تا کنون با سیم پیچ‌هایی برخورد داشته اید که بین دو فاز قرار گرفته اند؟ برای درک بهتر این موضوع سیم پیچ های یک الکترموتور یا ترانسفورماتور را در نظر بگیرد.

مدار تشکیل شده از یک سلف خالص

مطالبی که در حال مطالعه ی آن هستید به صورت تصویری در دوره طراحی بانک خازن آموزش داده شده است. در این دوره تصویری با توان در جریان متناوب، مفهوم جبران سازی توان راکتیو، مزایای فنی و اقتصادی جبران سازی، مشخصات بانک خازن، محاسبه ضریب توان، محاسبه خازن از طریق قبض برق، انتخاب خازن برای الکتروموتور و ترانسفورماتور، انتخاب تجهیزات سوئیچ و حفاظت در بانک خازن و دستور العمل راه اندازی بانک خازن آشنا شده و چند بانک خازن را به صورت عملی بررسی و تست می کنیم. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این دوره می توانید روی عبارت طراحی بانک خازن کلیک کنید.

این سیم پیچ ها مستقیم به ولتاژ منبع متصل می شوند ولی پس از دریافت یک جریان هجومی همه چیز نرمال می شود. این حالت تقریبا شبیه اتصال یک مقاومت اهمی به منبع ولتاژ بوده و باعث محدود شدن جریان خواهد شد.

برای مطالعه بیشتر در خصوص سلف‌ها باید به کتاب‌های مبانی برق مراجعه کنیم ولی می‌توان به صورت کلی خاصیت یک سلف را بر اساس اهم محاسبه کرد. در واقع وجود فرکانس در منبع متناوب و رخ دادن پدیده‌هایی با عنوان نیروی محرکه‌ی مغناطیسی و نیروی ضد محرکه‌ی مغناطیسی باعث محدودیت جریان در سلف‌ها می‌شود. این همان پدیده‌ای است که به ما اجازه می‌دهد سیم پیچ‌ها را مستقیم به منبع ولتاژ متصل کرده و از خاصیت مغناطیسی آن‌ها مانند تولید میدان دوار در الکتروموتورها استفاده کنیم. برای به دست آوردن مقاومت اهمی یک سلف یا راکتانس القایی آن از فرمول \(X_{l}=\omega \times L\) استفاده می‌شود. در این فرمول \inline \omega سرعت زاویه‌ای و معادل \(2\pi f\) و  \(L\) اندوکتانس بر اساس هانری است. در مدار DC فرکانس صفر بوده و در نتیجه XL نیز صفر خواهد شد. به عبارت دیگر در مدار  DC راکتانس القایی صفر خواهد بود.

سلف یا سیم پیچ با تغییرات جریان مخالفت می‌کند. این مخالفت باعث ایجاد اختلاف زمانی بین منحنی‌های ولتاژ و جریان خواهد شد.

طبق تصویر زیر اگر که ولتاژ متناوب به یک سلف خالص اعمال شود در آن جریان متناوب ایجاد خواهد شد. این جریان؛ فرکانسی برابر با منبع ولتاژ دارد ولی دیگر با منحنی ولتاژ هم فاز نیست. به عبارت ساده تر وجود خاصیت سلفی و مقاومت آن در برابر تغییرات جریان باعث عقب افتادن منحنی جریان نسبت به ولتاژ می‌شود.

عقب افتادگی منحنی جریان نسبت به ولتاژ حالت پس فاز یا Lag نام دارد. میزان عقب افتادگی جریان نسبت به ولتاژ در یک مدار سلفی خالص معادل 90 درجه خواهد بود. این اختلاف را به صورت \(\varphi =90\) در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

شکل موج ولتاژ و جریان در بار سلفی

اختلاف زاویه‌ای بین ولتاژ و جریان در یک مدار سلفی را می‌توان طبق تصویر زیر نیز نمایش داد. در این حالت از دو خط متناسب با میزان RMS یا موثر ولتاژ و جریان استفاده می‌شود. بعلت عقب افتادگی 90 درجه‌ای جریان نسبت به ولتاژ در بار سلفی خالص، خطوط معرف ولتاژ و جریان نیز به همین شکل ترسیم می‌شوند.

این روش برای ترسیم توان‌های مختلف مانند توان ظاهری، توان اکتیو و توان راکتیو نیز استفاده می‌شود.

در صورتی که از روش معمول یعنی ضرب مقادیر لحظه‌ای ولتاژ و جریان در منحنی بار سلفی استفاده کنیم؛ با پدیده‌ی توان منفی مواجه خواهیم شد. طبق تصویر زیر وجود اختلاف فاز یا فاصله‌ی زمانی بین منحنی‌های ولتاژ و جریان باعث شده است تا گاهی اوقات هردو منحنی به صورت همزمان در محدوده‌های مثبت و منفی وجود نداشته باشند.

عدم وجود منحنی‌ها به صورت همزمان در محدوده‌ی مثبت و منفی باعث می‌شود توان از حالت همواره مثبت خارج شده و به دو بخش توان مثبت و توان منفی تبدیل شود. به عنوان مثال در تصویر زیر نقطه‌ی مبنا یا صفر درجه را در نظر بگیرد. پس از عبور از این نقطه دامنه‌ی ولتاژ به سمت مثبت افزایش پیدا کرده و به مقدار پیک خود نزدیک می‌شود. در همین لحظات دامنه‌ی جریان از مقدار منفی در حال نزدیک شدن به صفر خواهد بود. ضرب لحظه‌ای این مقادیر باعث تشکیل توان منفی خواهد شد.

با گذشت زمان و رسیدن به نقطه‌ی 90 درجه میزان ولتاژ در حداکثر و جریان صفر است. در این نقطه ضرب مقدار مثبت ولتاژ در جریان صفر معادل صفر خواهد شد. در فاصله‌ی 90 تا 180 درجه دامنه‌ی ولتاژ و جریان هردو مثبت بوده و توان حاصل از آن‌ها نیز مثبت خواهد بود.

ضرب لحظه‌ای ولتاژ و جریان در مدار سلفی خالص و تشکیل توان منفی و مثبت

همانطور که مشاهده می‌کنید در هر نیم سیکل ولتاژ یک بخش توان منفی و یک بخش توان مثبت وجود دارد. این بخش‌ها به سادگی یکدیگر را خنثی کرده و می‌توانیم نتیجه بگیریم که یک سلف خاص هیچ توانی اکتیو یا مفیدی مصرف نمی‌کند.

در واقع سلف خالص انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کرده و مجدد به منبع باز می گرداند. این تبادل انرژی بین سلف و منبع از نظر زمان هماهنگ نبوده و باعث بروز مشکلاتی در سیستم‌های قدرت می‌شود.

ترکیب بارهای مختلف مانند الکتروموتورها، ترانسفورماتورها و غیره باعث سلفی شدن شبکه و افزایش هزینه‌ها به صورت مستقیم و غیر مستقیم خواهد شد. در واقع این نکته؛ اصلی ترین هدف ما از جبران سازی توان راکتیو است.

3.خازن در جریان متناوب

خازن‌ها از صفحه‌هایی تشکیل شده‌اند که بین آن‌ها عایق یا دی الکتریک وجود دارد. این عنصر نیز همانند سلف‌؛ انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کرده ولی زمان بازگرداندن آن‌ به منبع کاملا مخالف سلف‌ است. علاوه بر این خازن‌ها در برابر تغییرات ولتاژ مقاومت کرده و راکتانس آن‌ها به صورت \(X_{c}=\frac{1}{\omega c}\) تعریف می‌شود.

رفتار خازن در شبکه متناوب دقیقا عکس سلف بوده و  طبق تصویر زیر باعث پیش فاز شدن منحنی جریان نسبت به ولتاژ می‌شود. شروع سریع‌تر منحنی جریان نسبت به منحنی ولتاژ حالت پیش فاز یا Lead نام داشته و این اختلاف در یک مدار خازنی خالص معادل 90- درجه است.

شکل موج ولتاژ و جریان در بار خاطنی خالص

جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات طراحی بانک خازنی را مشاهده کنید.

در تصویر زیر اتصال یک خازن به منبع جریان متناوب را مشاهده می‌کنید. در این مدار اختلاف پتانسیل V باعث ایجاد جریان I در مدار خواهد شد. پیش فاز بودن جریان نسبت به ولتاژ را می‌توان به صورت دو خط با اختلاف زاویه‌ی 90 درجه نیز نمایش داد. توجه داشته باشید که این زاویه دقیقا عکس حالت سلفی بوده و طول خطوط متناسب با مقدار RMS یا موثر ولتاژ و جریان است.

نمایش مدار خازنی خالص و اختلاف 90 درجه ای بین ولتاژ و جریان

با قرار دادن منحنی‌های ولتاژ و جریان مربوط به یک بار خازنی خالص و ضرب لحظه‌ای آن‌ها؛ تصویر زیر تشکیل می‌شود. همانطور که مشاهده می‌کنید در این منحنی‌ها نیز توان منفی و مثبت ایجاد شده ولی موقعیت آن‌ها دقیقا عکس یک سلف خالص است.

ضرب لحظه‌ای ولتاژ و جریان در مدار خازنی خالص و تشکیل توان مثبت و منفی

جمع بندی اختلاف فاز

برای جمع بندی مطالب شرح داده شده تا کنون لطفا به تصویر زیر توجه کنید. در این تصویر منحنی ولتاژ و جریان بارهای اهمی، سلفی و خازنی خالص با فرکانس مساوی آورده شده است.

منحنی برایند بارهای (R) اهمی خالص، (L) سلفی خالص و (C) خازنی خالص

همانطور که مشاهده می‌کنید تنها بار اهمی دارای توان همواره مثبت بوده و انرژی آن صرف کار مفید یا اکتیو به‌عنوان‌مثال تولید حرارت از انرژی الکتریکی، می‌شود. این عنصر هیچ گونه توان منفی ایجاد نکرده و در سیستم‌های قدرت اختلالی ایجاد نخواهد کرد. توان صرف شده در یک بار اهمی خالص به صورت P نمایش داده شده و واحد آن وات یا watt است. در شبکه‌های قدرت ضریب‌هایی از این واحد به صورت کیلو وات، مگاوات و گیگاوات نیز استفاده می‌شود.

در بار سلفی خالص توان‌های منفی و مثبت یکدیگر را خنثی کرده و اینگونه برداشت می‌شود که هیچ توان اکتیوی توسط این عنصر مصرف نمی‌شود. همانطور که شرح داده شد این عنصر دارای راکتانس القایی به صورت  بوده و در صورت اتصال آن به یک منبع ولتاژ متناوب از آن جریانی به صورت  عبور خواهد کرد. اگر این عنصر مصرف کننده‌ی توان اکتیو نیست پس چرا از آن جریان عبور می‌کند؟ در واقع این جریان صرف ذخیره کردن انرژی در میدان مغناطیسی و تحویل مجدد آن به شبکه می‌شود. توضیحات بیشتر در این خصوص را می‌توانید در کتاب‌های مبانی برق و فیزیک دنبال کنید. در نظر داشته باشید که سلف با تغییرات جریان مخالفت کرده و باعث می‌شود منحنی جریان نسبت منحنی ولتاژ پس فاز گردد.

همانطور که در بخش سوم تصویر مشاهده می‌کنید؛ خازن با تغییرات ولتاژ مخالفت کرده و باعث می‌شود تا جریان نسبت به ولتاژ تقدم پیدا کرده و اصطلاحا پیش فاز شود. با ضرب لحظه‌ای منحنی‌های ولتاژ و جریان در بار خازنی خالص می‌توان به وجود آمدن توان‌های مثبت و منفی را مشاهده کرد. به عبارت دیگر با اتصال خازن به یک منبع ولتاژ متناوب؛ صفحه‌های آن به صورت متناوب شارژ و دشارژ می‌شوند.

تشکیل توان منفی و بازگشت آن به منبع در سیستم‌های متناوب با عبارت توان راکتیو یا توان غیر مفید تعریف می‌شود. به عبارت ساده تر این توان همانند مولفه‌ی P به کار مفید تبدیل نشده و فقط در حال تبادل بین بار و شبکه است. توان راکتیو با حرف Q نمایش داده شده و واحد آن وار یا var است.

با مقایسه‌ی بخش‌های مثبت و منفی در منحنی‌ها می‌توان دریافت که روند ذخیره کردن انرژی و پس دادن آن به شبکه در بارهای سلفی و خازنی خالص دقیقا عکس یکدیگر است. به عبارت دیگر قرار دادن یک سلف و خازن در کنار یکدیگر می‌توانید این تبادل را متمرکز کرده و از اختلال در شبکه‌های قدرت جلوگیری کند.

این مقاله تا چه حد برای شما مفید بود؟

میانگین امتیاز 4.1 / 5. تعداد رای: 53

34 پاسخ
  1. جواد
    جواد گفته:

    فوق العاده ساده و مفهمومی توضیح دادین کل کتاب ها و اینترنت در مورد اینا گشتم ولی به این سادگی نتونستم بفهمم
    واقعا عالی بود . ممنون

    پاسخ
  2. Mahdi
    Mahdi گفته:

    باسلام
    ابتدا ممنون از دوره ها و آموزش های عالی تون
    ورودی سایتمون
    ولتاژ سه فاز
    ۲۰۸
    ۲۲۵
    ۲۳۸
    ولت داریم
    زمانیکه کمپکت رو وصل میکنیم
    ولتاژ خط ۳ مون تغییرات نامفهومی انجام میشه
    یه خط زیاد تفاوت نمیکنه
    و یه ولتاژ کم میشه
    و یه ولتاژ برعکس بیشتر میشه تا ۲۵۰ولت وگاها بیشتر هم میشه
    ضمن اینکه مصرف کننده تک فاز هم زیاد داریم
    تشکر

    پاسخ
    • مثلث زرد
      مثلث زرد گفته:

      سلام وقت بخیر. جریان ها به چه صورت هستن؟ نامتعادلی جریان می تونه تغییرات ولتاژ ایجاد کنه مخصوصا اگر نول سطح مقطع مناسب یا اتصال زمین درستی نداشته باشه

      پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *