Mạch điện xoay chiều ba pha

Trong máy phát điện ba pha, ba cuộn dây giống nhau được đặt lệch nhau $120^\circ$. Khi từ trường quay, mỗi cuộn dây tạo ra một sức điện động xoay chiều. Ba sức điện động có cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau $120^\circ$ tạo thành nguồn ba pha đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn điện, đường dây và tải điện. Tải được gọi là đối xứng khi tổng trở của ba pha có cùng độ lớn và cùng góc pha. Vì vậy, nguồn đối xứng nhưng ba tải khác nhau thì toàn mạch vẫn không đối xứng. Với tần số $f$, chu kì $T=1/f$. Góc $120^\circ$ tương ứng $T/3$. Ví dụ $f=50$ Hz cho $T=0{,}02$ s, độ lệch thời gian khoảng $0{,}00667$ s giữa các pha liên tiếp.

Có hai cách nối nguồn và tải ba pha thường gặp: - **Nối hình sao (Y):** một đầu của ba pha được nối chung để tạo thành điểm trung tính. Mạch có thể có hoặc không có dây trung tính nối về nguồn. - **Nối hình tam giác ($\Delta$):** điểm đầu của pha này nối với điểm cuối của pha kia để tạo thành một vòng kín; ba đỉnh của tam giác nối với ba dây pha. Điện áp dây $U_d$ đo giữa hai dây pha; dòng dây $I_d$ chạy trong dây pha. Điện áp pha của tải $U_p$ đặt trên một nhánh tải; dòng pha $I_p$ chạy qua nhánh ấy. Hình minh họa tải sao: mỗi Z là một nhánh, đầu còn lại chung về N. Trong mô hình sao có dây trung tính lí tưởng, tải đối xứng cho tổng dòng tức thời ở trung tính bằng 0. Khi tải lệch, dòng trung tính có thể khác 0. Không bỏ dây trung tính chỉ từ kết quả của một bài toán cân bằng.

Các quan hệ dưới đây dùng **giá trị hiệu dụng trong mạch đối xứng**: | Cách nối tải | Quan hệ dây và pha | |---|---| | Sao | $U_d=\sqrt3U_p$; $I_d=I_p$ | | Tam giác | $U_d=U_p$; $I_d=\sqrt3I_p$ | Với tải thuần trở mỗi nhánh R, $I_p=U_p/R$. Ta làm theo thứ tự: xác định cách nối → tìm điện áp trên nhánh → tính dòng nhánh → đổi sang dòng dây. Nếu đề cho mạng 380/220 V thì hiểu là điện áp dây/pha theo mức làm tròn; không lấy 380 V đặt lên nhánh sao 220 V.

Với mạch ba pha đối xứng hình sin: $$P=3U_pI_p\cos\varphi=\sqrt3U_dI_d\cos\varphi.$$ Công suất biểu kiến $S=\sqrt3U_dI_d$ (VA), nên $\cos\varphi=P/S$ khi thống nhất đơn vị. Tải thuần trở có $\cos\varphi=1$. Ví dụ $P=6$ kW, $S=7{,}5$ kVA cho hệ số công suất 0,8. Công suất không đổi P (kW) trong t (giờ) dùng điện năng $A=Pt$ (kWh). Động cơ nhận 4 kW điện, hiệu suất 75% thì công suất cơ có ích $P_{ích}=0{,}75\times4=3$ kW. Hiệu suất và hệ số công suất là hai đại lượng khác nhau. Ba dây pha cùng điện trở r, dòng hiệu dụng cùng I thì hao phí tổng $P_{hp}=3I^2r$. Chẳng hạn r = 0,1 Ω, I = 10 A cho 30 W. Nếu dây trung tính có dòng, cần xét cả hao phí của dây đó.

Giữ nguyên ba điện trở R và điện áp dây $U_d$, tải sao có công suất $P_Y=U_d^2/R$; tải tam giác có $P_\Delta=3U_d^2/R$. Vì vậy công suất tăng 3 lần trong mô hình lí tưởng. Đây không phải chỉ dẫn đổi nối tùy ý: thiết bị thật còn có giới hạn điện áp, dòng. Để cân bằng tải một pha, chuyển từ pha đang tải lớn sang pha tải nhỏ và tính lại cả hai. Ví dụ A, B, C lần lượt 1 200, 600, 900 W. Chuyển 300 W từ A sang B thì cả ba là 900 W. Tổng công suất vẫn giữ nguyên.