الطاقة الكهربائية ثلاثية الأطوار

الطاقة الكهربائية ثلاثية الأطوار (المختصرة بـ 3ϕ ) ^{[ 1 ]} هي الشكل الأكثر استخدامًا للتيار المتردد (AC) لتوليد ونقل وتوزيع الكهرباء . ^{[ 2 ]} وهي نوع من أنظمة متعددة الأطوار تستخدم ثلاثة أسلاك (أو أربعة إذا تم تضمين سلك محايد للعودة؛ باستثناء أي موصل وقائي) وهي الطريقة القياسية التي تنقل بها الشبكات الكهربائية الطاقة في جميع أنحاء العالم.

في نظام ثلاثي الأطوار، يكون لكل طور من الأطوار الثلاثة فرق طور مقداره 120 درجة بالنسبة للأطوار الأخرى. يُنتج هذا الترتيب تدفقًا أكثر استقرارًا للطاقة مقارنةً بالأنظمة أحادية الطور ، مما يجعله فعالًا للغاية في نقل الكهرباء لمسافات طويلة ولتشغيل الأحمال الثقيلة مثل الآلات الصناعية. ولأنه نظام تيار متردد، يمكن رفع أو خفض الجهد بسهولة باستخدام المحولات ، مما يسمح بنقل الجهد العالي وتوزيع الجهد المنخفض بأقل قدر من الفقد.

تُعدّ الدوائر ثلاثية الأطوار أكثر اقتصاديةً أيضًا: إذ يُمكن لنظام ثلاثي الأسلاك نقل طاقة أكبر من نظام أحادي الطور ثنائي الأسلاك بنفس جهد الطور، مع استخدام كمية أقل من مواد التوصيل. ^{[ 3 ]} وبالإضافة إلى النقل، تُستخدم الطاقة ثلاثية الأطوار عادةً لتشغيل المحركات الحثية الكبيرة، والمحركات الكهربائية الأخرى ، والأحمال الصناعية الثقيلة، بينما تعتمد الأجهزة الأصغر حجمًا والمعدات المنزلية غالبًا على دوائر أحادية الطور مُشتقة من الشبكة نفسها.

تم تطوير الطاقة الكهربائية ثلاثية الأطوار لأول مرة في ثمانينيات القرن التاسع عشر من قبل العديد من المخترعين، وظلت منذ ذلك الحين العمود الفقري للأنظمة الكهربائية الحديثة.

تُسمى الموصلات بين مصدر الجهد والحمل ، باستثناء تلك التي تؤدي وظائف الحياد والنقطة الوسطى والحماية ، موصلات الخط . ^{[ 4 ]}

يُطلق على فرق الجهد بين أي موصلين في الخط اسم جهد الخط إلى الخط ، بينما يُطلق على فرق الجهد المقاس بين أي موصل في الخط وموصل محايد اسم جهد الخط إلى المحايد ، وذلك وفقًا للقسم 195 من معيار IEC 60050. ^{[ 5 ]} وتُعرّف أقسام أخرى اختلافات لهذه المصطلحات، حيث يُعرّف القسم 601 جهد الطور إلى الطور وجهد الطور إلى المحايد ، ^{[ 6 ]} ويُعرّف القسم 141 جهد الخط متعدد الأطوار إلى الخط وجهد الخط متعدد الأطوار إلى المحايد . ^{[ 7 ]} وتتضمن بعض كتب الهندسة الكهربائية مصطلحي جهد الخط (المكافئ لجهد الخط إلى الخط) وجهد الطور (المكافئ لجهد الخط إلى المحايد). ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يُعبّر عن جهد النظام عادةً بالصيغة X/Y، كما هو موضح في معيار IEC 60038 ، حيث يُمثل X الجهد بين الخط والحيادي، و Y الجهد بين الخطوط. على سبيل المثال، في الدول التي يكون فيها  الجهد الاسمي 230 فولت (بين الخط والحيادي)، بينما يكون الجهد بين الخطوط 400  فولت، يُمكن التعبير عن ذلك بالصيغة 230/400  فولت.

تتكون ملفات المحولات إما من تكوين دلتا (يرمز لها غالبًا بـ 'Δ') أو تكوين نجمة (يرمز لها غالبًا بـ 'Y')، وفقًا لمصطلحات IEC 60050. يُعرف التكوين النجمي باسم "واي" في الولايات المتحدة. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

تم اختراع أنظمة الطاقة متعددة الأطوار بشكل مستقل من قبل جاليليو فيراريس ، وميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي ، وجوناس وينستروم ، وجون هوبكنسون ، وويليام ستانلي جونيور ، ونيكولا تيسلا في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 12 ]}

نشأت الطاقة ثلاثية الأطوار من تطور المحركات الكهربائية. في عام 1885، كان غاليليو فيراريس يجري أبحاثًا حول المجالات المغناطيسية الدوارة . وقد جرب فيراريس أنواعًا مختلفة من المحركات الكهربائية غير المتزامنة . أسفرت أبحاثه ودراساته عن تطوير مولد التيار المتردد ، الذي يمكن اعتباره محرك تيار متردد يعمل في الاتجاه المعاكس، لتحويل الطاقة الميكانيكية (الدوارة) إلى طاقة كهربائية (كتيار متردد). في 11 مارس 1888، نشر فيراريس بحثه في ورقة بحثية مقدمة إلى الأكاديمية الملكية للعلوم في تورينو . ^{[ 13 ]}

بعد شهرين، حصل نيكولا تيسلا على براءة اختراع أمريكية رقم 381968 لتصميم محرك كهربائي ثلاثي الأطوار، تم تقديم الطلب في 12 أكتوبر 1887. يوضح الشكل 13 من براءة الاختراع هذه أن تيسلا تصور أن يتم تشغيل محركه ثلاثي الأطوار من المولد عبر ستة أسلاك.

كانت هذه المولدات تعمل عن طريق توليد أنظمة من التيارات المترددة المتباعدة في الطور بمقادير محددة، وتعتمد في تشغيلها على المجالات المغناطيسية الدوارة. وسرعان ما لاقى مصدر الطاقة متعدد الأطوار الناتج قبولًا واسعًا. يُعد اختراع المولد متعدد الأطوار، شأنه شأن محول الطاقة، خطوةً أساسيةً في تاريخ الكهرباء. فقد مكّنت هذه الاختراعات من نقل الطاقة عبر الأسلاك بكفاءة اقتصادية لمسافات طويلة. كما أتاحت الطاقة متعددة الأطوار استخدام الطاقة المائية (عبر محطات توليد الطاقة الكهرومائية في السدود الكبيرة) في المناطق النائية، مما سمح بتحويل الطاقة الميكانيكية للمياه المتدفقة إلى كهرباء، والتي يمكن بعد ذلك تغذيتها لمحرك كهربائي في أي مكان يتطلب عملًا ميكانيكيًا. وقد حفّز هذا التنوع نمو شبكات نقل الطاقة في قارات العالم.

قام ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي بتطوير مولد كهربائي ثلاثي الأطوار ومحرك كهربائي ثلاثي الأطوار عام 1888، ودرس توصيلات النجمة والمثلث. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} عُرض نظام نقل الطاقة ثلاثي الأطوار ذو الأسلاك الثلاثة عام 1891 في ألمانيا في المعرض الدولي للهندسة الكهربائية ، حيث استخدم دوليفو-دوبروفولسكي النظام لنقل الطاقة الكهربائية لمسافة 176  كيلومترًا (110 أميال) بكفاءة 75% . وفي عام 1891 أيضًا، ابتكر محولًا ثلاثي الأطوار ومحركًا حثيًا قصير الدائرة ( قفص السنجاب ) . ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} صمم أول محطة طاقة كهرومائية ثلاثية الأطوار في العالم عام 1891. ^{[ 20 ]} حصل المخترع جوناس وينستروم عام 1890 على براءة اختراع سويدية لنفس النظام ثلاثي الأطوار. ^{[ 21 ]} تم استكشاف إمكانية نقل الطاقة الكهربائية من شلال عن بعد في منجم غرانغيسبيرغ .تم اختيار منحدر بطول 45 مترًا  في هالسيون، ببلدية سميديباكين، حيث كان يوجد مصنع صغير للحديد. في عام 1893، تم تنفيذ مشروع ثلاثي المراحلتم استخدام نظام 9.5 كيلو فولت  لنقل 400 حصان (300 كيلو واط) لمسافة 15 كيلومترًا (10 أميال)، ليصبح أول تطبيق تجاري. ^{[ 22 ]}  

في نظام إمداد طاقة ثلاثي الأطوار متناظر، تحمل ثلاثة موصلات تيارًا متناوبًا بنفس التردد وسعة الجهد بالنسبة إلى مرجع مشترك، ولكن بفارق طور مقداره ثلث دورة (أي 120 درجة فرق طور) بين كل موصل وآخر. عادةً ما يُوصل المرجع المشترك بالأرض، وغالبًا بموصل يحمل تيارًا يُسمى الموصل المحايد. نتيجةً لفارق الطور، يصل الجهد على أي موصل إلى ذروته بعد ثلث دورة من وصول الجهد على أحد الموصلات الأخرى إلى ذروته، وقبل ثلث دورة من وصوله على الموصل المتبقي. يُتيح هذا التأخير الطوري نقل طاقة ثابت إلى حمل خطي متوازن. كما يُتيح توليد مجال مغناطيسي دوار في محرك كهربائي ، وتوليد ترتيبات طورية أخرى باستخدام المحولات (على سبيل المثال، نظام ثنائي الطور باستخدام محول سكوت-تي ). سعة فرق الجهد بين طورين هي${\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots }$مضروبة في سعة جهد الأطوار الفردية.

تُسمى أنظمة الطاقة ثلاثية الأطوار المتناظرة الموصوفة هنا ببساطة بأنظمة ثلاثية الأطوار لأنه على الرغم من أنه من الممكن تصميم وتنفيذ أنظمة طاقة ثلاثية الأطوار غير متناظرة (أي بجهود غير متساوية أو تحولات طورية)، إلا أنها لا تُستخدم عمليًا لأنها تفتقر إلى أهم مزايا الأنظمة المتناظرة.

في نظام ثلاثي الأطوار يغذي حملاً متوازناً وخطياً، يكون مجموع التيارات اللحظية للموصلات الثلاثة صفراً. بعبارة أخرى، يكون التيار في كل موصل مساوياً في مقداره لمجموع التيارات في الموصلين الآخرين، ولكن بإشارة معاكسة. ويكون مسار عودة التيار في أي موصل طور هو الموصلين الآخرين للطور.

يُمكن نقل الطاقة بثبات مع أي عدد من الأطوار يزيد عن طور واحد. مع ذلك، لا تتمتع الأنظمة ثنائية الطور بخاصية إلغاء تيار الحياد، وبالتالي تستخدم الموصلات بكفاءة أقل، كما أن وجود أكثر من ثلاثة أطوار يُعقّد البنية التحتية بلا داعٍ. إضافةً إلى ذلك، في بعض المولدات والمحركات العملية، قد ينتج عن طورين عزم دوران أقل سلاسة (نبضي). ^{​​[ 23 ]}

قد تحتوي أنظمة التيار ثلاثي الأطوار على سلك رابع، وهو شائع في توزيع الجهد المنخفض. هذا السلك هو سلك التعادل . يسمح سلك التعادل بتوفير ثلاثة مصادر طاقة أحادية الطور منفصلة بجهد ثابت، ويُستخدم عادةً لتغذية أحمال أحادية الطور متعددة . تُرتّب التوصيلات بحيث يتم سحب طاقة متساوية قدر الإمكان من كل طور في كل مجموعة. في المراحل اللاحقة من نظام التوزيع ، تكون التيارات عادةً متوازنة جيدًا. يمكن توصيل المحولات بحيث يكون لها ملف ثانوي بأربعة أسلاك وملف ابتدائي بثلاثة أسلاك، مع السماح بأحمال غير متوازنة وتيارات التعادل المرتبطة بها في الجانب الثانوي.

بالمقارنة مع مصدر طاقة تيار متردد أحادي الطور يستخدم موصلين يحملان التيار بدون سلك محايد، فإن مصدر طاقة ثلاثي الأطوار بدون سلك محايد وبنفس جهد الطور إلى الطور يمكنه نقل نفس الطاقة باستخدام 0.75 ضعف كمية مادة الموصل فقط. ^{[ 3 ]}

تتمتع مصادر الطاقة ثلاثية الأطوار بخصائص تجعلها مرغوبة في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية:

• تميل تيارات الأطوار إلى إلغاء بعضها البعض، ليصبح مجموعها صفرًا في حالة الحمل المتوازن الخطي، مما يسمح بتقليل حجم الموصل المحايد لأنه يحمل تيارًا ضئيلاً أو معدومًا. في حالة الحمل المتوازن، تحمل جميع موصلات الأطوار نفس التيار، وبالتالي يمكن أن تكون متساوية الحجم.
• يكون نقل الطاقة إلى الحمل المتوازن الخطي ثابتًا، وهو ما يساعد في تطبيقات المحركات/المولدات على تقليل الاهتزازات.
• يمكن للأنظمة ثلاثية الأطوار أن تنتج مجالًا مغناطيسيًا دوارًا باتجاه محدد وقيمة ثابتة، مما يبسط تصميم المحركات الكهربائية، حيث لا يلزم وجود دائرة بدء التشغيل.

مع ذلك، فإن معظم الأحمال أحادية الطور. في أمريكا الشمالية، تُزوَّد المنازل العائلية والشقق الفردية بطور واحد من شبكة الكهرباء، وتستخدم نظامًا ثنائي الطور إلى لوحة التوزيع التي تحمل معظم الدوائر الفرعية 120  فولت. أما الدوائر المصممة للأجهزة ذات القدرة العالية، مثل المواقد والمجففات ومنافذ السيارات الكهربائية، فتحمل 240  فولت.

في أوروبا، يتم عادةً توصيل الطاقة ثلاثية الأطوار إلى لوحة التوزيع ومن ثم إلى الأجهزة ذات الطاقة العالية.

الصورة اليسرى: مولد تيار متردد ثلاثي الأطوار بستة أسلاك، حيث يستخدم كل طور زوجًا منفصلاً من أسلاك النقل. ^{[ 24 ]} الصورة اليمنى: مولد تيار متردد ثلاثي الأطوار بثلاثة أسلاك، يوضح كيف يمكن للأطوار أن تشترك في ثلاثة أسلاك فقط. ^{[ 25 ]}

في محطة توليد الطاقة ، يقوم مولد كهربائي بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى ثلاثة تيارات كهربائية متناوبة ، تيار واحد من كل ملف من ملفات المولد. تُرتّب الملفات بحيث تكون التيارات بنفس التردد، ولكن مع إزاحة قمم وقيعان موجاتها لتوفير ثلاثة تيارات متكاملة بفارق طور مقداره ثلث دورة ( 120 درجة أو 2π / 3 راديان ). يتراوح تردد المولد عادةً بين 50 و60 هرتز ، حسب البلد.

في محطة توليد الطاقة، تقوم المحولات بتغيير الجهد من المولدات إلى مستوى مناسب للنقل من أجل تقليل الخسائر.

بعد إجراء المزيد من تحويلات الجهد في شبكة النقل، يتم تحويل الجهد في النهاية إلى الاستخدام القياسي قبل تزويد العملاء بالطاقة.

تقوم معظم مولدات التيار المتردد للسيارات بتوليد تيار متردد ثلاثي الأطوار وتقويمه إلى تيار مستمر باستخدام جسر ثنائي . ^{[ 26 ]}

يربط ملف المحول ذو التكوين المثلثي أطوار نظام ثلاثي الأطوار مباشرةً من طور إلى آخر. أما المحول ذو التكوين النجمي فيربط كل ملف طور بنقطة مركزية (محايدة) مشتركة.

يمكن استخدام محول ثلاثي الأطوار واحد، أو ثلاثة محولات أحادية الطور.

في نظام "الدلتا المفتوحة" أو "V"، يُستخدم محولان فقط. يمكن لنظام دلتا مغلق مكون من ثلاثة محولات أحادية الطور أن يعمل كنظام دلتا مفتوحة في حال تعطل أحد المحولات أو الحاجة إلى إزالته. ^{[ 27 ] في نظام الدلتا المفتوحة، يجب أن يحمل كل محول تيارًا لأطواره الخاصة بالإضافة إلى تيار الطور الثالث، وبالتالي تنخفض السعة إلى 87%. في حال فقدان أحد المحولات الثلاثة وبقاء المحولين المتبقيين بكفاءة 87% ،} تصبح السعة 58% ( ثلثي 87%) ^{. [ 28 ] [} 29 ]

عندما يتطلب نظام التغذية المثلثية تأريضًا للكشف عن التيار الشارد إلى الأرض أو للحماية من ارتفاعات الجهد المفاجئة، يمكن توصيل محول تأريض (عادةً محول متعرج ) للسماح لتيارات الأعطال الأرضية بالعودة من أي طور إلى الأرض. وهناك نوع آخر هو نظام دلتا "مؤرض عند الزاوية"، وهو نظام دلتا مغلق مؤرض عند إحدى نقاط تفرع المحولات. ^{[ 30 ]}

يوجد نوعان أساسيان من التوصيلات ثلاثية الأطوار: النجمة والمثلث. كما هو موضح في الرسم التخطيطي، يتطلب توصيل المثلث ثلاثة أسلاك فقط لنقل الطاقة، بينما قد يحتوي توصيل النجمة على سلك رابع. يُستخدم السلك الرابع، إن وُجد، كسلك محايد، وهو عادةً ما يكون مؤرضًا. لا يشمل تصنيفا الأسلاك الثلاثة والأربعة سلك التأريض الموجود أعلى العديد من خطوط النقل، والذي يُستخدم فقط للحماية من الأعطال ولا يحمل تيارًا كهربائيًا في الاستخدام العادي.

يُحصل على نظام رباعي الأسلاك ذي جهد متناظر بين الطور والحيادي عند توصيل الحيادي بنقطة التفرع المشتركة لجميع ملفات التغذية. في هذا النظام، يكون للطورات الثلاثة نفس مقدار الجهد بالنسبة للحيادي. وقد استُخدمت أنظمة أخرى غير متناظرة.

يُستخدم نظام النجمة رباعي الأسلاك عند توصيل مزيج من الأحمال أحادية الطور وثلاثية الطور، مثل أحمال الإضاءة والمحركات. ومن الأمثلة على تطبيقاته التوزيع المحلي في أوروبا (وغيرها)، حيث قد يُغذى كل مشترك من طور واحد فقط والخط المحايد (المشترك بين الأطوار الثلاثة). عندما تسحب مجموعة من المشتركين الذين يتشاركون الخط المحايد تيارات طورية غير متساوية، يحمل السلك المحايد المشترك التيارات الناتجة عن هذا التفاوت. يسعى مهندسو الكهرباء إلى تصميم نظام الطاقة ثلاثي الأطوار لأي موقع بحيث تكون الطاقة المسحوبة من كل طور من الأطوار الثلاثة متساوية قدر الإمكان في ذلك الموقع. ^{[ 31 ]} كما يسعى مهندسو الكهرباء إلى تنظيم شبكة التوزيع بحيث تكون الأحمال متوازنة قدر الإمكان، لأن المبادئ نفسها التي تنطبق على المباني الفردية تنطبق أيضًا على طاقة نظام التوزيع واسع النطاق. ولذلك، تبذل هيئات التزويد كل جهد ممكن لتوزيع الطاقة المسحوبة من كل طور من الأطوار الثلاثة على عدد كبير من المباني بحيث يُلاحظ، في المتوسط، حمل متوازن قدر الإمكان عند نقطة التزويد.

بالنسبة للاستخدام المنزلي، قد تقوم بعض الدول مثل المملكة المتحدة بتزويد عقار واحد بطور واحد ومحايد بتيار عالٍ (يصل إلى 100 أمبير )، بينما قد تقوم دول أخرى مثل ألمانيا بتزويد كل عميل بثلاثة أطوار ومحايد، ولكن بتصنيف مصهر أقل، عادةً 40-63 أمبير لكل طور، ويتم "تدويرها" لتجنب تأثير زيادة الحمل على الطور الأول.  

تعتمد هذه التوصيلات على توصيلات النجمة والمثلث. عموماً، هناك أربعة أنواع مختلفة من توصيلات ملفات المحولات ثلاثية الطور لأغراض النقل والتوزيع:

• نجمة – نجمة، تُستخدم للتيارات الصغيرة والجهد العالي،
• دلتا – دلتا، تُستخدم للتيارات الكبيرة والفولتية المنخفضة،
• دلتا – ستار، تُستخدم في محولات رفع الجهد، أي في محطات توليد الطاقة.
• يستخدم نظام النجمة - المثلثة للمحولات الخافضة للجهد، أي في نهاية خط النقل.

في أمريكا الشمالية، يُستخدم أحيانًا نظام تغذية دلتا عالي الجهد، حيث يكون أحد ملفات محول دلتا الموصول لتغذية الحمل موصولًا بنقطة مركزية، ويتم تأريض هذه النقطة المركزية وتوصيلها كخط محايد كما هو موضح في الرسم التخطيطي الثاني. ينتج عن هذا النظام ثلاثة جهود مختلفة: إذا كان الجهد بين النقطة المركزية (المحايد) وكل من النقطتين العلوية والسفلية (الطور والطور المعاكس) يساوي 120 فولت (100%)، فإن الجهد عبر خطي الطور والطور المعاكس يساوي 240 فولت (200%)، ويكون الجهد بين المحايد و"الجهد العالي" حوالي 208 فولت (173%). ^{[ 27 ]}    

يُستخدم نظام التغذية الموصول على شكل دلتا عادةً لتشغيل المحركات الكبيرة التي تتطلب مجالًا دوارًا. ومع ذلك، ستحتاج المباني المعنية أيضًا إلى  مصادر الطاقة "العادية" في أمريكا الشمالية بجهد 120 فولت، والتي يتم اشتقاق اثنين منها (  بفارق طور 180 درجة) بين "الخط المحايد" وإحدى نقطتي الطور ذات التفرع المركزي.

في حالة التوازن التام، تتشارك الخطوط الثلاثة أحمالاً متساوية. وبفحص الدوائر، يمكننا استنتاج العلاقات بين الجهد والتيار بين الخطوط، وبين جهد وتيار الحمل للأحمال الموصولة على شكل نجمة ومثلث.

في نظام متوازن، يُنتج كل خط جهدًا متساويًا بزوايا طور متساوية التباعد. باستخدام V1 كجهد مرجعي وV3 متأخرًا عن V2 متأخرًا عن _V1 ، _{وباستخدام} ترميز _{الزاوية} ، _و VLN هو جهد _الخط إلى المحايد، نحصل على: ^{[ 32 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{محاذاة}}}$

تُغذّي هذه الفولتيات إما حملاً موصولاً على شكل نجمة أو دلتا.

نجم

سيعتمد الجهد الذي يراه الحمل على توصيل الحمل؛ بالنسبة لحالة النجمة، فإن توصيل كل حمل بجهد الخط إلى المحايد يعطي ^{[ 32 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-\theta ),\\I_{2}&={\frac {V_{2}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\frac {V_{3}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

حيث Z _total هو مجموع معاوقات الخط والحمل ( Z _total = Z _LN + Z _Y )، و θ هي طور المعاوقة الكلية ( Z _total ).

لا يكون فرق زاوية الطور بين الجهد والتيار في كل طور صفرًا بالضرورة، بل يعتمد على نوع معاوقة الحمل، Z_{_y} . تتسبب الأحمال الحثية والسعوية في تأخر التيار أو تقدمه على الجهد. ومع ذلك، ستظل زاوية الطور النسبية بين كل زوج من الخطوط (1 إلى 2، 2 إلى 3، و3 إلى 1) -120 درجة.

بتطبيق قانون كيرشوف للتيار (KCL) على العقدة المحايدة، فإن مجموع تيارات الأطوار الثلاثة يساوي التيار الكلي في الخط المحايد. في حالة التوازن:

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

دلتا

في دائرة دلتا، يتم توصيل الأحمال عبر الخطوط، وبالتالي ترى الأحمال جهدًا من خط إلى خط: ^{[ 32 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}}V_{1}\angle (\phi _{V_{1}}+30^{\circ }),\\V_{23}&=V_{2}-V_{3}=(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle (\phi _{V_{2}}+30^{\circ }),\\V_{31}&=V_{3}-V_{1}=(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle (\phi _{V_{3}}+30^{\circ }).\end{aligned}}}$

(Φ _v1 هو إزاحة الطور للجهد الأول، والذي يُفترض عادةً أنه 0 درجة؛ في هذه الحالة، Φ _v2 = −120 درجة و Φ _v3 = −240 درجة أو 120 درجة.)

إضافي:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (30^{\circ }-\theta ),\\I_{23}&={\frac {V_{23}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (-90^{\circ }-\theta ),\\I_{31}&={\frac {V_{31}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (150^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

حيث θ هي طور معاوقة دلتا ( Z _Δ ).

تُحفظ الزوايا النسبية، لذا يتأخر التيار _I31 عن _{التيار I23} بمقدار 120 درجة، ويتأخر التيار I12 عن _{التيار I23} بمقدار 120 درجة. وبحساب تيارات الخط باستخدام قانون كيرشوف للتيارات عند كل عقدة دلتا، نحصل على:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle (\phi _{I_{12}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}}$

وبالمثل بالنسبة لكل سطر آخر:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle (\phi _{I_{23}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{23}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle (\phi _{I_{31}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{31}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

حيث أن θ مرة أخرى هي طور معاوقة دلتا ( Z _Δ ).

يُظهر فحص مخطط الطور، أو التحويل من ترميز الطور إلى الترميز المركب، كيف أن الفرق بين جهدين بين الخط والحيادي يُنتج جهدًا بين الخطين أكبر بمعامل √3 . فعندما يربط توصيل دلتا حملاً عبر أطوار محول، فإنه يُنتج فرق جهد بين الخطين أكبر بمعامل √3 من الجهد بين الخط والحيادي المُوَصَّل إلى حمل في توصيل النجمة. وبما أن القدرة المنقولة هي V² ^/ Z ، فإن المعاوقة في توصيل دلتا يجب أن تكون ثلاثة أضعاف ما هي عليه في توصيل النجمة لنقل نفس القدرة.

باستثناء نظام دلتا ذي الأرجل العالية ونظام دلتا ذي التأريض الزاوي، يمكن توصيل الأحمال أحادية الطور عبر أي طورين، أو يمكن توصيل الحمل من الطور إلى المحايد. ^{[ 34 ]} يؤدي توزيع الأحمال أحادية الطور بين أطوار نظام ثلاثي الأطوار إلى موازنة الحمل وتحقيق الاستخدام الأمثل للموصلات والمحولات.

في نظام نجمي متناظر ثلاثي الأطوار بأربعة أسلاك، يكون جهد الموصلات الثلاثة للأطوار متساوياً بالنسبة إلى نقطة التعادل في النظام. ويكون جهد الخط إلى الخط مساوياً لجذر 3 مضروباً في جهد الخط إلى نقطة التعادل: ^{[ 35 ]}

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

تتشارك جميع التيارات العائدة من منازل العملاء إلى محول التغذية في السلك المحايد. إذا كانت الأحمال موزعة بالتساوي على الأطوار الثلاثة، فإن مجموع التيارات العائدة في السلك المحايد يساوي صفرًا تقريبًا. أي حمل طور غير متوازن على الجانب الثانوي للمحول سيؤدي إلى استخدام غير فعال لسعة المحول.

في حال انقطاع سلك التعادل في مصدر الطاقة، لن يتم الحفاظ على جهد الخط إلى سلك التعادل. ستشهد الأطوار ذات الأحمال النسبية الأعلى انخفاضًا في الجهد، بينما ستشهد الأطوار ذات الأحمال النسبية الأقل ارتفاعًا في الجهد، وصولًا إلى جهد الخط إلى الخط.

يوفر تصميم دلتا ذو الساق العالية علاقة بين الطور والحيادي V _LL = 2 V _LN ، ومع ذلك، يتم تطبيق حمل LN على طور واحد. ^{[ 27 ]} تشير صفحة أحد مصنعي المحولات إلى أنه لا ينبغي أن يتجاوز حمل LN نسبة 5% من سعة المحول. ^{[ 36 ]}

بما أن √3 ≈ 1.73، فإن تعريف V LN _على أنه 100% يعطي V _LL ≈ 100% × 1.73 = 173% . إذا تم تحديد V _{LL على أنه 100%، فإن} V _LN ≈ 57.7% .

يُعد المحرك الكهربائي فئة مهمة من الأحمال ثلاثية الأطوار . يتميز محرك الحث ثلاثي الأطوار بتصميم بسيط، وعزم دوران بدء تشغيل عالٍ، وكفاءة عالية. تُستخدم هذه المحركات في الصناعة في العديد من التطبيقات. يتميز المحرك ثلاثي الأطوار بصغر حجمه وانخفاض تكلفته مقارنةً بالمحرك أحادي الطور من نفس فئة الجهد والقدرة، كما أن محركات التيار المتردد أحادية الطور التي تزيد قدرتها عن 10 حصان (7.5 كيلوواط) نادرة. تتميز المحركات ثلاثية الأطوار أيضًا بانخفاض اهتزازها، وبالتالي تدوم لفترة أطول من المحركات أحادية الطور ذات القدرة نفسها المستخدمة في نفس الظروف. ^{[ 38 ]}  

يمكن توصيل أحمال التسخين المقاومة، مثل الغلايات الكهربائية أو أنظمة التدفئة المركزية، بأنظمة ثلاثية الطور. كما يمكن توصيل الإضاءة الكهربائية بطريقة مماثلة.

يُعدّ الوميض الناتج عن تردد التيار الكهربائي في الضوء ضارًا بالكاميرات عالية السرعة المستخدمة في بث الأحداث الرياضية، خاصةً عند إعادة عرض اللقطات بالحركة البطيئة . ويمكن الحدّ من هذا الوميض بتوزيع مصادر الضوء العاملة بتردد التيار الكهربائي بالتساوي على المراحل الثلاث، بحيث تُضاء المنطقة المراد تصويرها من جميع هذه المراحل. وقد طُبّقت هذه التقنية بنجاح في دورة الألعاب الأولمبية في بكين عام 2008. ^{[ 39 ]}

قد تستخدم المقومات مصدرًا ثلاثي الأطوار لإنتاج خرج تيار مستمر بست نبضات. ^{[ 40 ]} يتميز خرج هذه المقومات بسلاسة أكبر من التيار أحادي الطور المُقوَّم، وعلى عكس التيار أحادي الطور، لا ينخفض ​​إلى الصفر بين النبضات. يمكن استخدام هذه المقومات لشحن البطاريات، وعمليات التحليل الكهربائي مثل إنتاج الألومنيوم وفرن القوس الكهربائي المستخدم في صناعة الصلب ، ولتشغيل محركات التيار المستمر. قد تُنتج محولات الزجزاج ما يُعادل تقويم الموجة الكاملة سداسي الأطوار، باثنتي عشرة نبضة لكل دورة، وتُستخدم هذه الطريقة أحيانًا لتقليل تكلفة مكونات الترشيح، مع تحسين جودة التيار المستمر الناتج.

في العديد من الدول الأوروبية، تُصمَّم المواقد الكهربائية عادةً للعمل بنظام ثلاثي الأطوار مع توصيل دائم. غالبًا ما تُوصَّل وحدات التسخين الفردية بين الطور والحيادي للسماح بالتوصيل بدائرة أحادية الطور في حال عدم توفر التيار ثلاثي الأطوار. ^{[ 41 ]} ومن الأحمال ثلاثية الأطوار الشائعة الأخرى في المنازل أنظمة تسخين المياه الفورية وسخانات التخزين . وقد اعتمدت المنازل في أوروبا جهدًا اسميًا قدره 230  فولت  ±10% بين أي طور والأرض. تُغذَّى معظم مجموعات المنازل من محول كهربائي ثلاثي الأطوار في الشارع، بحيث يمكن تغذية المباني الفردية ذات الطلب الأعلى من المتوسط ​​بوصلة طور ثانٍ أو ثالث.

تُستخدم محولات الطور عندما تحتاج المعدات ثلاثية الأطوار إلى التشغيل على مصدر طاقة أحادي الطور. ويُستخدم هذا النوع من المحولات عندما لا يتوفر مصدر طاقة ثلاثي الأطوار أو عندما يكون استخدام مصدر طاقة ثلاثي الأطوار غير مُبرر من حيث التكلفة. كما قد تسمح هذه المحولات بتغيير التردد، مما يُتيح التحكم في السرعة. وتستخدم بعض قاطرات السكك الحديدية مصدر طاقة أحادي الطور لتشغيل محركات ثلاثية الأطوار يتم تغذيتها عبر محرك إلكتروني. ^{[ 42 ]}

محول الطور الدوار هو محرك ثلاثي الأطوار مزود بترتيبات بدء تشغيل خاصة وتصحيح معامل القدرة ، ينتج عنه جهد ثلاثي الأطوار متوازن. عند تصميمه بشكل صحيح، يسمح هذا المحول الدوار بتشغيل محرك ثلاثي الأطوار بكفاءة على مصدر أحادي الطور. في هذا النوع من الأجهزة، يتم تخزين الطاقة عن طريق القصور الذاتي (تأثير دولاب الموازنة) للمكونات الدوارة. يوجد دولاب موازنة خارجي أحيانًا على أحد طرفي العمود أو كليهما.

يمكن تشغيل مولد ثلاثي الأطوار بمحرك أحادي الطور. يوفر هذا المزيج من المحرك والمولد وظيفة تغيير التردد بالإضافة إلى تحويل الطور، ولكنه يتطلب جهازين مع ما يترتب على ذلك من تكاليف وخسائر. كما يمكن لهذا المزيج أن يشكل مصدر طاقة غير منقطع عند استخدامه مع دولاب موازنة كبير ومحرك تيار مستمر يعمل بالبطارية؛ إذ يوفر هذا المزيج طاقة ثابتة تقريبًا مقارنةً بانخفاض التردد المؤقت الذي يحدث مع مولد احتياطي حتى يبدأ تشغيله.

يمكن استخدام المكثفات والمحولات الذاتية لتقريب نظام ثلاثي الأطوار في محول طور ثابت، ولكن قد يكون الجهد وزاوية الطور الإضافي مفيدين فقط لأحمال معينة.

تستخدم محركات التردد المتغير ومحولات الطور الرقمية أجهزة إلكترونيات الطاقة لتوليد مصدر طاقة ثلاثي الأطوار متوازن من طاقة دخل أحادية الطور.

يُعدّ التحقق من تسلسل الأطوار في الدائرة الكهربائية ذا أهمية عملية بالغة. لا يجوز توصيل مصدرين للطاقة ثلاثية الأطوار على التوازي إلا إذا كان لهما نفس تسلسل الأطوار، كما هو الحال عند توصيل مولد كهربائي بشبكة توزيع كهربائية نشطة، أو عند توصيل محولين كهربائيين على التوازي. وإلا، فسيتصرف التوصيل كدائرة قصر، وسيتدفق تيار زائد. يمكن عكس اتجاه دوران المحركات ثلاثية الأطوار بتبديل أي طورين؛ وقد يكون من غير العملي أو الضار اختبار الآلة بتشغيل المحرك مؤقتًا لمراقبة دورانه. يمكن التحقق من تسلسل أطوار مصدرين بقياس الجهد بين أزواج من الأطراف، وملاحظة أن الأطراف ذات الجهد المنخفض جدًا بينها ستكون لها نفس الطور، بينما الأزواج التي تُظهر جهدًا أعلى تكون على أطوار مختلفة.

عندما لا تكون هوية الطور المطلقة مطلوبة، يمكن استخدام أجهزة اختبار دوران الطور لتحديد تسلسل الدوران بملاحظة واحدة. قد يحتوي جهاز اختبار دوران الطور على محرك ثلاثي الأطوار مصغر، يمكن ملاحظة اتجاه دورانه مباشرةً من خلال غلاف الجهاز. يستخدم تصميم آخر زوجًا من المصابيح وشبكة داخلية لإزاحة الطور لعرض دوران الطور. يمكن توصيل نوع آخر من الأجهزة بمحرك ثلاثي الأطوار غير مُشغّل، ويمكنه الكشف عن الفولتيات الصغيرة الناتجة عن المغناطيسية المتبقية عند تدوير عمود المحرك يدويًا. يضيء مصباح أو مؤشر آخر لإظهار تسلسل الفولتيات عند أطراف المحرك لاتجاه دوران العمود المحدد. ^{[ 43 ]}

الطاقة الكهربائية ذات الطور المنفصل

يستخدم عندما لا تتوفر الطاقة ثلاثية الأطوار، ويسمح بتوفير ضعف جهد الاستخدام العادي للأحمال عالية الطاقة.

الطاقة الكهربائية ثنائية الطور

يستخدم جهدين متناوبين، مع فرق طور كهربائي بينهما مقداره 90 درجة. يمكن توصيل الدوائر ثنائية الطور بزوجين من الموصلات، أو يمكن دمج سلكين، مما يتطلب ثلاثة أسلاك فقط للدائرة. يبلغ مجموع التيارات في الموصل المشترك 1.4 ضعف (${\displaystyle {\sqrt {2}}}$) التيار في كل طور على حدة، لذا يجب أن يكون الموصل المشترك أكبر. يمكن ربط أنظمة التيار المتردد ثنائية وثلاثية الأطوار بواسطة محول سكوت-تي ، الذي اخترعه تشارلز ف. سكوت . ^{[ 44 ]} استخدمت آلات التيار المتردد المبكرة جدًا، ولا سيما المولدات الأولى في شلالات نياجرا ، نظامًا ثنائي الطور، ولا تزال بعض أنظمة التوزيع ثنائية الطور المتبقية موجودة، ولكن أنظمة التيار المتردد ثلاثية الأطوار حلت محل النظام ثنائي الطور في المنشآت الحديثة.

قوة أحادية الدورة

نظام طاقة ثنائي الطور مُعدَّل وغير متماثل، استخدمته شركة جنرال إلكتريك حوالي عام 1897، وكان تشارلز بروتيوس شتاينميتز وإليهو طومسون من أبرز الداعمين له . صُمِّم هذا النظام لتجنب انتهاك براءات الاختراع. في هذا النظام، كان المولد يُلف بملف أحادي الطور كامل الجهد مُخصَّص لأحمال الإضاءة، وبملف صغير (عادةً ربع جهد الخط) يُنتج جهدًا متعامدًا مع جهد الملفات الرئيسية. كان الهدف هو استخدام هذا الملف الإضافي، المعروف باسم "سلك الطاقة"، لتوفير عزم بدء تشغيل المحركات الحثية، بينما يُوفِّر الملف الرئيسي الطاقة لأحمال الإضاءة. بعد انتهاء صلاحية براءات اختراع شركة وستنجهاوس لأنظمة توزيع الطاقة ثنائية وثلاثية الطور المتماثلة، توقف استخدام النظام أحادي الدورة؛ لصعوبة تحليله، ولأنه لم يستمر طويلًا بما يكفي لتطوير عدادات طاقة مُرضية.

أنظمة ذات رتبة طور عالية

تم تصميم هذه الخطوط واختبارها لنقل الطاقة. وتستخدم عادةً ستة أو اثني عشر طورًا. تسمح خطوط النقل ذات الرتبة الطورية العالية بنقل طاقة أقل بقليل من طاقة أعلى نسبيًا عبر حجم معين دون الحاجة إلى محول تيار مستمر عالي الجهد (HVDC) عند كل طرف من أطراف الخط. ومع ذلك، فإنها تتطلب عددًا أكبر من المعدات.

العاصمة واشنطن

استُخدم التيار المتردد تاريخيًا لسهولة تحويله إلى جهد أعلى لنقل البيانات لمسافات طويلة. إلا أن الإلكترونيات الحديثة قادرة على رفع جهد التيار المستمر بكفاءة عالية، كما أن التيار المستمر لا يعاني من ظاهرة التأثير السطحي ، مما يسمح باستخدام أسلاك نقل أخف وزنًا وأقل تكلفة، وبالتالي يوفر التيار المستمر ذو الجهد العالي خسائر أقل عند نقل البيانات لمسافات طويلة.

تُحدد موصلات نظام ثلاثي الأطوار عادةً برمز لوني لتسهيل التحميل المتوازن وضمان دوران الطور الصحيح للمحركات . قد تلتزم الألوان المستخدمة بالمعيار الدولي IEC 60446 (لاحقًا IEC 60445 )، أو بمعايير أقدم، أو قد لا تلتزم بأي معيار على الإطلاق، وقد تختلف حتى داخل المنشأة الواحدة. على سبيل المثال، في الولايات المتحدة وكندا، تُستخدم رموز لونية مختلفة للأنظمة المؤرضة وغير المؤرضة.

• نيد هوفر، جيرهارد (2007). "الطاقة ثلاثية الأطوار المبكرة [تاريخ]". مجلة IEEE للطاقة والكهرباء . 5 (5): 88-100 . doi : 10.1109/MPE.2007.904752 . ISSN 1540-7977 . 

• تاريخ وتسلسل زمني للطاقة الكهربائية المترددة