Điện 3 Pha Là Gì? Phân Biệt Giữa Tải 1 Pha Và Tải 3 Pha

Điện 3 pha là khái niệm quen thuộc nhưng lại giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong cả lý thuyết lẫn ứng dụng kỹ thuật. Từ hệ thống cung cấp điện trong các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, cho đến các công trình dân dụng và dây chuyền sản xuất hiện đại – tất cả đều liên quan trực tiếp đến điện 3 pha. Vậy điện 3 pha là gì, nó được thiết kế và nguyên lý hoạt động ra sao? Những nội dung này sẽ được DAT Group tổng hợp và giải đáp trong bài viết sau.

Điện 3 pha là gì?

Điện ba pha (Three-phase electric power, viết tắt 3ϕ) là dạng dòng điện xoay chiều (AC) được sử dụng rộng rãi nhất trong phát điện, truyền tải và phân phối điện năng. Đây là một loại hệ thống đa pha (polyphase system), sử dụng ba dây dẫn (hoặc bốn dây, nếu có thêm dây trung tính – neutral return), và là phương pháp tiêu chuẩn mà lưới điện trên toàn thế giới dùng để cung cấp điện năng.

Thuật ngữ

Các dây dẫn nối giữa nguồn điện áp và tải được gọi là dây pha (lines), và điện áp giữa hai dây pha bất kỳ được gọi là điện áp dây (line voltage).

Điện áp đo được giữa một dây pha và dây trung tính (neutral) được gọi là điện áp pha (phase voltage).

Ví dụ:

Ở các quốc gia sử dụng điện áp danh định 230 V, thì điện áp dây là 400 V, còn điện áp pha là 230 V.

Với hệ thống 208/120 V, thì điện áp dây là 208 V, và điện áp pha là 120 V.

Lịch sử hình thành và phát triển

Các hệ thống điện đa pha (polyphase power systems) được phát minh độc lập vào cuối những năm 1880 bởi Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström, John Hopkinson, William Stanley Jr. và Nikola Tesla.

Điện ba pha (three-phase power) ra đời từ quá trình nghiên cứu phát triển động cơ điện.

• Năm 1885, Galileo Ferraris bắt đầu nghiên cứu về từ trường quay (rotating magnetic field) và tiến hành thử nghiệm với nhiều loại động cơ điện không đồng bộ (asynchronous motors). Ngày 11/3/1888, ông đã công bố kết quả nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Turin.

Hai tháng sau, Nikola Tesla được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 381,968 cho thiết kế động cơ điện ba pha, hồ sơ nộp từ tháng 10/1887.

Các máy phát điện xoay chiều đa pha (polyphase alternators) hoạt động bằng cách tạo ra các hệ dòng điện xoay chiều lệch pha nhau một góc xác định, dựa trên nguyên lý từ trường quay. Nhờ hiệu quả cao, nguồn điện đa pha nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi.

• Năm 1888, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky phát triển máy phát điện ba pha và động cơ điện ba pha, đồng thời nghiên cứu các cấu hình đấu sao (star/Y) và tam giác (delta/Δ).
• Tại Triển lãm Điện kỹ thuật Quốc tế ở Frankfurt (Đức) năm 1891, Dolivo-Dobrovolsky trình diễn hệ thống truyền tải điện ba pha ba dây, truyền tải điện năng đi 176 km (110 dặm) với hiệu suất 75%. Cũng trong năm này, ông phát minh máy biến áp ba pha (three-phase transformer) và động cơ cảm ứng rotor lồng sóc (squirrel-cage induction motor), đồng thời thiết kế nhà máy thủy điện ba pha đầu tiên trên thế giới.
• Năm 1890, nhà phát minh Jonas Wenström được cấp bằng sáng chế Thụy Điển cho hệ thống điện ba pha tương tự. Ứng dụng thực tế được tiến hành tại mỏ Grängesberg (Thụy Điển), với việc khai thác thác nước cao 45 m tại Hällsjön, Smedjebackens kommun. Đến năm 1893, hệ thống ba pha 9,5 kV đã được dùng để truyền tải 400 mã lực (300 kW) trên khoảng cách 15 km (10 dặm), trở thành ứng dụng thương mại đầu tiên của điện ba pha.

Nguyên lý hoạt động của điện 3 pha

Trong một hệ thống cung cấp điện ba pha đối xứng, ba dây dẫn cùng mang dòng điện xoay chiều có cùng tần số và biên độ điện áp so với một điểm tham chiếu chung, nhưng lệch pha nhau một phần ba chu kỳ (tức là lệch nhau 120 độ). Điểm tham chiếu chung này thường được nối đất và thường kết nối với dây trung tính – cũng là một dây dẫn mang dòng điện.

Các hệ thống ba pha đối xứng như đã mô tả ở đây thường được gọi đơn giản là hệ thống ba pha, bởi vì mặc dù có thể thiết kế và triển khai các hệ thống ba pha bất đối xứng (tức là có điện áp hoặc góc lệch pha không bằng nhau), nhưng chúng hầu như không được sử dụng trong thực tế vì không có những ưu điểm quan trọng như hệ thống đối xứng.

Trong một hệ thống ba pha cấp cho tải cân bằng và tuyến tính, tổng tức thời của dòng điện trong ba dây dẫn luôn bằng không. Nói cách khác, dòng điện trong mỗi dây dẫn bằng tổng dòng điện trong hai dây còn lại nhưng ngược dấu. Do đó, đường hồi lưu của dòng điện trong một dây pha chính là hai dây pha còn lại.

Việc truyền tải công suất ổn định là có thể với bất kỳ hệ thống nhiều pha nào (lớn hơn một). Tuy nhiên, hệ hai pha không có khả năng triệt tiêu dòng điện trung tính, do đó việc sử dụng dây dẫn kém hiệu quả hơn; còn hệ nhiều hơn ba pha thì làm phức tạp cơ sở hạ tầng một cách không cần thiết. Ngoài ra, trong một số máy phát điện và động cơ thực tế, hệ hai pha có thể tạo ra mô-men xoắn không đều (bị nhấp nhô).

Hệ thống ba pha có thể có thêm dây thứ tư, thường gặp trong phân phối điện áp thấp. Đây là dây trung tính. Nhờ dây trung tính, có thể cung cấp ba nguồn điện một pha riêng biệt với điện áp không đổi, rất hữu ích khi cấp cho nhiều tải một pha cùng lúc.

Thứ tự pha

Dây dẫn trong hệ thống điện ba pha thường được nhận diện bằng màu sắc, và màu này có thể khác nhau tùy theo quốc gia và cấp điện áp. Các pha phải được đấu nối đúng thứ tự để đảm bảo chiều quay mong muốn của động cơ ba pha. Ví dụ: các thiết bị như bơm và quạt sẽ không hoạt động đúng nếu quay ngược chiều.

Việc duy trì nhận diện chính xác của từng pha là bắt buộc trong trường hợp có khả năng hai nguồn điện được kết nối cùng lúc. Nếu đấu trực tiếp hai pha khác nhau với nhau sẽ gây ra ngắn mạch, dẫn đến dòng điện mất cân bằng.

Ưu điểm và nhược điểm

So với hệ thống điện xoay chiều một pha (single-phase AC), vốn sử dụng hai dây dẫn mang dòng điện (không có dây trung tính), thì hệ thống điện ba pha không có dây trung tính với cùng điện áp pha–pha có thể truyền tải cùng một công suất nhưng chỉ cần 75% vật liệu dây dẫn.

Hệ thống điện ba pha có những đặc tính khiến nó được ưa chuộng trong phân phối điện năng:

Dòng điện các pha có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau, tổng dòng bằng không trong trường hợp tải tuyến tính cân bằng, giúp giảm kích thước dây trung tính vì nó mang rất ít hoặc không mang dòng.

Với tải cân bằng, tất cả các dây pha mang cùng một dòng điện, do đó có thể dùng dây dẫn cùng kích thước.

Công suất truyền vào tải tuyến tính cân bằng là hằng số, điều này đặc biệt hữu ích trong ứng dụng động cơ/máy phát, giúp giảm rung động.

Hệ thống điện ba pha có thể tạo ra từ trường quay với hướng xác định và biên độ không đổi, giúp đơn giản hóa thiết kế động cơ điện, vì không cần mạch khởi động riêng.

Tuy nhiên, phần lớn tải điện vẫn là tải một pha. Ở Bắc Mỹ, các hộ gia đình và căn hộ thường được cấp một pha từ lưới điện, sử dụng hệ thống split-phase đưa vào bảng điện, từ đó hầu hết các nhánh mạch cung cấp 120 V. Các mạch dành cho thiết bị công suất lớn như bếp điện, máy sấy, ổ cắm xe điện sẽ sử dụng 240 V.

Ở châu Âu, điện ba pha thường được cấp trực tiếp đến bảng điện, và từ đó phân phối cho các thiết bị công suất lớn.

Sản xuất và phân phối điện 3 pha

Tại nhà máy điện, máy phát điện sẽ chuyển đổi cơ năng thành một bộ ba dòng điện xoay chiều, mỗi dòng điện được sinh ra từ một cuộn dây (winding) của máy phát. Các cuộn dây này được bố trí sao cho các dòng điện có cùng tần số, nhưng các đỉnh và đáy của sóng điện được lệch pha 1/3 chu kỳ (120° hay 2π⁄3 radian), tạo thành ba dòng điện bổ sung lẫn nhau. Tần số phát điện thường là 50 Hz hoặc 60 Hz, tùy theo quốc gia.

Cũng tại nhà máy điện, máy biến áp (transformers) sẽ thay đổi điện áp từ máy phát lên mức phù hợp cho truyền tải đường dài, nhằm giảm thiểu tổn hao điện năng.

Sau khi tiếp tục được biến đổi nhiều cấp điện áp trong mạng lưới truyền tải, điện áp sẽ được hạ xuống mức tiêu chuẩn sử dụng trước khi cấp đến khách hàng.

Ngoài ra, hầu hết các máy phát điện xoay chiều trên ô tô đều sinh ra dòng điện ba pha, sau đó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (DC) thông qua cầu diode.

Đấu nối máy biến áp

Một cuộn dây máy biến áp được đấu nối tam giác (delta – Δ) sẽ được nối giữa các dây pha của hệ thống ba pha. Trong khi đó, một máy biến áp đấu nối sao “wye” (Y) sẽ nối mỗi cuộn dây từ một dây pha đến một điểm trung tính chung.

Một máy biến áp ba pha duy nhất có thể được sử dụng, hoặc thay thế bằng ba máy biến áp một pha ghép lại.

Trong hệ thống delta hở hay hệ V, chỉ sử dụng hai máy biến áp. Một mạch delta kín gồm ba máy biến áp một pha cũng có thể hoạt động ở chế độ delta hở nếu một trong ba máy bị hỏng hoặc cần tháo ra. Trong cấu hình delta hở, mỗi máy biến áp phải mang dòng cho các pha của nó và đồng thời cho cả dòng của pha thứ ba, do đó công suất bị giảm xuống còn 87%. Khi một trong ba máy thiếu, hai máy còn lại chỉ còn hoạt động với 58% công suất (tương đương 2⁄3 × 87%).

Trong trường hợp một hệ thống cấp điện đấu delta cần được nối đất để phát hiện dòng rò xuống đất (stray current to ground) hoặc bảo vệ trước xung điện quá áp (surge voltages), có thể sử dụng máy biến áp nối đất (grounding transformer) – thường là máy biến áp zigzag – để cho phép dòng sự cố nối đất từ bất kỳ pha nào quay về đất. Một biến thể khác là hệ thống delta nối đất tại góc (corner grounded delta system), trong đó mạch delta kín được nối đất tại một điểm giao nhau của các cuộn biến áp.

Mạch ba dây và bốn dây

Trong hệ thống ba pha có hai cấu hình cơ bản: sao (wye – Y) và tam giác (delta – Δ). Cấu hình delta chỉ cần ba dây để truyền tải, trong khi cấu hình sao (star) có thể có thêm dây thứ tư.

Dây thứ tư, nếu có, chính là dây trung tính (neutral) và thường được nối đất (grounded). Lưu ý rằng thuật ngữ ba dây (three-wire) hay bốn dây (four-wire) không tính đến dây nối đất bảo vệ thường thấy phía trên nhiều đường dây truyền tải, vì dây này chỉ dùng cho bảo vệ sự cố và không mang dòng điện trong điều kiện vận hành bình thường.

Dựa trên cách đấu nối sao (Y) và tam giác (Δ), nhìn chung có bốn kiểu đấu nối cuộn dây máy biến áp ba pha trong truyền tải và phân phối điện:

• Y – Y (sao – sao): dùng cho dòng điện nhỏ, điện áp cao.
• Δ – Δ (tam giác – tam giác): dùng cho dòng điện lớn, điện áp thấp.
• Δ – Y (tam giác – sao): dùng cho máy biến áp tăng áp (step-up transformer), thường tại nhà máy phát điện.
• Y – Δ (sao – tam giác): dùng cho máy biến áp hạ áp (step-down transformer), thường tại điểm cuối đường truyền tải.

Tải một pha

Ngoại trừ trong hệ thống delta high-leg và delta nối đất tại góc, tải một pha có thể được nối giữa hai pha bất kỳ, hoặc giữa một pha và dây trung tính. Việc phân phối tải một pha đồng đều giữa các pha của hệ thống ba pha sẽ giúp cân bằng tải và tận dụng hiệu quả nhất dây dẫn và máy biến áp.

Tải mất cân bằng

Khi dòng điện trên ba dây pha của hệ thống ba pha không bằng nhau hoặc không lệch đúng góc 120°, thì tổn hao điện năng sẽ lớn hơn so với hệ thống cân bằng hoàn hảo. Trong các trường hợp này, người ta thường sử dụng phương pháp thành phần đối xứng để phân tích hệ thống mất cân bằng.

Tải phi tuyến

Với tải tuyến tính, dây trung tính chỉ mang dòng điện mất cân bằng giữa các pha. Tuy nhiên, các tải phi tuyến như đèn phóng điện khí, hoặc thiết bị sử dụng mạch chỉnh lưu – tụ điện ở đầu vào như nguồn xung, máy tính, thiết bị văn phòng, lại tạo ra sóng hài bậc ba đồng pha ở tất cả các pha. Do đó, các dòng hài này sẽ cộng dồn ở dây trung tính trong hệ thống sao, hoặc cộng dồn trong máy biến áp nối đất kiểu zigzag trong hệ thống delta. Hậu quả là dòng trung tính có thể vượt quá dòng pha.

Tải ba pha

Một nhóm tải quan trọng trong hệ thống ba pha chính là động cơ điện. Trong đó, động cơ cảm ứng ba pha có thiết kế đơn giản, khả năng mô-men khởi động cao và hiệu suất lớn. Chính vì vậy, loại động cơ này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhiều mục đích khác nhau.

So với động cơ một pha cùng cấp điện áp và công suất định mức, động cơ ba pha có kích thước gọn hơn, chi phí thấp hơn. Thực tế, động cơ xoay chiều một pha có công suất trên 10 hp (7,5 kW) là rất hiếm. Ngoài ra, động cơ ba pha còn có ưu điểm giảm rung động, do đó độ bền cao hơn so với động cơ một pha cùng công suất khi vận hành trong điều kiện tương tự.

Bộ biến đổi pha

Bộ biến đổi pha được sử dụng khi cần vận hành thiết bị ba pha trên nguồn điện một pha. Chúng thường được dùng trong trường hợp không có nguồn điện ba pha sẵn hoặc chi phí đầu tư không hợp lý.

Một số bộ biến đổi còn cho phép thay đổi tần số, nhờ đó có thể điều khiển tốc độ động cơ. Trong lĩnh vực đường sắt, một số đầu máy xe lửa sử dụng nguồn điện một pha, sau đó thông qua bộ biến đổi điện tử để cấp điện cho động cơ ba pha.

Các hệ thống thay thế điện ba pha

Điện hai pha tách: Được sử dụng khi không có điện ba pha, cho phép cung cấp điện áp sử dụng gấp đôi so với điện áp thông thường để cấp cho các tải công suất lớn.

• Điện đơn chu kỳ: Đây là một hệ thống điện hai pha bất đối xứng được General Electric áp dụng khoảng năm 1897, do Charles Proteus Steinmetz và Elihu Thomson đề xuất. Hệ thống này được phát triển nhằm tránh vi phạm bằng sáng chế. Trong đó, máy phát điện được quấn một cuộn dây đơn pha toàn điện áp dùng cho tải chiếu sáng, và thêm một cuộn dây phụ (thường bằng 1/4 điện áp đường dây) để tạo ra một điện áp lệch pha 90° so với cuộn dây chính.
• Hệ thống nhiều pha bậc cao: Đã được xây dựng và thử nghiệm cho truyền tải điện năng, thường sử dụng 6 hoặc 12 pha. Các đường dây truyền tải nhiều pha bậc cao cho phép truyền tải công suất gần tương ứng nhiều hơn trong cùng một thể tích dây dẫn mà không cần trạm chuyển đổi HVDC (High-voltage direct current) ở hai đầu. Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi nhiều thiết bị đi kèm hơn, làm tăng chi phí.
• Điện một chiều (DC): Trước đây, AC được ưa chuộng vì dễ dàng biến áp lên điện áp cao để truyền tải đường dài. Tuy nhiên, với công nghệ điện tử hiện đại, điện áp DC có thể được nâng cao với hiệu suất lớn. Thêm vào đó, DC không có hiệu ứng bề mặt (skin effect), cho phép dây dẫn truyền tải nhẹ hơn, rẻ hơn, đồng thời HVDC mang lại tổn hao thấp hơn khi truyền tải điện năng trên khoảng cách rất xa.

Điện 3 pha không chỉ là một khái niệm cơ bản, mà còn là yếu tố quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và đời sống. Từ hệ thống truyền tải điện năng quốc gia, cung cấp cho nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, cho đến các công trình dân dụng và dây chuyền sản xuất hiện đại – tất cả đều cần đến điện 3 pha. Việc thiết kế, lắp đặt và sử dụng đúng cách điện 3 pha sẽ giúp hệ thống vận hành ổn định, an toàn, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả làm việc.

Nếu bạn là kỹ sư, nhà thầu hay doanh nghiệp đang cần giải pháp về điện 3 pha chất lượng cao, ứng dụng trong sản xuất, năng lượng hay các công trình điện – điện tử quy mô lớn, hãy liên hệ ngay với DAT Group để được tư vấn chuyên sâu và cập nhật công nghệ mới nhất.