Tek fazlı sistemde, yükün generatörden çektiği gücün frekansının, gerilim / akım frekansının iki katı olduğu ve değişiminde dalgalı olduğu yapılan analizlerde görülmüştür. Üç fazlı sistemlerde yüke ait toplam ani güç, her faza ait güçlerin toplamıdır. Bu toplam, sabit bir değerdir yani zamanla değişmemektedir. Bu güç sabit olduğundan özellikle üç  fazlı sistemlerde motorların momenti daha düzgündür. Salınımlar (titreşimler) minimum seviyededir.
 

Şebekenin Üç Faz ve 50 Hz Olmasının Sebebi Nedir?

Üç  fazlı AC akıma dayalı elektriğin üretimi ve dağıtımı 19. yy’da Nikola Tesla tarafından geliştirildi. Tesla’nın bu sistemi geliştirdiği dönemde Thomas Edison kendi DC sistemi üzerinden şebekelere enerji sağlamaktaydı. Tesla AC sisteminin DC sisteme göre daha verimli, kayıpların daha az olduğunu savunuyordu. Tesla dahil olduğu Westinghouse şirketiyle beraber AC iletimin kullanılması için büyük çaba sarf ettiler.
 

Tesla  kendi sisteminde 60 Hz frekansta ve gerilim olarak 240 V düzeyini belirlemişti. Ancak o zamanlarda elektrik enerji pazarını elinde bulunduran Edison ekonomik çıkarlar ve gurur yüzünden Tesla ile ters düşmüştü. DC dağıtım sisteminde elektriğin taşınması sırasında uzun mesafelerde büyük kayıplar yaşanmakta ve maliyet bir o kadar artmaktaydı. Zamanla bu olumsuzluklar sebebiyle AC sisteme geçmişlerdir. Sistem üç  fazlı olarak kullanıma başlandı ancak gerilim düzeyi 110 V, frekans 60 Hz kabul edildi.
 

Avrupa’da ise ilk güç üretim tesisini kuran Alman AEG firması 110 V gerilimle üretime başladı. Zamanla bu seçimin uygun olmadığı görüldü. Çünkü 110 V gerilim seviyesinde 2 kW lık bir motor şebekeden yaklaşık 18,18 A akım çekmekteydi. 220 V gerilimde ise 9.09 A akım çekiliyordu. Bu durumda elektriğin iletiminde kullanılan iletkenlerin kesitlerinin büyümesine neden olarak maliyetinde artmasına yol açıyordu. Bir diğer hususta motorların ilk kalkınma anında nominal değerlerinin üzerinde akım çekmeleriydi. Bu yüzden dağıtım sistemlerine devre kesiciler konulması gerekmekteydi. Bu olumsuzlukları açmak için zamanla 220 V'a geçilmiştir.
 

Peki neden Avrupa'da şebeke frekansı 50 Hz'dir?

Tesla, sisteminde 60 Hz frekansı öngörmüştü ancak bizimde sonradan dahil olduğumuz Avrupa’da ilk sistemi kuran AEG firmasının uzmanlarının 50 Hz’i tercih etmelerinin sebebi onluk sayı sistemi olarak biliniyor. 50 Hz kullanımında, elektrik üretilirken yaklaşık %20 daha az etkin ve iletimde %10-20 arasında daha verimsizdir. Bunların yanı sıra bobinlerin sarımında daha büyük sarımlar ve manyetik çekirdek malzemenin kullanılmasını gerektirir. Zamanla bu sorunlar birbiri ardına zincirleme sorunlar yaratarak büyümüştür. O yıllarda elektrik üretimini tekelde bulunduran AEG firması 50 Hz frekans düzeyini korumuş ve tüm Avrupa kıtasına böylece yayılmış oldu.
 

► Şekil 1: Elektriksel Olarak Aralarında 120 Derece Bulunan Genlikleri Birbirine Eşit 3 Faz Akım ve Gerilimleri

Üç Fazlı Sistemin Avantajları

► DC elde edilmek istendiğinde 3 fazlı doğrultucuların akım harmoniklerinin tek faz doğrultucu akım harmoniklerine göre daha düşük olması,
► 3 faz enerji iletiminde kablo kesitleri 1 fazlıya göre daha küçüktür. Bu nedenle maliyetler azalır.
► 2 farklı gerilim seviyelerinde kullanılabilir; Faz-Nötr 220V, Faz-Faz 380V
► Aynı boyuttaki iki veya üç fazlı sistem bir fazlı sistemden daha büyük güç verir.
 

Üç Fazlı Sistemlerde Genel İfadeler

► Şekil 2: Alternatif Akımda Fazörel Gösterim

► İlginizi Çekebilir: Elektriği Neden Sinüsoidal Formda Kullanıyoruz?
 

3 Fazlı Sistemin Çalışma Prensibi

3 fazlı sistemde 3 sargı (bobin) manyetik alan içerisinde aralarında elektriksel olarak 120º açı olacak şekilde yerleştirilirler. Bu sargılara R-S-T sargıları da denir.
 

► Şekil 3: Üç fazlı sistemde üç sargı (bobin) manyetik alan içerisinde aralarında elektriksel olarak 120º açı olacak şekilde yerleştirilirler. 

 

Sistemde R yani a sargısı referans alındığında temel olarak R sargısı ile T sargısı arasında 120º, R-S arasında ise 240º açı farkı bulunur. Rotor üzerindeki sargılar beraber döndürüldüğünde b ve c sargıları üzerinde indüklenen emk’lar (zıt motor kuvveti) “a” sargısı üzerinde oluşan emk’yı belli açı farkıyla izlerler.

► Şekil 4: Üç Fazın Alternatörlerde Üretimi

 

Üç Fazlı Sistemlerde Dengeli/Dengesiz Yük Durumu

Elektrik güç sistemleri 3 fazlı generatörler tarafından beslenirler. Genaratörler 3 fazlı dengeli yükleri beslerler ki bu dengeli yükten kasıt 3 faz sargı empedanslarının birbirine eşit olmasıdır. Her bir sargıyı Z1, Z2, Z3  olarak adlandıracak olursak Z1=Z2=Z3  olur.
 

Yük sisteminin dengeli olması çok önemlidir. Çünkü yük empedanslarının genlik ve açısı birbirine eşit olursa generatör tarafından da 120º faz farkı oluşturulacak ve çekilen akımların genliği birbirlerine eşit olacaktır. Ancak empedansları farklı bir yük grubu bağlandığında işler değişecektir. Akımların genlikleri farklı olacak ve açıları arasında ki fark 120º olmadığından bu sistem dengesiz yük adını alacaktır.

 

► Yıldız Bağlı Yük
 

Aşağıdaki şekilde 3 ayrı Z1, Z2, Z3 empedanslarından oluşmuş üç fazlı yıldız bağlı yük görülmektedir. Her faz empedansının çıkış uçları birleştirilerek elde edilir.  Birleşme noktasından çıkan iletkene ise Nötr iletkeni veya sıfır iletkeni denir. Dengeli yük durumunda buradan akımın genlik değeri 0'dır. Sistemde bazen bu nötr iletkeni kullanılmayabilir.
 

► Şekil 5: Yıldız Bağlı Yük

 

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi I(R) ,I(S) ,I(T) üç fazlı yükün her fazına ait akımlarını göstermektedir. Bu akımlar elemanların gerilimleri cinsinden ifade edilebilir.
 

► Şekil 6: Faz Akımlarının Formülü

Bu denklemden yola çıkarak S ve T fazının akımı içinde aynı yoldan gidebiliriz.
 

I(HR), I(HS), I(HT) generatör ile yük arasında ki bağlantıyı sağlayan iletkenlerden geçen hat akımlarını ifade eder. Buradan çıkaracağımız sonuç ise hat akımları ile faz akımlarının bir birine eşit olmasıdır.
 

Yani;  I(HR) = I(R), I(HS) = I(S), I(HT)= I(T)  olacaktır. Ancak bu durum gerilimler konusunda farklılıklar göstermektedir.
 

► Üçgen Bağlı Yük
 

Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi faz empedanslarının her birinin çıkışı bir diğer faz empedansının çıkışına bağlantı yapılarak elde edilir.  Üçgen bağlı yükte nötr iletken bulunmaz.
 

► Şekil 7: Üçgen Bağlı Yük


 

"I(RS),  I(ST)_,  I(TR)", üç fazlı yükün her fazına ait yük akımlarını temsil etmektedir. Bu akımlar elemanların üzerlerinde ki gerilimler cinsinden ifade edilir.

IHR, IHS, IHT değerleri ise yıldız bağlantıda olduğu gibi generatörle  3 fazlı yükün arasındaki bağlantıyı sağlayan hatların akımını gösterir. Üçgen bağlantıda nötr noktası olmadığı için yalnızca fazlar arası yani faz-faz gerilimler söz konusudur.

Bunlar;

U(RS),  U(ST),  U(TR)' dir.  Aşağıda ki denklemlerden de anlaşılacağı gibi hat akımları ile faz akımları birbirine eşit olmamaktadır.
 

Kirchoff  akım kanunundan yola çıkarak;

I_(HR) = I_(RS) - I_(TR)

I_(HS) = I_(ST) - I_(RS)

I_(HT) =I_(TR) - I_(ST) 

hat akımlarını faz akımları cinsinden iade edebiliriz.

► Şekil 8: Üç Fazın Vektör Diyagramında Gösterimi
 

(IRS) ve (–ITR) genlikleri eşit olduğundan fazör olarak ikizkenar üçgen oluşturmaktadırlar. R fazının hat akım fazörünün açısı 30 derece olup;

► Dengesiz Yük Durumu
 

Üçgen bağlantı için dengesiz yük durumunda faz empedansları birbirinden farklı olduğu için faz-faz veya hat akım değerlerine farklı olup aralarında ki 120º faz farkı simetrisi olmayacaktır ve sistemin simetrisi bozulacaktır. Yıldız bağlantıda dengesiz yük; durumunda ise nötr iletkeninde ki akımın değeri 0 olmayacaktır. Bu yük durumunda nötr iletkeninin olmaması sistemin çalışmasını engeller. Bunun sonucunda nötr iletkeni olup olmadığı durumlarda faz akımlarının değerleri değişecektir.


Kaynak:

► Elektrik Devreleri II Teori ve Çözümlü Örnekler  Doç. Dr. Ali Bekir Yıldız, Kocaeli Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği