⚡ 3-Phase AC Fundamentals (3-ફેઝ AC ફંડામેન્ટલ્સ)

પાવર ઇલેક્ટ્રિશિયન – A.C. સર્કિટ (Related Theory for Exercise 1.5.52-56)

🎯 ઉદ્દેશ્યો (Objectives):

આ લેસનના અંતે તમે નીચેની બાબતો શીખી શકશો:

  • સિંગલ લૂપ્સ (single loops) દ્વારા 3-ફેઝ સિસ્ટમનું Generation (ઉત્પાદન) કેવી રીતે થાય છે તે સમજાવવું.
  • સિંગલ ફેઝ સિસ્ટમ કરતા 3-ફેઝ સિસ્ટમના Advantages (ફાયદાઓ) જણાવવા.
  • 3-ફેઝ, 3-વાયર અને 4-વાયર સિસ્ટમ વિશે સમજાવવું.
  • Phase Voltage અને Line Voltage વચ્ચેનો સંબંધ સમજાવવો.

🔌 3-Phase AC સપ્લાયનો પરિચય

એક 3-ફેઝ પાવર ગ્રાહકને ત્રણ ફેઝના ટર્મિનલ્સ આપવામાં આવે છે (જુઓ Fig 1). 3-Phase AC સપ્લાયનો સૌથી મોટો ફાયદો એ છે કે જ્યારે સ્ટેશનરી (સ્થિર) 3-ફેઝ કોઇલ્સને સપ્લાય આપવામાં આવે છે, ત્યારે તે Rotating Magnetic Field (RMF) ઉત્પન્ન કરી શકે છે.

🌀 આ જ સિદ્ધાંત મોટાભાગના આધુનિક રોટેટિંગ મશીનો, ખાસ કરીને 3-Phase Induction Motor ના કાર્ય કરવા માટેનો પાયાનો સિદ્ધાંત છે. વધુમાં, કોઈપણ એક ફેઝ અને ન્યુટ્રલ (Neutral) વચ્ચે લાઈટિંગ લોડ (lighting loads) જોડી શકાય છે.

📊 સિંગલ ફેઝની સરખામણીમાં પોલીફેઝ સિસ્ટમના ફાયદા (Review)

સિંગલ ફેઝ સિસ્ટમ કરતા 3-ફેઝ (Polyphase) સિસ્ટમના ઘણા ફાયદા છે:

  1. Uniform Torque: 3-ફેઝ મોટર્સ એકસમાન ટોર્ક (uniform torque) આપે છે, જ્યારે સિંગલ ફેઝ મોટર્સ માત્ર પલ્સેટિંગ ટોર્ક (pulsating torque) પેદા કરે છે. 🔄
  2. Self Starting: મોટાભાગની 3-ફેઝ મોટર્સ Self Starting હોય છે, જ્યારે સિંગલ ફેઝ મોટર્સ હોતી નથી. 🚀
  3. Power Factor: સિંગલ ફેઝ મોટરની સરખામણીમાં 3-ફેઝ મોટરનો Power Factor ઘણો વધારે હોય છે.
  4. High Efficiency: સમાન કદ માટે, 3-ફેઝ મોટર્સમાં પાવર આઉટપુટ વધારે હોય છે, જ્યારે સિંગલ ફેઝમાં તે ઓછું હોય છે. 💪
  5. Less Copper Required: ચોક્કસ પાવર અને અંતર માટે 3-ફેઝ ટ્રાન્સમિશનમાં વપરાતા તાંબા (Copper) નો જથ્થો સિંગલ ફેઝની સરખામણીમાં ઓછો હોય છે. 💰
  6. Robust Construction: Squirrel Cage Induction Motor જેવી 3-ફેઝ મોટર્સ બનાવટમાં મજબૂત હોય છે અને તેમાં મેન્ટેનન્સ (maintenance) ઘણું ઓછું જોઈએ છે.

⚙️ 3-Phase Generation (3-ફેઝ જનરેશન)

3-ફેઝ વોલ્ટેજ પેદા કરવાની પદ્ધતિ સિંગલ ફેઝ જેવી જ છે, પરંતુ તફાવત એ છે કે અહીં ત્રણ વાયર લૂપ્સ ($U_1, U_2, V_1, V_2$ અને $W_1, W_2$) નો ઉપયોગ થાય છે. (જુઓ Fig 2).

  • આ ત્રણેય લૂપ્સ સમાન ધરી (axis) પર સમાન કોણીય ઝડપ (constant angular speed) થી મેગ્નેટિક ફિલ્ડમાં ફરે છે.
  • આ લૂપ્સ એકબીજાથી કાયમી ધોરણે 120° ના અંતરે (displaced) ગોઠવાયેલા હોય છે.

સમય અને તબક્કાનો તફાવત (Time Displacement): દરેક વાયર લૂપમાં અલ્ટરનેટીંગ વોલ્ટેજ (alternating voltage) ઇન્ડ્યુસ (induce) થાય છે. જો કે, આ વાયર લૂપ્સ એકબીજાથી 120° અલગ હોવાથી, તેમાં પેદા થતો વોલ્ટેજ પણ સમયની દૃષ્ટિએ એક પિરિયડના ત્રીજા ભાગ (1/3 of a period, T) જેટલો મોડો (delay) હોય છે. (જુઓ Fig 3).

🖼️ આકૃતિઓ અને ડાયાગ્રામની સમજ:

  • Fig 1: 3-ફેઝ સપ્લાય અને ગ્રાહક ટર્મિનલ્સ દર્શાવે છે.
  • Fig 2: સિમ્પલીફાઈડ 3-ફેઝ અલ્ટરનેટર બતાવે છે જેમાં લૂપ્સની 120° ગોઠવણી છે.
  • Fig 3 (a, b, c): ત્રણેય ફેઝ (Phase U, V, W) ના વેવફોર્મ્સ (waveforms) દર્શાવે છે, જે સમયમાં એકબીજાથી અલગ છે.

 ત્રણેય ફેઝ વચ્ચેનો તફાવત (Distinguishing Between Three Phases) 🎨

ભારે કરંટ (heavy current) ધરાવતા ઇલેક્ટ્રિકલ એન્જિનિયરિંગમાં ત્રણેય ફેઝને અલગ ઓળખવા માટે સામાન્ય રીતે બે રીતો વપરાય છે:

  • તેમને અંગ્રેજીના મોટા અક્ષરો U, V અને W દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે.
  • અથવા તેમને કલર કોડ લાલ (Red), પીળો (Yellow) અને વાદળી (Blue) દ્વારા ઓળખવામાં આવે છે.

સમયની ગણતરી (Timing):

  • સમય 0 પર, U પોઝિટિવ વધતા વોલ્ટેજ સાથે ‘ઝીરો વોલ્ટ’ (zero volts) માંથી પસાર થાય છે (Fig 3a).
  • ત્યારબાદ પીરિયડના 1/3 ભાગ પછી V પોતાનું ઝીરો ક્રોસિંગ કરે છે (Fig 3b).
  • તે જ રીતે V ના સંદર્ભમાં W માટે પણ આ જ નિયમ લાગુ પડે છે (Fig 3c).

 થ્રી-ફેઝ વોલ્ટેજની લાક્ષણિકતાઓ (Statements about Three-Phase Voltages) 📊

થ્રી-ફેઝ નેટવર્કમાં વોલ્ટેજ વિશે નીચે મુજબના વિધાનો કહી શકાય:

  • બધા જ થ્રી-ફેઝ વોલ્ટેજની Frequency (ફ્રીક્વન્સી) સમાન હોય છે.
  • બધા જ થ્રી-ફેઝ વોલ્ટેજની Peak Value (પીક વેલ્યુ) સમાન હોય છે.
  • ત્રણેય વોલ્ટેજ એકબીજાથી સમયમાં Period ના ત્રીજા ભાગ (1/3 of a period) જેટલા વિસ્થાપિત (displaced) હોય છે.
  • કોઈપણ સમયે, ત્રણેય વોલ્ટેજનો તાત્કાલિક સરવાળો (instantaneous sum) શૂન્ય હોય છે:
    $V_U + V_V + V_W = 0$

Fig 6 માં સમજાવ્યા મુજબ, સમય $t_1$ પર $U$ ની વેલ્યુ $V_U$ છે, $V$ ની વેલ્યુ $0$ છે અને $W$ ની વેલ્યુ $V_W$ છે. કારણ કે $V_U$ અને $V_W$ ની વેલ્યુ સમાન છે પણ નિશાની વિરુદ્ધ (+ અને -) છે, તેથી તેમનો સરવાળો $V_{U1} + V_{V1} + V_{W1} = 0$ થાય છે.

 થ્રી-ફેઝ નેટવર્ક (Three-Phase Network) 🔌

થ્રી-ફેઝ નેટવર્ક મુખ્યત્વે ત્રણ લાઇન અથવા ફેઝનું બનેલું હોય છે. Fig 5 માં તેને U, V અને W અક્ષરો દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યા છે.

  • Neutral Conductor (N): દરેક ફેઝ માટે રિટર્ન લીડ (return lead) તરીકે એક સામાન્ય ‘ન્યુટ્રલ કંડક્ટર’ N હોય છે.
  • Measurement: જો લાઇન U, V, W અને ન્યુટ્રલ લાઇન N વચ્ચે વોલ્ટમીટર જોડવામાં આવે, તો તે ફેઝ અને ન્યુટ્રલ વચ્ચેના વોલ્ટેજની RMS (effective) values દર્શાવે છે.
  • આ વોલ્ટેજને Phase Voltages ($V_{UN}, V_{VN}, V_{WN}$) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. 📏

દરેક વ્યક્તિગત ફેઝ વોલ્ટેજનું મેગ્નિટ્યુડ (magnitude) સમાન હોય છે, તેઓ માત્ર સમયમાં એકબીજાથી 1/3 પીરિયડ જેટલા અલગ હોય છે.

 લાઇન અને ફેઝ વોલ્ટેજ (Line and Phase Voltage) 📏⚡

જ્યારે વોલ્ટમીટરને સીધું લાઇન U અને લાઇન V વચ્ચે જોડવામાં આવે (Fig 7), ત્યારે જે વોલ્ટેજ મપાય છે તેને $V_{UV}$ કહેવાય છે. આ ત્રણેય ફેઝ વોલ્ટેજ કરતા અલગ હોય છે.

  • Relationship: લાઇન વોલ્ટેજનું મૂલ્ય ફેઝ વોલ્ટેજના સીધા પ્રમાણમાં (directly proportional) હોય છે.
  • $V_{UV}$ નો આકાર પણ sinusoidal (સાઈન્યુસોઈડલ) હોય છે અને તેની ફ્રીક્વન્સી ફેઝ વોલ્ટેજ જેટલી જ હોય છે.
  • જોકે, $V_{UV}$ ની પીક વેલ્યુ (peak value) વધારે હોય છે કારણ કે તેની ગણતરી ફેઝ વોલ્ટેજ $V_{UN}$ અને $V_{VN}$ પરથી કરવામાં આવે છે.
  • ચોક્કસ સમયે $V_{UN}$ અને $V_{VN}$ ની બદલાતી કિંમતો $V_{UV}$ ની ઇન્સ્ટન્ટેનિયસ વેલ્યુ બનાવે છે.
  • Phasor Addition: $V_{UV}$ એ બે ફેઝ વોલ્ટેજ $V_{UN}$ અને $V_{NV}$ નો ‘ફેઝર સરવાળો’ (phasor sum) છે.

યાદ રાખો: ફેઝ-ટુ-ફેઝ (phase-to-phase) વચ્ચેના વોલ્ટેજને Line Voltage (લાઇન વોલ્ટેજ) કહેવામાં આવે છે. 💡

📐 લાઇન અને ફેઝ વોલ્ટેજ વચ્ચેનો સંબંધ (Relationship between Line and Phase Voltage)

જનરેટરમાં ફેઝની જોડીને (Pairs of phases) ભેગા કરવાની શક્યતા એ થ્રી-ફેઝ ઇલેક્ટ્રિસિટીનો મૂળભૂત ગુણધર્મ (Basic property) છે. આ સંબંધની સમજ વધારવા માટે નીચે આપેલ ઉદાહરણનો અભ્યાસ કરવો જરૂરી છે જે ફેઝ ડિફરન્સ (Phase difference) ના ખ્યાલને ખૂબ જ સરળ રીતે સમજાવે છે.

ફેઝ વોલ્ટેજ VUN અને VVN એકબીજાથી ફેઝમાં એક તૃતીયાંશ પિરિયડ (one third of a period), અથવા બે ફેઝર (Phasors) વચ્ચે 120° ના અંતરે અલગ પડે છે. (આકૃતિ 7 જુઓ) 📉

આ હકીકત આકૃતિ 8 માં સમજાવવામાં આવી છે. VUN અને VVN ફેઝરથી શરૂ કરીને, પોઈન્ટ N થી ફેઝર -VVN = VNV ઉત્પન્ન થાય છે. VUN અને VNV બાજુઓ ધરાવતા સમાંતરબાજુ ચતુષ્કોણ (Parallelogram) નો વિકર્ણ (Diagonal) એ પરિણામી લાઇન વોલ્ટેજ VUV દર્શાવતો ફેઝર છે.

નિષ્કર્ષ (Conclusion): તેથી એમ કહી શકાય કે, જનરેટરમાં લાઇન વોલ્ટેજ (VL) એ ફેઝ વોલ્ટેજ (VP) સાથે એક મલ્ટિપ્લાયિંગ ફેક્ટર (Multiplying factor) દ્વારા સંબંધિત છે. આ ફેક્ટર √3 હોવાનું સાબિત કરી શકાય છે, જેથી:

📏 VL = √3 × VP

થ્રી-ફેઝ જનરેટિંગ સિસ્ટમમાં, લાઇન વોલ્ટેજ હંમેશા ફેઝ-ટુ-ન્યુટ્રલ (Phase-to-neutral) વોલ્ટેજ કરતા √3 ગણો હોય છે. લાઇન વોલ્ટેજ એ ફેઝ વોલ્ટેજ કરતા વધારે હોય છે.

🔢 ન્યુમેરિકલ ઉદાહરણ (Numerical Example):

જો થ્રી-ફેઝ સિસ્ટમમાં RMS ફેઝ વોલ્ટેજ 240V હોય, તો RMS લાઇન વોલ્ટેજ કેટલો હશે?

  • સૂત્ર: VL = √3 × VP
  • VL = 1.732 × 240
  • VL = 415.68V (અથવા અંદાજે 415V)

Power: Electrician (NSQF Revised – 2022) – Related Theory for Exercise 1.5.52-56 📖

SEO Keywords for WordPress:

  • Three Phase System Gujarati (થ્રી-ફેઝ સિસ્ટમ ગુજરાતીમાં)
  • Difference between Line and Phase Voltage (લાઇન અને ફેઝ વોલ્ટેજ વચ્ચેનો તફાવત)
  • ITI Electrician Theory Notes Gujarati
  • What is Phase Voltage $V_{UN}$ $V_{VN}$ $V_{WN}$
  • Phase Displacement in 3-Phase system
  • Electrical Engineering Basics Gujarati
  • NSQF Electrician Theory Study Material

🗝️ SEO Keywords for WordPress:

  • 3-Phase AC Fundamentals Gujarati
  • Advantages of 3-Phase system in Gujarati
  • 3-Phase vs Single Phase comparison
  • Rotating Magnetic Field (RMF) explanation
  • Electrician Theory Gujarati notes
  • 3-Phase Voltage Generation
  • ITI Electrician Semester 2 Theory

માર્ગદર્શન: આ લેસન વિદ્યાર્થીઓને સમજાવવા માટે ટેકનિકલ શબ્દો અંગ્રેજીમાં અને સમજૂતી ગુજરાતીમાં રાખવી જોઈએ જેથી તેઓ ગ્લોબલ સ્ટાન્ડર્ડ મુજબ શીખી શકે. 🎓📖

PreviousNext