Niye Üç Faz?

Geçen bir yazımda elektrik üzerine bir soru takılmıştı aklıma. 

Niye üç faz? Niye daha fazla değil?

Nedir elektrikteki fazlar?

Alternatif akım diye bildiğimiz elektrik akımı belli bir dalga boyu olan ve dolayısıyla belli bir frekansta üretilen elektrik enerjisidir. 

Doğru akımda elektron akımı oluşurken, alternatif akım elektronların iletken üzerinde bir dalga şeklinde titreşimleri ile oluşur.

Zaten bu yüzden doğru akım iletkenin direncine bağlı olarak büyük gerilim kaybına uğrarken, alternatif akımda bu gerilim kaybı doğru akıma oranla oldukça düşüktür ve daha düşük kablo kesitleri ile çok daha uzak mesafelere alternatif akım iletilebilmektedir.

Alternatif akımda bu dalgalanma hareketi sinüs dalgası şeklindedir. Sinüs dalgası ise dairesel bir dalgadır. Dairesel dalga derken akımın tepe değeri ve taban değeri var demek istiyorum. Dalga boyuna bağlı olarak akım belli bir frekansta, yani belli bir sürede pozitif ve negatif değerler alır.

Şimdi bu dalgalanmayı faz farkları vererek üç ayrı faza böldüğümüzü düşünün. Her fazı da ayrı kablo ile taşıyın. 

İşte size trifaze alternatif elektrik enerjisi.

Alternatif akım üretiminde kullanılan türbinler biliyorsunuz, bu türbinler dairesel hareket ile elektrik üretiyorlar, trifaze elektrik için dairesel türbinin 120 şer derecelik üç ayrı bölümünden birer faz ucu alarak üç ayrı iletken ile akımı ilettiğimizi düşünebilirsiniz.

İşte trifaze denilen elektrik bu şekilde üretiliyor. 120 şer dereceden 360 derecelik bir dairesel türbin elektrik enerjisini üç ayrı faz olarak ve faz farkı 120 şer derece olacak şekilde üretiyor. Türbinin üretebildiği enerji ziyan olmadan dairenin her tarafından toplanıyor da diyebiliriz.

***

Peki türbinden 90 ar derece faz farkı ile dört faz alınamaz mı?

Evet, alınır. Hatta dört kablo üç kablodan daha fazla güç taşıyacağı için eğer üretilen enerji kapasitesi yeterince fazlaysa dört kablo üç kablodan daha iyidir de diyebiliriz. 

Ancak üretim kapasitesi sabit olduğu için hesabı toplam gücü üç yerine dörde bölmek şeklinde hesaplamamız gerekir. Dolayısıyla dört fazlı bir enerji hattında mantıken kablo kesitlerini düşürmemiz gerekecektir. Bunun yanında izolatörler ve diğer ekipman 4/3 oranında artacaktır. Üstelik 3 kablo yerine 4 kablo çekmeniz gerekecektir.

Tüm bunlar ek maliyet anlamına gelir.

Aslında bu konu 120 şer dereceden üç değil de 90 ar dereceden dört, ya da 60 ar derece faz farkı ile altı faz şeklinde bir konu değil de, elektrik tüm dünyaya yayılmış bir şebeke ile taşındığı için aslında bir standart konusu. 

Bunun standardı zamanında üç faz olarak kararlaştırılmış.

Bu karar alınırken de gerek bu yüksek gerilimlerde kullanılan ekipmanın maliyetleri ve gerekse faz farklarının oluşturduğu karışıklıktan kaçınmak esas alınmış. 

Üç yerine dört ya da daha fazla kablo ile elektrik fazlarının taşınması da ayrıca kablo maliyeti oluşturuyor sonuçta.

Üstelik ihtiyaç varsa taşınacak gücün hesabında gerilimi artırarak güç artırımı yapmak da mümkün. Yani fazladan kablo döşemeye gerek yok.

***

Bildiğiniz gibi baraj çıkışlarında ya da diğer enerji santrali çıkışlarında da aynı, gerilimler 380.000 volt ve 200 amperlik hatlarla taşınabiliyor. 

Bu voltaj sonradan ihtiyaca bağlı olarak şehirlere kadar farklı gerilim ve amperlere ayarlanarak daha düşük voltajlarda yüksek gerilim hatları ile taşınıyor, şehirlerde de artık trafolarla alçak gerilim denilen 380 Volt ve trifaze akıma indirilerek evlerimize dağıtılıyor.

Evlerimize her faz dengeli bir şekilde dağıtılarak, kimimize birinci fazdan, kimimize ikincisinden, kimimize ise üçüncü fazdan elektrik enerjisi veriliyor. Tek fazın gerilimi bildiğiniz gibi 220 Volt.

Sanayi yapılarına ise genellikle motorlar için üç faza birden ihtiyaç olduğu için üç fazlı elektrik enerjisi veriliyor. Bu da 380 Volt demek. Trifaze enerji hem daha yüksek kapasite hem de daha ekonomik kablo maliyeti ile aslında sanayi yapıları için çok daha avantajlı bir enerji biçimi.

***

Gerilim vektörel bir değer olduğu için faz farkı kaç derece ise fazlar arası gerilim de ona göre değişiyor. 

Oldukça karışık formülleri var hesaplar için, ama bu yazıda sizleri formüller ile yormak istemiyorum.

Gerilimin artırılmasıyla akım arasında ters orantı olduğu için ve iletkenin direncinin akım ile doğru orantılı olması sebebiyle enerji uzak mesafelere yüksek gerilim olarak taşınıyor. Düşük akım, düşük direnç, düşük direnç az enerji kaybı. Böylece kayıplar da daha az olduğu için uzun mesafe enerji nakil hatları hep yüksek gerilimli oluyor.

Şehirlerde ise bu hatlar bizde orta gerilim ile şehir içinde dağıtılarak, alçak gerilim ile de yol aydınlatmasına ve meskenlerde elektrik enerjisi olarak kullanılıyor.

Bu yüksek, orta ve alçak gerilim değerleri ülkelere göre değişiklik gösteriyor. Elektrik üzerine uluslararası standartlar olsa da, her ülkenin kendi elektrik standartları var. 

Mesela Amerika’da halen daha 110 Volt kullanılıyor. Kanada’da da 110 volt bildiğim kadarıyla. Ülkelerin çoğu 220 ya da civarı (220, 230, 240) voltaj kullanırken (voltaj frekansı da 50 hz. Kimi ülkeler de 110 volt civarı (100, 110, 127) gerilim ve 60 hz. frekans tercih ediyorlar.

Konu standartlarsa mesela Rusya’da orta gerilim diye bir tanım yok. Ruslar gerilimleri yüksek ve alçak gerilim diye tanımlıyorlar.

Aslında Rusya’da bizim bazı şantiyelerde özellikle gece aydınlatması için yaya yolları kenarlarında güvenlik amaçlı 24 Volt bile kullandığımız oluyor.

Yani her ülkenin elektrik şartnameleri değişiklikler içerebiliyor.

Ancak trifaze ve monofaze konusunda ülkeler arası bir standart oturmuş durumda. Tüm ülkeler elektriği üç fazlı üretiyorlar.

***

Peki kim belirlemiş bu üç faz (trifaze) standardını? 

Yani dört ya da daha fazla değil de üçte karar kılınması nasıl olmuş?

Aslında pratikte bugün kullandığımız alternatif akımın mucidi Nikola Tesla. 

Ondan önce de indüksiyon bobini ile alternatif akım üreten William Stanley var, ancak Nikola Tesla 1886 yılında laboratuvar ortamında ilk defa bugün kullandığımız alternatif akımı üretmeyi başarmış. 

Tesla daha sonra aldığı patenti George Westinghouse’a satmış.

O yıllarda Tesla dışında bu konuda çalışan başka bilim insanları da olmuş.

Ancak ilk defa bir baraja yüksek gerilim hatları kuran kişi Almirian Decker. 

Decker 1893 yılında Kaliforniya'daki Mill Creek barajında bir hidroelektrik santral tasarlamış ve bu tasarımı 10.000 volt ve 3 fazlı bir sistemmiş. 

Büyük ihtimal nasıl başladıysa devamı da öyle sürmüştür ve trifaze elektrik bu şekilde dünyaya yayılmıştır.

Üç faz mantıken de en uygun alternatif elektrik üretim metodu.

Bugün yapılan maliyet verimlilik analizleri ise büyük ihtimalle o ilk günlerdeki tercihin doğru tercih olduğunu gösteriyor ki, halen daha tüm dünya üç fazlı elektrik üretimine ve kullanımına devam ediyor.

Elektrik tehlikeli bir enerji türü, özellikle de yüksek gerilim olduğu zaman oldukça tehlikeli.

O yüzden de bu konuda uzmanları dışında pek fikir yürüten de olmuyor anladığım kadarıyla.

Bu kadar yaygın olduktan sonra da farklı fikir üretenlerin fikirleri de pek önem görmüyor olmalı.

***

Yine de Malta adasında bir zamanlar deneme olsun diye altı fazlı bir yüksek gerilim hattı kurulmuş. 

İnternette bulduğum bir videoda Lionel Barthold adında tecrübeli bir elektrik mühendisi, kendisi aynı zamanda bir Elektrik firması sahibi, bu konuya değinmiş bir söyleşisinde.

Bu deneme niye altı fazlı yapıldı diye soruyor söyleşiyi yapan. Niye dört ya da beş değil de altı?  Niye on iki değil? 

Çünkü üç fazlı bir hatta 60 derece faz farkı vermek çok kolay oldu diyor bay Barthold.

Sonra da bu faz farkı oluşturulmuş üç yeni hattı mevcut üç fazın arasına katınca olmuş size faz farkları 60 ar derece olan 6 fazlı enerji hattı.

Ancak bu işin altı adet hatta göre altyapısının kurulması oldukça karışık oldu diyor, ekipmanları, kablo maliyetleri, özel üretim izolatörleri vs. sistem oldukça maliyetli ve karışık olduğu için hattın devamından hemen vazgeçilmiş. 

Evet, yaklaşık iki kat güç aktarabiliyorsunuz bu şekilde, ama aynı gücü gerilimi artırarak da üç kablo ile halledebilecekken niye iki kat kablo harcaması yapasınız? Niye izolatörler ve diğer ekipman için masraf yapasınız?

Ayrıca altı fazdan on iki faza çıkarken güç aktarımı da aynı şekilde iki kat oluyor diyor bay Barthold. Yani on iki fazlı elektrik üretimi de mümkün diyor.

Mesela matematiksel formülerin tüp şeklindeki bir enerji nakil hattı ile iletkenlerin direnç kayıpları hariç başka hiçbir kayıp olmadan üretilen tüm gücün böyle bir hat üzerinden enerji olarak aktarımının olabilecek maksimum güç taşıma yöntemi olacağından bahsediyor.

Kısacası daha fazla faz ile elektrik taşımanın pratikte denemesi de bir zamanlar yapılmış.

***

Tabii bu konuda aklıma gelen son soruyu da irdeleyerek bitireyim bu konuyu.

Madem 360 derecelik açıyı üç eşit parçaya bölerek trifaze sistem kurmak maliyet açısından avantajlı oluyor, o zaman gelin 360 dereceyi ikiye bölelim, 180 derecelik faz farkı ile iki faz hattı çekelim her yere. 

İki faz daha da avantajlı olmayacak mı?

Madem gerilimi yükselterek istediğimiz güç aktarımını yapabiliyoruz, niye iki fazlı yapmıyoruz alternatif akım hatlarını? Niye üç yapıyoruz?

Doğrusunu isterseniz teknik olarak bunun bir mahsuru var mıdır bilmiyorum, sanki iki faz birbirinin tam tersi olacağı için birlikte kullanımında sorunlar çıkıyor olabilir. Belki böyle iki faz ile elektrik motorları tam randımanlı çalışmıyordur. Belki hiç çalışmıyordur. Sonuçta üç fazlı elektrik ile bir rotasyon hareketi üretmeniz mümkün. Ama iki faz ile bunu yapmak muhtemelen mümkün olmuyordur.

Kısacası üç iyidir, üç dengedir, bugüne kadar bunca hat üç fazlı elektrik üzerine kurulmuş, motor sanayisinden başlayın her türlü sanayi ekipmanı üç faz üzerine üretilmiş ve kullanımda.

Muhtemelen sırf bu açıdan bakacak olsak bile artık bu standardın değiştirilmesi mümkün olamaz.

Üstelik bir de teknik birtakım sorunları varsa iki fazlı sistemin, o zaman zaten mümkün olmamış da o yüzden yapmamışlar iki fazlı diyebiliriz.

Evet, sonuç: üçten çok faz kullanmak teknik olarak mümkün, ancak bir anlamı yok! İki faz sanırım teknik sorunlar içeriyor.

Özetle üç faz yeterli, fazlasının gereği yok, faz sayısı arttıkça çok daha fazla para harcamanız gerekiyor, yani fazlası masraflı ve üç faz üstü mühendislik çözümleri açısından da çok daha karışık.

Her zaman diyorum, üç iyidir!

Teşekkürler Tesla, sen olmasan bu yazıyı şimdi mum ışığında yazmak zorunda kalacaktım.

Moskova’dan herkese sevgi ve saygılarımla.