Three-phase power: star, delta and the √3ไฟฟ้าสามเฟส: สตาร์ เดลตา และ √3

Three coils 120° apart make three sine voltages 120° apart. See why line voltage is √3 times phase voltage, how star and delta differ, and why a balanced load needs no neutral current.ขดลวดสามชุดที่ห่างกัน 120° ให้แรงดันไซน์สามเฟสที่ห่างกัน 120° ดูว่าทำไมแรงดันสายจึงเป็น √3 เท่าของแรงดันเฟส การต่อแบบสตาร์และเดลตาต่างกันอย่างไร และทำไมโหลดสมดุลจึงไม่มีกระแสนิวทรัล

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Three coils, three phases

A power-station generator spins a magnet inside three fixed coils spaced 120° around the stator. Each coil gives a sine voltage, and because the coils are 120° apart, so are their voltages: phase B lags A by 120°, and C lags B by another 120°.

va = Vp·sin(ωt)
vb = Vp·sin(ωt − 120°)
vc = Vp·sin(ωt + 120°)

Phase voltage and line voltage

Phase voltage is measured from a line to neutral; line voltage between two lines. The line voltage is the difference of two phase phasors 120° apart, which is √3 times longer and leads by 30°. That is why the Thai low-voltage supply is quoted as 230/400 V.

V_L = √3 · V_ph
230 V · √3 ≈ 400 V

Star (Y) and delta (Δ)

In star, each load connects from a line to a common star point tied to neutral: it sees the phase voltage, and the line current is its own current. In delta, each load connects between two lines: it sees the line voltage, and each line current is the difference of two load currents, √3 times larger when balanced.

  • Star: V_load = V_ph, I_line = I_load, has a neutral
  • Delta: V_load = V_L, I_line = √3·I_load, no neutral
  • Same three loads in delta draw 3× the power of star

Why grids use three phases

In a balanced system the three currents add to zero at every instant, so the neutral carries nothing and three wires do the work of six. And the total power v·i summed over the phases is constant, not pulsing at twice the supply frequency as single phase does, which is why three-phase motors run smoothly. Unbalance the load and both benefits fade: current returns through the neutral and the power ripples.

P = √3 · V_L · I_L · cos θ = 3 · V_ph · I_ph · cos θ

Worked example (the simulator’s default values)

  1. Star-connected supply, 230 V phase, 50 Hz; each load R = 20 Ω, X = 10 Ω (inductive).
  2. V_L = √3·230 = 398 V; |Z| = √(20² + 10²) = 22.4 Ω; I = 230/22.4 = 10.3 A, lagging by 26.6°.
  3. PF = cos 26.6° = 0.894; P = 3·10.3²·20 = 6.35 kW; Q = 3.17 kvar; neutral current 0 A.
  4. Reconnect the same loads in delta: each sees 398 V, I_load = 17.8 A, I_line = 30.9 A, P = 19.0 kW (three times).

Common mistakes

  • Adding phase voltages arithmetically. Two 230 V phases 120° apart give 400 V between them, not 460 V.
  • Expecting neutral current to be three times one phase current. Balanced, it is zero.
  • Forgetting which voltage the load sees: phase voltage in star, line voltage in delta.

Common questions

Why is line voltage √3 times phase voltage?

The line voltage is the difference between two phase voltages 120° apart. Geometrically, that difference is √3 times as long as each phasor and leads by 30°.

What is the difference between star and delta connection?

In star each load sits between a line and neutral (phase voltage, line current = load current). In delta each load sits between two lines (line voltage, line current = √3 × load current), with no neutral.

Why is the neutral current zero in a balanced three-phase system?

Three equal currents 120° apart sum to zero at every instant, like three equal arrows at 120° adding to nothing. Any unbalance leaves a remainder, which returns through the neutral.

ขดลวดสามชุด สามเฟส

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าหมุนแม่เหล็กภายในขดลวดที่อยู่กับที่สามชุด วางห่างกัน 120° รอบสเตเตอร์ ขดลวดแต่ละชุดให้แรงดันไซน์ และเพราะขดลวดห่างกัน 120° แรงดันจึงห่างกัน 120° ด้วย: เฟส B ล้าหลัง A 120° และ C ล้าหลัง B อีก 120°

va = Vp·sin(ωt)
vb = Vp·sin(ωt − 120°)
vc = Vp·sin(ωt + 120°)

แรงดันเฟสและแรงดันสาย

แรงดันเฟสวัดจากสายไปยังนิวทรัล แรงดันสายวัดระหว่างสองสาย แรงดันสายคือผลต่างของเฟสเซอร์สองตัวที่ห่างกัน 120° ซึ่งยาวกว่า √3 เท่าและนำหน้า 30° นี่คือเหตุผลที่ระบบไฟฟ้าแรงต่ำในไทยระบุเป็น 230/400 V

V_L = √3 · V_ph
230 V · √3 ≈ 400 V

สตาร์ (Y) และเดลตา (Δ)

แบบสตาร์ โหลดแต่ละตัวต่อจากสายไปยังจุดสตาร์ร่วมที่ต่อกับนิวทรัล จึงได้แรงดันเฟส และกระแสสายคือกระแสของโหลดนั้นเอง แบบเดลตา โหลดแต่ละตัวต่อระหว่างสองสาย จึงได้แรงดันสาย และกระแสสายแต่ละเส้นคือผลต่างของกระแสโหลดสองตัว ซึ่งมากกว่า √3 เท่าเมื่อสมดุล

  • สตาร์: V_load = V_ph, I_line = I_load มีนิวทรัล
  • เดลตา: V_load = V_L, I_line = √3·I_load ไม่มีนิวทรัล
  • โหลดสามตัวเดิมต่อแบบเดลตาใช้กำลังเป็น 3 เท่าของแบบสตาร์

ทำไมระบบไฟฟ้าจึงใช้สามเฟส

ในระบบที่สมดุล กระแสทั้งสามรวมกันเป็นศูนย์ทุกขณะ สายนิวทรัลจึงไม่มีกระแส และสายสามเส้นทำงานแทนสายหกเส้นได้ นอกจากนี้กำลังรวม v·i ของทุกเฟสยังคงที่ ไม่เต้นเป็นจังหวะที่สองเท่าของความถี่เหมือนระบบเฟสเดียว มอเตอร์สามเฟสจึงหมุนได้ราบรื่น ถ้าโหลดไม่สมดุล ข้อดีทั้งสองจะลดลง: มีกระแสไหลกลับทางนิวทรัล และกำลังเริ่มกระเพื่อม

P = √3 · V_L · I_L · cos θ = 3 · V_ph · I_ph · cos θ

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. แหล่งจ่ายแบบสตาร์ แรงดันเฟส 230 V 50 Hz โหลดแต่ละตัว R = 20 Ω, X = 10 Ω (เหนี่ยวนำ)
  2. V_L = √3·230 = 398 V; |Z| = √(20² + 10²) = 22.4 Ω; I = 230/22.4 = 10.3 A ล้าหลัง 26.6°
  3. PF = cos 26.6° = 0.894; P = 3·10.3²·20 = 6.35 kW; Q = 3.17 kvar; กระแสนิวทรัล 0 A
  4. ต่อโหลดเดิมแบบเดลตา: แต่ละตัวได้ 398 V, I_load = 17.8 A, I_line = 30.9 A, P = 19.0 kW (สามเท่า)

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • บวกแรงดันเฟสแบบเลขคณิต สองเฟสขนาด 230 V ที่ห่างกัน 120° ให้แรงดันระหว่างกัน 400 V ไม่ใช่ 460 V
  • คาดว่ากระแสนิวทรัลเป็นสามเท่าของกระแสเฟส เมื่อสมดุลกระแสนิวทรัลเป็นศูนย์
  • ลืมว่าโหลดได้แรงดันใด: แรงดันเฟสในแบบสตาร์ แรงดันสายในแบบเดลตา

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมแรงดันสายจึงเป็น √3 เท่าของแรงดันเฟส?

แรงดันสายคือผลต่างของแรงดันเฟสสองตัวที่ห่างกัน 120° ในทางเรขาคณิต ผลต่างนั้นยาวกว่าเฟสเซอร์แต่ละตัว √3 เท่าและนำหน้า 30°

การต่อแบบสตาร์กับเดลตาต่างกันอย่างไร?

แบบสตาร์ โหลดแต่ละตัวอยู่ระหว่างสายกับนิวทรัล (แรงดันเฟส กระแสสาย = กระแสโหลด) แบบเดลตา โหลดแต่ละตัวอยู่ระหว่างสองสาย (แรงดันสาย กระแสสาย = √3 × กระแสโหลด) และไม่มีนิวทรัล

ทำไมกระแสนิวทรัลจึงเป็นศูนย์ในระบบสามเฟสที่สมดุล?

กระแสสามเฟสที่ขนาดเท่ากันและห่างกัน 120° รวมกันเป็นศูนย์ทุกขณะ เหมือนลูกศรสามอันยาวเท่ากันที่ทำมุม 120° รวมกันได้ศูนย์ ถ้าไม่สมดุลจะมีส่วนเหลือ ซึ่งไหลกลับทางนิวทรัล