Для чего нужно трехфазное напряжение

220В или 380В: какое напряжение нужно при подключении к электросетям частного дома? И что делать, если его не дают?

Напряжение 380B называется линейным, потому как действует между любыми из трех фаз в трёхфазной сети. Напряжение 220B называется фазным, действует между одной из трех фаз и нулём.

От генерирующих электростанций к потребителям электрическая энергия подается при помощи высоковольтных линий, частота которых составляет 50 Гц. Понижение высокого синусоидального напряжения происходит на трансформаторных подстанциях, после чего выполняется его распределение потребителям – на уровне 220B и 380B. Различается однофазная и трехфазная сеть. Однако каковы отличия между ними? Давайте разбираться.

Если при подключении дома или квартиры используются два провода (фазы и нуля), система является однофазной. Коэффициент ее рабочего напряжения составляет 220B. Если же заходят 4 провода (трех фаз и нуля) – это трехфазная система. Ее рабочее напряжение (линейное) составляет 380B.

Специфика подачи напряжения

По типу электрического тока напряжение бывает переменным и постоянным. При разной форме переменного тока изменяется его величина и значение. В то время, как у постоянного тока сохраняется одна и та же полярность знака, а вот величина может изменяться.

Напряжение, присутствующее в современных розетках, имеет переменную синусоидальную форму. Его значение бывает следующих видов:

Читайте также: Преобразование треугольника в звезду — методы, формулы и примеры

• Амплитудным – указывает на размер размаха синусоиды по отношению к нулю в вольтах;
• Действующим – это значение, которое в √2 или 1,41 раз меньше предыдущего;
• Мгновенным – значение указывает на интенсивность напряжения в вольтах в определенные моменты времени.

Что такое фаза в электричестве — определение понятия

Фаза в электричестве – это разговорное название провода, находящегося под напряжением относительно другого, который называют нуль. Это название произошло из-за того что вырабатываемый на подстанциях ток, подающийся в дома, является переменным, то есть ЭДС, создаваемые на подстанциях, имеют одну и ту же частоту (для России и стран СНГ она составляет 50 Гц), но сдвинуты относительно друг друга во времени на определённый фазовый угол. В дома обычно подаются все три фазы и нет никакого значения, к какой фазе подключена ваша квартира.

Рисунок 1. Электрика и электричество – схематическое изображение фазы, нуля и земли

На рис. 1 схематично нарисована схема проведения электрического тока в квартиру от общей системы. Буквами $L1$, $L2$, $L3$ обозначены 1-3 фазы, а буквой $N$ – нулевой провод.

На рис. 2 показано схематическое подключение тока к квартире от трасформатора, буквой $L_T$ обозначена фаза на трансформаторе, буквой $L$ – фаза в квартире, а буква $R_H$ – это подключенный электроприбор, обладающий некоторым сопротивлением $R_H$.

От трансформатора идёт 2 провода, один – так называемый фазовый провод с напряжением, а другой – нулевой провод, от которого отведено заземление, осуществляемое помещением контакта в землю. Существуют и другие источники заземления помимо собственно земли, на данных рисунках заземление обозначено буквами $Змл$.

На рис. 3 изображён случай, когда нулевой заземлённый провод не проведён в квартиру от подстанции, а заземлён непосредственно в квартире. Напряжение $L_T$ между нулём и фазой будет одинаково для рисунков 2 и 3, однако, не рекомендуется заземлять напряжение от трансформатора непосредственно в квартире.

Трехфазные цепи. Как подается напряжение в них

В трехфазной цепи напряжение может быть фазным или линейным. Векторная диаграмма выглядит следующим образом:

На графике присутствуют три вектора напряжений (фаз) – Uа, Ub и Uс. Величина угла между ними равна 120°. Это соблюдается между обмотками в простейшем электрооборудовании. Для того, чтобы знак вектора Ub изменился на противоположный, его нужно отразить таким образом, чтобы векторное начало и конец поменялись местами, при этом первоначальный угол наклона был сохранен. После установки векторного начала Ub в конец Uа полученное расстояние и будет рассматриваться, как вектор линейного напряжения (Uл).

Как определить ноль и фазу собственными силами.

Для определения нуля и фазы тока существуют специальные отвертки-тестеры.

Она работает по принципу прохождения тока низкого напряжения через тело человека, использующего ее. Отвертка состоит из следующих частей:

• Наконечник для подключения к фазовому потенциалу розетки;
• Резистор, снижающий амплитуду электротока до безопасных пределов;
• Светодиод, загорающийся при наличии потенциала фазы тока в цепи;
• Плоский контакт для создания цепи сквозь тело оператора.

Чем отличаются между собой

Однофазные сети

В таких сетях ток может проходить и по замкнутым цепям. При подключении рекомендуется в первую очередь подвести напряжение к эффективной нагрузке и только после этого вернуть его обратно. Провод, который подводит ток в условиях переменного тока, является фазой. Второй провод является нулевым. Между этими двумя проводами, передающими однофазный ток, величина напряжения составляет 220B.

Двухфазные сети

Этот тип электросетей предусматривает осуществление передачи двух переменных токов, по которым их напряжение сдвигается по фазе на 90°. Для передачи токов используются два фазных и два нулевых провода. Из-за дороговизны такой способ передачи напряжения сейчас не используется.

Читайте также: Почему напряжение на зажимах источника тока меньше эдс?

Трехфазные сети

В таких электросетях одновременно передаются три переменных тока со сдвигом напряжения по фазе на 120°. Источники соединяются по схеме «звезды», что позволяет использовать только три провода – 3-х фазных и одного нулевого. Преимуществом таких сетей признана экономичность и возможность передачи тока на большие расстояния. В любой паре проводов фаз присутствует напряжение в 380B, а в парах одного фазного и нулевого провода – 220B.

Исходя из вышеперечисленного, для электропитания городских квартир и частных домов оборудуются однофазные или трехфазные сети.

Однофазная и трехфазная электрическая сеть

Здравствуй Уважаемый читатель сайта Elesant.ru. Электрический ток «доставляется» до потребителя по высоковольтным линиям электропередач. Электрический ток линий электропередач имеет высокое напряжение и напрямую не может использоваться потребителями. Для повседневного использования электрического тока доставленного ЛЭП его напряжение нужно понизить.

Для этого возле потребителей устанавливаются специальные трансформаторные подстанции. Трансформаторные подстанции понижают высоковольтное напряжение до номинальных значений пригодных для использования. Остановимся немного на подстанциях.

Трансформаторная подстанция

Трансформаторные подстанции это электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электроэнергии от линий электропередач.

Состоят подстанции из понижающего трансформатора, распределительного устройства (РУ) и устройств управления.

По способу строительства и расположения подстанции подразделяются на пристроенные, встроенные, внутрецеховые. Для загорода наиболее распространены мачтовые и столбовые подстанции.

Основным элементом подстанции является понижающий трансформатор. Понижающие трансформаторы могут быть трехфазные и однофазные. Однофазные трансформаторы используются в комплексе с трехфазными трансформаторами и в основном в сельской местности.

Понижается напряжение в трансформаторах до номинального рабочего напряжения 380 или 220 вольт. Называются эти напряжения линейным и фазным соответственно. А питание потребителей называется соответственно трехфазным и однофазным. Рассмотрим виды питания потребителей подробнее.

Однофазное электрическое питание

Однофазное электропитание запитывает потребителя от одной фазной линии и линии нулевого рабочего провода. Линии для однофазного питания называют однофазными электрическими сетями. Номинальное рабочее напряжение однофазных электрических сетей составляет 220 вольт.

Сами однофазные сети тоже можно разделить в зависимости от рабочих проводников.

Однофазная двухпроводная сеть

В однофазных двухпроводных сетях для электропитания используются два провода: фазного(L) и нулевого (N). Такая электрическая сеть не предусматривает заземление электроприборов. Двухпроводная электрическая сеть была да и остается самой распространенной в старом жилом фонде.

Если у вас дома проводка выполнена проводами с алюминиевыми жилами, скорее всего у вас двухпроводная электрическая сеть.

Однофазная трехпроводная сеть

В однофазных трехпроводных сетях используются три провода: фазного(L), нулевого (N) и защитного, заземляющего. Третий заземляющий провод предназначен для дополнительной защиты человека от поражений электрическим током. Соединение заземляющего провода с корпусами электроприборов (заземление), позволяет отключать электропитание при замыкании фазного провода на корпус прибора (короткого фазного замыкания). Обозначается PE.

Читайте также: Как выбрать конденсатор? Всё о выборе и замене конденсаторов

Заземление защищает не только человека от поражений электротоком, но и спасает сами электроприборы от перегораний.

Трехфазное электрическое питание

При трехфазном питании в электрощит квартиры или ВРУ дома заводится три питающие фазы(L1;L2;L3) и нулевой рабочий проводник(N). Номинальное рабочее напряжение между любыми фазными проводами составляет 380 вольт. Напряжение между любым фазным проводом и рабочим нулем составляет 220 вольт. От электрощита проводка, распределяется по квартире или дому, согласно схеме электропроводки, обеспечивая 220 вольтовое или з80 вольтовое питание для электроприборов.

При расчете трехфазной электросети важно правильно распределить нагрузку между тремя фазами. Неравномерное распределение нагрузки между фазами приведут к перекосу фаз, сильный перекос фаз приведет к аварийной ситуации вплоть до обгорания одной из фаз.

Распределить трехфазное питание по квартире или дому можно электрокабелями с четырьмя или пятью проводами

Трехфазная четырехпроводная электрическая сеть

При четырехпроводной электропроводки электропитание происходит от трех фазных проводов и рабочего нуля. От электрощитка или распределительной коробки проводка распределяется по розеткам и светильникам двумя проводами: каждым фазным и нулевым(L1-N; L2-N; L3-N).Напряжением 220 вольт. На схемах фазы могут обозначаться А, В, С.

Трехфазная пятипроводная электрическая сеть

В трехфазной пятипроводной электрической сети «появляется» пятый заземляющий провод, выполняющий защитные функции. Обозначается (PE)

Важно! Во всех трехфазных сетях важно равномерное распределение нагрузки (потребляемой мощности) между фазами. Опредилять нагрузку сети при трехфазном питании нельзя по основному закону электротехники, зокону Ома. Для расчетов нужно учитывать коэффициент мощности(cosф) и коэффициент спроса (Кспроса). Обычно для квартир cosф=0,90-0,93;Кспроса=0,8. Значение 0,8 принимается, если потребителей более 5.

Нормативные ссылки

Правила Устройства Электроустановок(ПУЭ),издание 7.

Другие статьи раздела: Электрические сети

Где используется напряжение в 220B, а где в 380B

В большинстве жилых объектов (квартирах, домах, коттеджах и на дачах) установлены и используются однофазные электросети, в которых напряжение составляет стандартные 220B. Это обоснуется тем, что уровень потребления в обычном доме или квартире не превышает, как правило, 10 кВт.

Трехфазная электросеть проводится на объекты, где планируемый уровень потребления мощностей превышает значение в 10 кВт, а также установлены и используются электрические установки, которые требуют именно трехфазную подачу напряжения для обеспечения корректного функционирования. К примеру, если для запуска трехфазного двигателя использовать лишь одну фазу с применением конденсатора, это существенно понизит КПД электроустановки и в то же время увеличит расход электрической энергии.

С другой стороны, если уровень максимально потребляемой мощности в частном домохозяйстве не превышает 9-ти кВт, допускается использование на вводе двужильного медного кабеля с сечением 6мм и установку автомата на 40A.

В случае, когда максимальная нагрузка предположительно равняется 15кВт, для провода одной фазы величина проходящего тока составит 70A. Следовательно, обязательной будет прокладка медного провода с 10-милиметровым сечением и силового автоматического выключателя. Однако стоимость такой сети намного дороже. А потому выходом из ситуации может стать монтаж обычной трехфазной сети и распределение эффективной нагрузки поровну между фазами, то есть – по 5 кВт. На сегодняшний день подобные решения по обеспечению электропитанием используются большинством магазинов, предприятий и офисов.

Вариант 4

Вот в данном варианте уже можно немного запутаться с подключением нулевых рабочих проводников, так как тут стоит несколько УЗО. А мы знаем, что у каждого УЗО должна быть своя индивидуальная нулевая шина, иначе ничего работать не будет.

В текущей трехфазной схеме на вводе стоит уже противопожарное селективное УЗО на 300 мА. Оно будет защищать кабели от возгорания при замыкании фазы на землю. Для человека ток 300 мА уже опасен и поэтому для его защиты нужно ставить дополнительное УЗО на 10-30 мА.

Ниже на рисунке показано одно УЗО с током утечки 30 мА только на первой фазе, к которому подключено два автоматических выключателя. У этого УЗО будет своя нулевая шина и поэтому нулевые рабочие проводники от других групп к его шине подключать нельзя. А шина заземления всегда и для всех потребителей будет одной общей.

В текущем варианте можно рассмотреть схему с установкой трех 2-х полюсных УЗО по одному на каждую фазу. Так все группы будут иметь защиту от утечек тока. Тогда здесь можно будет отказаться от общего вводного УЗО на 300 мА, так как у вас и так все будет иметь защиту с уставкой 30 мА.

По каким схемам потребители подключаются к трехфазным электросетям

Для подключения электродвигателей, нагревателей и других трехфазных мощностей используется схема «звезда» или «треугольник». Большинство установок оснащены перемычками, которые в зависимости от положения обмоток формируют вышеуказанные схемы.

Соединение звездой

Схема предусматривает соединение концов обмоток генерирующего устройства в одну точку и подключение к началу этих же обмоток нагрузки. В электродвигателях получается, что линейное напряжение в 380B, при условии соединения обмоток по схеме звезды, прикладывается к двум обмоткам для каждой фазной пары.

Соединение треугольником

В этой схеме предусмотрено прикладывание линейного напряжения к каждой обмотке. Эти элементы, как правило, рассчитаны именно на такие подключения.

Указанные способы подключения имеют и плюсы, и недостатки.

Читайте также: Сколько ватт(Вт) в 1 киловатте(кВт): понятие, перевод и таблица

Плюсы подключения однофазной сети 220B

• Простота монтажа,
• Экономичность в финансовых вложениях,
• Безопасность в использовании напряжения.

Минусы использования однофазной сети 220B

• Ограничения на использование мощностей для конечных потребителей,
• Исключение возможности функционирования асинхронных двигателей, не оснащенных конденсаторами и ПЧ.

Плюсы подключения трехфазной сети 380B

• Экономия финансовых средств в условиях трехфазного потребления энергии,
• Возможность подключения и питания промышленного оборудования,
• Ограничение мощности только по сечению используемого кабеля,
• Переключение однофазных нагрузок на другую фазу в случаях ухудшения качества либо отключения электропитания.

Трехфазный ток

> Теория > Трехфазный ток

Большинство генераторов переменного тока, а также линий, передающих электроэнергию, используют трехфазные системы. Передача тока осуществляется по трем линиям (или четырем) вместо двух. Трехфазный ток представляет собой систему переменного электротока, где значения токов и напряжений меняются по синусоидальному закону. Частота синусоидальных колебаний тока в России и Европе – 50 Гц.

Почему используют трехфазный ток

Транспортировка электроэнергии от электростанций до отдаленных точек предполагает использование очень длинных проводов и кабелей, имеющих большое сопротивление. Это означает, что часть энергии будет потеряна, рассеиваясь в виде тепла. Уменьшив токи, передаваемые по ЛЭП, можно значительно снизить потери.

Наиболее распространенной формой производства электроэнергии является трехфазная генерация. В промышленности трехфазный переменный ток часто применяется для работы электродвигателей.

Преимущества трехфазной системы:

1. Возможность наличия фазного и линейного напряжений в трехфазных цепях двух разных значений: высокое – для мощных потребителей, низкое – для остальных;
2. Сниженные потери при транспортировке энергии, следовательно, использование более дешевых проводов и кабелей;
3. Трехфазные машины имеют более стабильный крутящий момент, чем однофазные (выше производительность);
4. Лучшая производительность в трехфазных генераторах;
5. В некоторых случаях постоянный ток должен получаться из переменного. При этом использование 3 фазного тока является существенным преимуществом, так как пульсация выпрямляемого напряжения значительно ниже.

Что такое трехфазный ток

Стабилизатор напряжения трехфазный

Трехфазная система переменного тока – это три синусоидальных токовых сигнала, различия между которыми составляют треть цикла или 120 электрических градусов (полный цикл – 360°). Они проходят свои максимумы в регулярном порядке, называемом фазовой последовательностью. Синусоидальное напряжение пропорционально косинусу или синусу фазы.

Три фазы поставляются обычно по трем (или четырем) проводам, а фазные и линейные напряжения в трехфазных цепях представляют собой разности потенциалов между парами проводников. Фазные токи являются токовыми величинами в каждом проводнике.

Схемы трехфазных цепей

В схемной конфигурации «звезда» имеется три фазных провода. Если нулевые точки системы питания и приемника соединены, то получается четырехпроводная «звезда».

В схеме различаются межфазное напряжение, находящееся между проводниками фазы (его еще именуют линейным), и фазное – между отдельными проводниками фазы и N-проводником.

Что такое фазное напряжение, наиболее наглядно определяется с помощью построения векторов – это три симметричных вектора U(А), U(В) и U(С). Здесь же видно, что такое линейное напряжение:

• U(АВ) = U(А) – U(В);
• U(ВС) = U(В) – U(С);
• U(СА) = U(С) – U(А).

Важно! Векторные построения дают представления о сдвиге между согласующимися фазным и межфазным напряжением – 30°.

Следовательно, линейное напряжение для звездной схемы с равномерными нагрузками можно рассчитать так:

Uab = 2 x Ua x cos 30° = 2 x Ua x √3/2 = √3 x Ua.

Аналогично находятся другие показатели фазного напряжения.

Линейное и фазное напряжение, если суммировать векторные величины всех фаз, равны нулю:

• U(А) + U(В) + U(С) = 0;
• U(АВ) + U(ВС) + U(СА) = 0.

Если к «звезде» подсоединяется электроприемник с сопротивлением, идентичным в каждой фазе:

то можно произвести расчет линейного и фазного токов:

• Ia = Ua/Za;
• Ib = Ub/Zb;
• Ic = Uc/Zc.

Построение векторов в схеме «Y»

Применительно для общих случаев «звездной» системы линейные токовые величины идентичны фазовым.

Обычно предполагается, что источник, питающий электроприемники, симметричен, и только импеданс определяет работу схемы.

Поскольку суммирующий токовый показатель соответствует нулю (закон Кирхгофа), то в случае четырехпроводной системы в нейтральном проводнике ток не течет. Система будет вести себя одинаково, независимо, существует нейтральный проводник или нет.

Для активной мощности трехфазного приемника справедлива формула:

P = √3 x Uф I x cos φ.

Реактивная мощность:

Q = √3 x Uф I x sin φ.

«Y» при асимметричной нагрузке

Это такая схемная конфигурация, где токовая величина одной фазы отличается от другой, либо различны фазовые сдвиги токов по сравнению с напряжениями. Межфазовые напряжения будут оставаться симметричными. По векторным построениям определяется появление сдвига нулевой точки от центра треугольника. Результатом является асимметрия фазных величин напряжений и появление Uo:

Uo = 1/3 (U(А) + U(В) + U(С)).

Несмотря на асимметричную нагрузку, суммирующий токовый показатель нулевой.

«Y» без N-проводника при асимметричной нагрузке

Важно! Работа схемы с асимметричной нагрузкой зависит от того, есть или нет N-проводник.

Иначе ведет себя схема, когда подключен N-проводник с незначительным полным сопротивлением Zo = 0. Нулевые точки ИП и электроприемника оказываются гальванически связанными и имеют одинаковый потенциал. Фазное напряжение разных фаз приобретает идентичное значение, а токовая величина в N-проводнике:

Схема четырехпроводной «Y»

При передаче мощности принято использовать трехпроводные системы на уровнях высокого и среднего напряжения. На низком уровне напряжения, где трудно избежать несбалансированных нагрузок, применяются четырехпроводные системы.

Схема «Δ»

Подключая конец каждой фазы электроприемника к началу следующей, можно получить трехфазный ток с последовательно подсоединенными фазами. Полученная схемная конфигурация называется «треугольником». В таком виде она может работать только как трехпроводная.

С помощью векторных построений, понятных даже для чайников, иллюстрируются фазные и линейные напряжения и токи. Каждая фаза электроприемника оказывается подключенной на линейное напряжение между двумя проводниками. Линейное и фазное напряжение идентичны на приемнике электроэнергии.

Читайте также: ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕОСТАТЫ И ПОТЕНЦИОМЕТРЫ С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

Схема «Δ» и построения векторов

Межфазовые токи для «треугольника» – I(А), I(В), I(С). Фазные – I(АВ), IВС), I(СА).

Линейные токи находятся из векторных построений:

• I(А) = I(АВ) – I(СА);
• I(В) = I(ВС) – I(АВ);
• I(С) = I(СА) – I(ВС).

Суммирующая токовая величина в симметричной системе соответствует нулю. Среднеквадратичные величины фазных токов:

I(АВ) = I(ВС) = I(СА) = U/Z.

Поскольку фазовый сдвиг между U и I равен 30°, линейный ток в данной конфигурации будет равен:

I(А) = I(АВ) – I(СА) = 2 x I(АВ) x cos 30° = 2 x Iф x √3/2 = √3 x Iф.

Важно! Эффективная величина линейного тока превышает в √3 раз эффективную величину тока фазы.

Трехфазный и однофазный ток

Подключаем самостоятельно трехфазный электродвигатель в 220Вт

Схемная конфигурация «Y» дает возможность использовать два разных напряжения при питании потребителей бытовой и промышленной сети: 220 В и 380 В. 220 В получается с использованием двух проводников. Один из них –фазный, другой – N-проводник. Напряжение между ними соответствует фазному. Если взять 2 проводника, оба представляющие собой фазы, то напряжение между фазами носит название линейного и равно 380 В. Для подключения используются все 3 фазы.

Распределение напряжений в однофазной и трехфазной системах

Основные различия однофазной и трехфазной систем:

1. Однофазный ток предполагает питание через один проводник, трехфазный – через три;
2. Для завершения цепи однофазного питания требуется 2 проводника: еще один нейтральный, для трехфазного – 4 (плюс нейтральный);
3. Наибольшая мощность передается по трем фазам, в отличие от однофазной системы;
4. Однофазная сеть более простая;
5. При неисправности фазного провода в однофазной сети питание полностью пропадает, в трехфазной – подается по двум оставшимся фазам.

Интересно. Никола Тесла, первооткрыватель многофазных токов и изобретатель асинхронного двигателя, использовал двухфазный ток с разностью фаз 90°.Такая система пригодна для создания вращающегося магнитного поля больше, чем однофазная, но меньше, чем трехфазная. Двухфазная система поначалу получила распространение в США, но затем полностью исчезла из употребления.

Сегодня почти все электроснабжение основано на низкочастотном трехфазном токе при параллельном использовании индивидуальных фаз. Практически все электростанции имеют генераторы, производящие трехфазный ток. Трансформаторы могут работать с трехфазным или однофазным током. Наличие реактивной мощности в подобных сетях требует установки компенсирующего оборудования.

Что показывает электрическое напряжение

Из школьного курса физики известно, что электрическое поле – это особый вид материи, который возникает вокруг электрических зарядов. Его можно наблюдать, создав заряд, например, с помощью трения – после расчесывания расческа начинает притягивать мелкие кусочки бумаги. Если заряженные частицы будут двигаться по проводнику – то в проводнике возникнет ток, а вокруг проводника – магнитное поле, с помощью которого можно будет совершать полезную работу. Это явление лежит в основе работы электродвигателей. И наоборот – если двигать магнит рядом с проводником (или внутри проводящей катушки) – то в проводнике возникнет электрический ток – на этом явлении основаны электрогенераторы.

Создать движение заряженных частиц по проводнику можно также с помощью особых химических реакций – на этом явлении базируются химические источники тока — батареи и аккумуляторы.

«Сила», с которой заряды будут двигаться по проводнику, называется электрическим напряжением, единица измерения — вольт. А количество этих зарядов, движущихся по проводнику – электрическим током, единица измерения — ампер.

Обычной батарейки достаточно для зажигания фонарика, но для совершения большой работы необходимо гораздо большее напряжение, которое создается специальными генераторами больших размеров.

Определение сопротивления петли фаза-ноль

Для обеспечения нормального функционирования электрических приборов и проверки автоматов необходимо периодически проводить замеры сопротивления петли фаза-ноль. Потому как первоочередными причинами поломок осветительных приборов являются перегрузки сети и короткое замыкание. Измерение сопротивления позволяет в кратчайшие сроки выявить неисправность и предотвратить подобную ситуацию.

Далеко не все знают, что представляет собой понятие «петля фаза-ноль». Под этой фразой скрывается контур, образованный в результате соединения нулевого провода, находящегося в заземленной нейтрали. Замыкание этой электрической сети образует петлю фаза-ноль.

Измеряют сопротивление в этом контуре следующими методами:

• падением уровня напряжения в отключенной цепи
• падением уровня напряжения в результате сопротивления возрастающей нагрузки
• использованием профессионального инструмента, интерпретирующего короткое замыкание в цепи

Второй способ используется чаще всего, так как отличается удобством, возможностью быстро измерить сопротивление, а также безопасностью.

Трехфазный ток

В домовых распределительных электрических сетях в основном используются одна фаза и нулевой проводник. Этого достаточно для работы бытовых электроприборов, освещения и отопления. Для организации производственного технологического процесса применяют трехфазный ток. Потребители, шинные сборки, распределительные щитки, узлы учёта и вся электрическая схема настроены на работу от сетей трёхфазного тока.

Трехфазная система переменного тока

Сети трёхфазной системы рассчитаны на питание от подстанций, подающих напряжение по четырём проводам: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где функционируют ЭДС, имеющие синусоидальные формы и равную частоту. Они произведены одним и тем же источником, но имеют угол сдвига между фаз в 120 градусов (2π/3).

Ещё электротехник М.О. Доливо-Добровольский, проводя изучение работы асинхронных двигателей, представил четырёхпроводную систему в качестве рабочей для питания такого типа машин и агрегатов. Каждый провод, образующий отдельную цепь внутри этой системы, называют «фазой». Структуру трёх смещённых по фазе переменных токов именуют трёхфазным током.

Четырёхпроводная схема питания

Важно! В подобной структуре фазное напряжение равно 220 В – это то, что покажет прибор при измерении между фазным и нулевым проводниками. Величина линейного напряжения составит 380 В при проведении измерения между двумя фазными тоководами.

Что такое трехфазный ток

Это система, объединяющая три электроцепи с токами, которые разнятся по фазе на 1/3 периода. Причём их собственные ЭДС совпадают по частоте и амплитуде и имеют такой же фазовый сдвиг. У такой структуры фазное и линейное напряжения соответственно равны 220 В и 380 В. Частота периодических колебаний – 50 герц (Гц).

Если подключить к осциллографу токовые синусоидальные сигналы от трёхфазной сети, то можно будет увидеть, что они совершают прохождение своих точек максимума в регулярной фазовой последовательности.

Общая формула мощности переменного тока:

где:

• P – мощность, (Вт);
• I – ток, (А);
• U – напряжение, (В);
• cosϕ – коэффициент мощности.

Значение cosϕ должно стремиться к единице. Средний коэффициент мощности лежит в интервале 0,7-0,8. Чем он выше, тем больше КПД установки.

В случае 3-х фазных сетей мощность будет зависеть от схемы соединения источника и нагрузки.

График трёхфазного тока

Почему используют трехфазный ток

Зная, что такое трехфазный ток, можно однозначно ответить на вопрос, почему он применяется.

Трехфазные системы переменного тока обладают целым рядом преимуществ, которые позволяют им выделяться среди многофазного построения электрических структур. К плюсам можно отнести следующие особенности:

• экономичное транспортирование энергии на дальние расстояния без снижения параметров;
• 3-фазные трансформаторы и кабели обладают меньшей материалоёмкостью, в отличие от однофазных моделей;
• возможность обеспечить сбалансированность энергосистемы;
• одновременное присутствие в установках двух напряжений для работы: фазное напряжение (220 В) и линейное (380 В).

К сведению. Подключение люминесцентных ламп к разным фазам и установка их в один светильник значительно уменьшат стробоскопический эффект и заметное глазу мерцание.

Неотъемлемой частью оборудования любого производственного предприятия являются асинхронные двигатели. Для их нормальной работы и развития паспортной мощности необходимо 3-х фазное питание. Оно обеспечивает возможность образования вращающегося МП (магнитного поля), которое приводит в движение ротор асинхронной машины. Такие двигатели экономичнее, проще в изготовлении и просты в эксплуатации, по сравнению с однофазными или любыми другими.

На электростанциях любого типа (ГЭС, АЭС, ТЭС), а также альтернативных обеспечено производство электроэнергии переменного типа при помощи генераторов.

Трёхфазная линия электропередач 10 кВ

Как осуществляется работа генератора

Устройство действует, превращая энергию вращения в энергию электричества. Электромашина, используя вращение МП, генерирует электрический ток. В тот момент, когда проволочная обмотка (катушка) крутится в МП, силовые линии магнитного поля пронизывают витки обмотки.

Внимание! В результате этого процесса электроны совершают перемещение в сторону плюсового полюса магнита. При этом ток движется, наоборот, в сторону отрицательного магнитного полюса.

Не важно, что вращается при механическом воздействии, обмотка или магнитное поле, – ток будет течь, пока вращение выполняется.

Генераторы, вырабатывающие трехфазное напряжение, могут иметь:

• неподвижные магниты и подвижный (вращающийся) якорь;
• неподвижный статор и магнитные полюса, которые вращаются.

В устройствах первой конструкции возникает потребность отбора большого тока при высоком напряжении. Для этого приходится использовать щётки (скользящие по контактным кольцам контакты).

Второе строение генератора проще и более востребовано. Здесь ротор – подвижный элемент, состоит из магнитных полюсов. Статор – неподвижная часть, собрана из пакета изолированных между собой листов железа и вложенной в пазы обмотки статора.

Информация. У ротора тело собрано из сплошного железа и имеет магнитные полюса в виде наконечников. Наконечники набираются из отдельных листов. Их форма подобрана с учётом того, чтобы генерируемый ток по форме был близок к синусоиде.

Полюсные сердечники имеют катушки возбуждения. На катушки подаётся постоянный ток. Подача осуществляется через графитовые щётки на кольца контакта, находящиеся на валу.

На схемах 3-х фазный генератор рисуют в виде трёх обмоток, угол между которыми равен 1200.

Существует несколько способов возбуждения генераторов, а именно:

• независимый – с помощью аккумулятора;
• от возбудителя – при помощи дополнительного генератора, закреплённого на одном валу;
• благодаря самовозбуждению – собственным выпрямленным током.

Сюда же относится магнитное возбуждение, подаваемое от магнитов постоянной природы.

Трёхфазный генератор переменного тока

Схемы трехфазных цепей

Обмотки генератора или трансформатора в трёхфазных цепях можно соединить между собой по двум схемам:

Соединения выполняются на клеммнике (борно) агрегата или трансформатора, куда выводятся концы обмоток.

Соединение перемычками обмоток

Присоединение нагрузки к генератору (трансформатору) можно произвести по следующим схемам:

• присоединение «звезда – звезда» с использованием нулевого проводника;
• подключение «звезда – звезда» без использования нулевого провода;
• подсоединение «звезда – треугольник»;
• схема «треугольник – треугольник»;
• соединение «треугольник – звезда».

Внимание! Такое разнообразие схем вызвано тем, что собственные обмотки генератора и собственные обмотки нагрузки могут быть соединены по-разному. При различных типах сопряжения получаются разные соответствия между фазными и линейными значениями.

Соединение может быть выполнено на заводе при сборке генератора, к месту подсоединения питающего кабеля уже выведены вторые концы обмоток. Информация о схеме соединения обмоток наносится на прикреплённую к статору машины табличку.

На электрических двигателях, трансформаторах или иных потребителях также производят необходимые манипуляции по переключению выводов обмоток. На картинке, приведённой ниже, красным маркером отмечены концы обмоток, соединённые перемычкой. Синим маркером – фазы питания.

Соединения на борно двигателя

Соединение звездой

Буквенное обозначение начала обмоток – «А», «В», «С», концов – «X», «Y», «Z». Нулевая точка маркируется как «О». У каждой обмотки есть два конца. При соединении «звезда» все три одноименных вывода обмоток (начала) соединяются между собой в одну точку «О». К свободным концам подключается нагрузка.

Схема соединения обмоток «звездой»

Соединение треугольником

При выполнении этого присоединения на борно ставятся перемычки, включающие обмотки в следующей последовательности:

• конец «А» – с началом «В»;
• конец «В» – с началом «С»;
• конец «С» – с началом «А».

Графическое изображение катушек становится похожим на треугольник, отсюда пошло название.

Когда хотят использовать подключаемый асинхронный двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, то его обмотки соединяют в треугольник. В этом случае фазные напряжения совпадают (Uл = Uф), линейный ток будет вычисляться по формуле:

Подключая в качестве нагрузки двигатель, необходимо учесть ряд нюансов:

• достигается увеличение мощности в 1,5 раза;
• повышается значение пускового тока, по сравнению с рабочим в 7 раз из-за тяжёлого запуска;
• резкое увеличение нагрузки на валу электромашины будет вызывать резкое увеличение тока.

Из-за всего этого есть риск возникновения перегрева машины, что не происходит при соединении обмоток нагрузки по схеме «звезда». Там двигатель не расположен к перегреванию, и его пуск осуществляется плавно.

Включение обмоток по схеме «треугольник»

При двух видах включения обмоток различают и дают определение двум видам токов: линейному и фазному. Запомнить различия просто:

• ток, протекающий через проводник, который соединяет источник с приёмником, называется линейным;
• ток, движущийся по обмоткам источника или нагрузки, называется фазным.

Стоит обратить внимание на формулы мощности при различных схемах соединения источника с нагрузкой.

Мощность тока при схеме «звезда» определяется по формуле:

P = 3*Uф*Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ,

где:

• Uф – фазное напряжение;
• Uл – линейное напряжение;
• Iф – фазный ток;
• Iл – линейный ток;
• cosϕ – сдвиг фаз.

Мощность тока при схеме «треугольник» вычисляется по формуле:

P = 3* Uф* Iф*cosϕ = √3*Uл*Iл*cosϕ.

К сведению. Обращать внимание на линейный и фазный токи необходимо тогда, когда генератор (источник) нагружается несимметрично при подключении нагрузки.

Соединения в трёхфазной цепи

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях

Следующий параметр, который требует внимательного рассмотрения, – это напряжение. Так же, как и токи, напряжение в этом случае бывает фазное и линейное. Чтобы было понятнее их отличие, лучше всего рассмотреть графическое изображение векторов напряжений (фаз). Уже известно, что они расположены друг к другу под углом 1200. Таков угол между обмотками трёхфазного генератора.

асположение векторов напряжений на диаграмме

Сохраняя угол наклона вектора Ub, откладывают его (изменив знак) от точки, где заканчивается вектор Ua. Тогда из полученной векторной диаграммы видно, что вектор линейного напряжения Uл равен расстоянию между точкой начала вектора напряжения Ua и точкой конца вектора напряжения Ub. Заметно, что вектор линейного напряжения превышает фазное. Насколько большая эта разница, можно определить, пользуясь формулой:

Так как sin600= √3/2, то формула принимает вид:

Значит, Uл = 1,73*Uф

При практических измерениях параметров напряжения фазное напряжение измеряют, касаясь щупами тестера фазного и нулевого проводников. Линейное значение должно измеряться прикосновением щупами к двум фазным проводникам.

Подключение нагрузки к источнику в трёхфазной цепи может осуществляться, как по трём проводам, без нулевого проводника, так и с его использованием. Всё зависит от того, какого типа нейтраль у сети. В сетях с глухозаземлённой нейтралью нулевой проводник служит для избегания перекоса по фазам. К тому же его используют в цепях защиты от пробоя изоляции на корпус оборудования. Он даёт возможность для срабатывания защитного отключения или перегорания вставки предохранителя.

Сети с изолированной нейтралью прекрасно работают по трём фазным проводам. Соединения такого типа исключают одновременное использование и фазного, и линейного напряжения. При такой схеме существует риск получить удар током при пробое изоляции.

Отличия от однофазного тока

Как правило, в многоквартирные дома подводится трехфазный переменный ток. Это обусловлено подключением большого числа однофазных нагрузок. В этом случае есть возможность равномерно нагрузить каждую фазу цепи трансформаторной подстанции. Это позволит не допустить перекоса межфазного и фазного напряжений.

Основные различия, по сравнению с однофазным током, лежат в следующей плоскости:

• линейное напряжение не рассчитано на питание однофазных потребителей;
• величина мощности нагрузки зависит от сечения питающего кабеля;
• возможность включения в сеть трёхфазных потребителей;
• допустимость переключения однофазного потребителя на другую фазу.

В связи с этим использование трёхфазного тока более эффективно на производстве.

Распределение электроэнергии

Важно! Стоимость оборудования, кабельной продукции, электроэнергии, приборов учёта при подведении к объекту напряжения, равного 380 В, значительно выше, чем однофазной сети.

Какой вариант тока выбрать, трёхфазный или однофазный, решать владельцу жилья. Особенно это касается больших частных домов, где современное электрооборудование требует наличия всех трёх фаз. Затраты на подведение 3-х фазного тока и установку узла учёта с лихвой окупятся возможностями использования трёхфазных потребителей в приусадебном хозяйстве.

Видео

Трёхфазный ток. Преимущества при генерации и использовании.

Преимущества трёхфазного тока очевидны только специалистам электрикам. Что такое трехфазный ток для обывателя представляется весьма смутно. Давайте развеем неопределенность.

Трехфазный переменный ток

Большинство людей, за исключением специалистов — электриков, имеют весьма смутное представление, что такое так называемый «трёхфазный» переменный ток, да и в понятиях, что такое сила тока, напряжение и электрический потенциал, а также мощность, — часто путаются.

Попытаемся простым языком дать начальные понятия об этом. Для этого обратимся к аналогиям. Начнём с простейшей – протекания постоянного тока в проводниках. Его можно сравнить с водным потоком в природе. Вода, как известно, всегда течёт от более высокой точки поверхности к более низкой. Всегда выбирает самый экономичный (наикратчайший) путь. Аналогия с протеканием тока – полнейшая. Причём количество воды протекающей в единицу времени через какое-то сечение потока будет аналогично силе тока в электрической цепи. Высота любой точки русла реки относительно нулевой точки – уровня моря – будет соответствовать электрическому потенциалу любой точки цепи. А разница в высоте любых двух точек реки будет соответствовать напряжению между двумя точками цепи.

Используя эту аналогию можно легко представить в уме законы протекания постоянного электрического тока в цепи. Чем выше напряжение – перепад высот, тем больше скорость потока, и, следовательно, количество воды протекающей по реке в единицу времени.

Водный поток, точно так же как электрический ток при своём движении испытывает сопротивление русла – по каменистому руслу вода будет протекать бурно, меняя направление, немного нагреваясь от этого (бурные потоки даже в сильные морозы не замерзают вследствие нагрева от сопротивления русла). В гладком канале или трубе вода потечёт быстро и в итоге в единицу времени канал пропустит гораздо больше воды, чем извилистое и каменистое русло. Сопротивление потоку воды полностью аналогично электрическому сопротивлению в цепи.

Теперь представим закрытую бутылку, в которой налито немного воды. Если мы начнём эту бутылку вращать вокруг поперечной оси, то вода в ней будет перетекать попеременно от горлышка к донышку и наоборот. Это представление – аналогия переменному току. Казалось бы, одна и та же вода перетекает туда-сюда и что? Тем не менее, этот переменный поток воды способен совершать работу.

Откуда вообще появилось понятие переменный ток?

Да с тех самых пор, когда человечество, узнав, что перемещение магнита вблизи проводника вызывает электрический ток в проводнике. Именно движение магнита вызывает ток, если магнит положить рядом с проводом и не двигать – никакого тока в проводнике это не вызовет. Далее, мы хотим получить (генерировать) в проводнике ток, чтобы использовать его в дальнейшем для каких-либо целей. Для этого изготовим катушку из медного провода и начнём возле неё двигать магнит. Магнит можно передвигать возле катушки как угодно – двигать по прямой туда-сюда, но, чтобы не двигать магнит руками, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать его вращать около катушки, аналогично вращению бутылки с водой из предыдущего примера. Вот именно таким образом — по техническим причинам — мы и получили синусоидальный переменный ток, используемый ныне повсеместно. Синусоида – это развёрнутое во времени описание вращения.

В дальнейшем оказалось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от протекания постоянного тока. Например, для протекания постоянного тока сопротивление катушки равно просто омическому сопротивлению проводов. А для переменного тока – сопротивление катушки из проводов значительно увеличивается из-за появления, так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток через заряженный конденсатор не проходит, для него конденсатор – разрыв цепи. А переменный ток способен свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее выяснилось, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток с другими напряжением или силой тока. Постоянный ток такой трансформации не поддаётся и, если мы включим любой трансформатор в сеть постоянного тока (что делать категорически нельзя), то он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет сопротивляться только омическое сопротивление провода, которое делается как можно меньше, и через первичную обмотку потечёт большой ток в режиме короткого замыкания.

Заметим также, что электродвигатели могут быть созданы для работы и от постоянного тока, и от переменного тока. Но разница между ними такая – электродвигатели постоянного тока сложнее в изготовлении, но зато позволяют плавно изменять скорость вращения обычным регулирующим силу тока реостатом. А электродвигатели переменного тока гораздо проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной, обусловленной конструкцией скоростью. Поэтому в практике широко применяются и те, и другие. В зависимости от назначения. Для целей управления и регулирования применяются двигатели постоянного тока, а в качестве силовых установок – двигатели переменного тока.

Далее конструкторская мысль изобретателя генератора двигалась примерно в таком направлении – если удобнее всего для генерации тока использовать вращение магнита рядом с катушкой, то почему бы вместо одной катушки генератора не расположить вокруг вращающегося магнита несколько катушек (места-то вокруг вон сколько)?

Получится сразу же, как бы несколько генераторов, работающих от одного вращающегося магнита. Причём переменный ток в катушках будет отличаться по фазе – максимум тока в последующих катушках будет несколько запаздывать относительно предыдущих. То есть синусоиды тока, если их графически изобразить, будут, как бы между собой, сдвинуты. Это важное свойство – сдвиг фаз, о котором мы расскажем ниже.

Примерно так рассуждая, американский изобретатель Никола Тесла и изобрёл сначала переменный ток, а затем и трёхфазную систему генерации тока с шестью проводами. Он расположил три катушки вокруг магнита на равном расстоянии под углами 120 градусов, если за центр углов принять ось вращения магнита.

(Число катушек (фаз) вообще-то может быть любым, но для получения всех тех преимуществ, что даёт многофазная система генерации тока, минимально достаточно трёх).

Далее русский учёный электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трёх — и четырёхпроводную систему передачи трёхфазного переменного тока. Он предложил соединить один конец всех трёх обмоток генератора в одну точку и передавать электроэнергию всего по четырём проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах существенная). Оказалось, что при симметричной нагрузке каждой фазы (равным сопротивлением) ток в этом общем проводе равняется нулю. Потому что при суммировании (алгебраическом, с учётом знаков) сдвинутых по фазе на 120 градусов токов они взаимно уничтожаются. Этот общий провод так и назвали – нулевой. Поскольку ток в нём возникает только при неравномерности нагрузок фаз и численно он небольшой, гораздо меньше фазных токов, то представилась возможность использовать в качестве «нулевого» провод меньшего сечения, чем для фазных проводов.

По этой же самой причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы получились значительно менее материалоёмкими, так как в магнитопроводе трансформатора происходит взаимопоглощение магнитных потоков и его можно делать с меньшим сечением.

Сегодня трёхфазная система электроснабжения осуществляется четырьмя проводами, три из них называются фазными и обозначаются латинскими буквами: на генераторе — А, В и С, у потребителя — L1, L2 и L3. Нулевой провод так и обозначается – 0.

Напряжение между нулевым проводом и любым из фазных проводов называется – фазным и составляет в сетях потребителей – 220 вольт.

Между фазными проводами тоже существует напряжение, причём значительно выше, чем фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет в цепях потребителей 380 вольт. Почему же оно больше фазного? Да всё это из-за сдвига фаз на 120 градусов. Поэтому, если на одном проводе, к примеру, в данный момент времени потенциал равен плюс 200 вольт, то на другом фазном проводе в этот же момент времени потенциал будет минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, то есть оно будет + 200 – (-180)=+380 В.

Возникает вопрос, если по нулевому проводу ток не протекает, то нельзя ли его вообще убрать. Можно. И мы получим трёхпроводную систему электроснабжения. С соединением потребителей так называемым «треугольником» — между фазными проводами. Однако нужно заметить, что при неравномерной нагрузке в сторонах «треугольника» на генератор будут действовать разрушающие его нагрузки, поэтому данную систему можно применять при огромном количестве потребителей, когда неравномерности нагрузок нивелируются. Передача электроэнергии от больших электростанций при высоких фазных и линейных напряжениях (сотни тысяч вольт) так и осуществляются. Почему же применяется такое высокое напряжение. Ответ простой – чтобы уменьшить потери в проводах на нагрев. Так как нагрев проводов (потери энергии) пропорционален квадрату протекающего тока, то желательно чтобы протекающий ток был минимален. Ну а для передачи необходимой мощности при минимальном токе нужно повышать напряжение. Линии электропередач (ЛЭП) так и обозначаются, к примеру, ЛЭП – 500 – это линия электропередачи под напряжением 500 киловольт.

Кстати потери в проводах ЛЭП можно ещё более снизить, применяя передачу постоянного тока высокого напряжения (перестаёт действовать емкостная составляющая потерь, действующая между проводами), проводились даже такие эксперименты, но широкого распространения пока такая система не получила, видимо вследствие большей экономии в проводах при трёхфазной системе генерации.

Выводы: преимущества трёхфазной системы

В заключение статьи подведём итоги, – какие же преимущества даёт трёхфазная система генерации и электроснабжения?

1. Экономия на количестве проводов, необходимых для передачи электроэнергии. Учитывая немалые расстояния (сотни и тысячи километров) и то, что для проводов используют цветные металлы с малым удельным электрическим сопротивлением, экономия получается весьма существенной.
2. Трёхфазные трансформаторы, при равной мощности с однофазными, имеют значительно меньшие размеры магнитопровода. Что позволяет получить существенную экономию.
3. Очень важно, что трёхфазная система передачи электроэнергии создаёт при подключении потребителя к трём фазам как бы вращающееся электромагнитное поле. Опять-таки, вследствие сдвига фаз. Это свойство позволило создать чрезвычайно простые и надёжные трёхфазные электродвигатели, у которых нет коллектора, а ротор, по сути, представляет собой простую «болванку» в подшипниках, к которой не нужно подсоединять никакие провода. (На самом деле конструкция короткозамкнутого ротора имеет свои особенности и вовсе не болванка) Это так называемые трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Очень широко распространённые сегодня в качестве силовых установок. Замечательное свойство таких двигателей – это возможность менять направление вращения ротора на обратное простым переключением двух любых фазных проводов.
4. Возможность получения в трёхфазных сетях двух рабочих напряжений. Другими словами менять мощность электродвигателя или нагревательной установки путём простого переключения питающих проводов.
5. Возможность значительного уменьшения мерцаний и стробоскопического эффекта светильников на люминисцентных лампах путём размещения в светильнике трёх ламп, питающихся от разных фаз.

Благодаря этим преимуществам трёхфазные системы электроснабжения получили широчайшее распространение в мире.