Разбираемся в разнице между фазным и линейным напряжениями

Фазное напряжение и линейное, соединение звездой и треугольником. В разговорах профессиональных электриков можно нередко слышать эти слова. Но даже не всякий электрик знает точное их значение. Так что же означают эти термины? Попробуем разобраться.

На заре развития электротехники энергия электрических генераторов и батарей передавалась потребителям по сетям постоянного тока. В США главным апологетом этой идеи был знаменитый изобретатель Томас Эдисон и крупнейшие на то время энергетические компании, подчиняясь авторитету «гиганта инженерной мысли», беспрекословно внедряли её в жизнь.

Однако, когда встал вопрос о создании разветвлённой электрической сети потребителей, питающейся от расположенного на большом расстоянии генератора, что потребовало создания первой линии электропередачи, победил проект никому тогда неизвестного сербского эмигранта Николы Теслы.

Он кардинально изменил саму идею системы электроснабжения, применив в ней вместо постоянного, генератор и электрические линии переменного тока. что позволило значительно снизить потери энергии, расход материалов и повысить энергоэффективность.

В этой системе использовался созданный Теслой трёхфазный генератор переменного тока, а передача энергии осуществлялась с помощью трансформаторов напряжения, изобретённых русским учёным П. Н. Яблочковым.

Другой русский инженер М. О. Доливо?Добровольский уже через год не только создал подобную систему электроснабжения в России, но и значительно усовершенствовал её.

У Теслы для генерации и передачи энергии использовались шесть проводов, Добровольский предложил путём видоизменения подключения генератора сократить это количество до четырех.

Экспериментируя над созданием генератора, он попутно изобрёл асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, находящий и поныне самое широкое применение в промышленности.

Содержание

1 Что такое фаза: определяемся в значении
2 Разберёмся что такое фазное напряжение
3 Что такое линейное напряжение сети
4 Каково основное отличие этих напряжений

Что такое фаза: определяемся в значении

Понятие фазы существует только в цепях синусоидального переменного тока. Математически такой ток можно представить и описать уравнениями вращающегося вектора, закреплённого одним концом в начале координат. Изменение величины напряжения цепи с течением времени будет представлять собой проекция этого вектора на ось координат.

Значение этой величины зависит от угла, под которым находится вектор к координатной оси. Строго говоря, угол вектора — это и есть фаза.

Значение напряжения измеряется относительно потенциала Земли, всегда равного нулю. Поэтому провод, в котором существует напряжение переменного тока, называют фазным, а другой, заземлённый, — нулевым.

Фазовый угол одиночного вектора не представляет большого практического значения — в электрических сетях он за 1/50 сек совершает полный оборот в 360°. Куда большее применение имеет относительный угол между двумя векторами.

В цепях с так называемыми реактивными элементами: катушками, конденсаторами, он образуется между векторами значений напряжения и тока. Такой угол называют фазовым сдвигом.

Если величины реактивных нагрузок не меняются во времени, то и фазовый сдвиг между током и напряжением будет постоянным. А уже с его помощью можно производить анализ и расчёт электрических цепей.

В XIX веке, когда ещё не было научной теории электричества, и все разработки нового оборудования осуществлялись опытным путем, экспериментаторы заметили, что виток провода, вращающийся в постоянном магнитном поле, создаёт на своих концах электрическое напряжение.

Затем выяснилось, что оно изменяется по синусоидальному закону. Если намотать катушку из многих витков, напряжение пропорционально увеличится. Так появились первые электрические генераторы, которые могли обеспечивать потребителей электрической энергией.

Тесла в генераторе, разрабатываемом для крупнейшей тогда в США Ниагарской гидроэлектростанции, для более эффективного использования магнитного поля, разместил в нем не одну катушку, а три.

За один оборот ротора магнитное поле статора пересекали сразу три катушки благодаря чему отдача генератора увеличилась в корень из трёх раз и от него можно было запитать одновременно трёх различных потребителей.

Экспериментируя с такими генераторами, первые инженеры?электрики заметили, что напряжения в обмотках изменяются не одновременно. Когда, например, в одной из них оно достигает положительного максимума, в двух других оно будет равным половине отрицательного минимума и так периодически для каждой обмотки, а для математического описания такой системы уже нужна была система трёх вращающихся векторов с относительным углом между ними в 120°.

В дальнейшем оказалось, что если нагрузки в цепях обмоток сильно отличались друг от друга, это значительно ухудшало работу самого генератора. Выяснилось, что в больших разветвлённых сетях выгоднее не тащить к потребителям три различных линии электропередач, а подвести к ним одну трёхфазную и уже на конце её обеспечивать равномерное распределение нагрузок по каждой фазе.

Именно такую схему и предложил Доливо?Добровольский, когда по одному выводу от каждой из трёх обмоток генератора соединяются вместе и заземляются, вследствие чего их потенциал становится одинаковым и равным нулю, а электрические напряжения снимаются с других трёх выводов обмоток.

Эта схема получила наименование «соединения звездой». Она и поныне является основной схемой организации трёхфазных электрических сетей.

Разберёмся что такое фазное напряжение

Для создания таких сетей требуется провести от генератора к потребителям линию электропередачи, состоящую из трёх проводов фазных и одного нулевого. Конечно, в реальных сетях для уменьшения потерь в проводах на обоих концах линий подключаются ещё и повышающие и понижающие трансформаторы, но реальной картины работы сети это не меняет.

Нулевой провод нужен, чтобы зафиксировать передать к потребителю потенциал общего вывода генератора, ведь именно по отношению к нему создаётся напряжение в каждом фазном проводе.

Таким образом, фазное напряжение образуется и измеряется относительно общей точки соединения обмоток — нулевого провода. В хорошо сбалансированной по нагрузкам трёхфазной сети через нулевой провод течет минимальный ток.

На выходе трёхфазной линии электропередачи имеются три фазных провода: L1, L2, L3 и один нулевой — N. По существующим евростандартам они должны иметь цветовые обозначения:

L1 — коричневый;
L2 — чёрный;
L3 — серый;
N — синий;
Жёлто?зелёный для защитного заземления.

Такие линии подводятся к большим серьёзным потребителям: предприятиям, городским микрорайонам и т. п. Но маломощным конечным потребителям, как правило, не нужны три источника напряжения, поэтому они подключаются к однофазным сетям, где имеется только один фазный и один нулевой провод.

Равномерным распределением нагрузок в каждой из трёх однофазных линий обеспечивается баланс фаз в трёхфазной системе электроснабжения.

Таким образом, для организации однофазных сетей используется напряжение одного из фазных проводов относительно нулевого. Такое напряжение и называется фазным.
По принятому в большинстве стран стандарту для конечных потребителей оно должно составлять 220 В. На него рассчитывается и выпускается практически все бытовое электрооборудование. В США и некоторых странах Латинской Америки для однофазных сетей принято стандартное напряжение 127 В, а кое?где и 110 В.

Что такое линейное напряжение сети

Преимущества однофазной сети в том, что один из проводов имеет потенциал, близкий к потенциалу Земли.

Это, во?первых, помогает обеспечивать электробезопасность оборудования, когда риск поражения электротоком представляет только один, фазный провод.

Во?вторых, такая схема удобна для разводки сетей, расчета и понимания их работы, проведения измерений. Так, для нахождения фазного провода не нужны специальные измерительные приборы, достаточно иметь индикаторную отвёртку.

Но от трёхфазных сетей можно получить и ещё одно напряжение, если подключить нагрузку между двумя фазными проводами. Оно будет по значению выше фазного напряжения, потому что будет представлять собой проекцию на координатную ось не одного вектора, а двух, расположенных под углом в 120° друг к другу.

Этот «довесок» и будет давать прирост примерно в 73%, или v3–1. По существующему стандарту линейное напряжение в трёхфазной сети должно быть равно 380 В.

Каково основное отличие этих напряжений

Если к такой сети подключить соответствующую нагрузку, например, трёхфазный электродвигатель, он будет давать механическую мощность, значительно большую, чем однофазный такого же размера и веса. Но подключить трёхфазную нагрузку можно двумя способами. Один, как уже было сказано — «звезда».

Если же начальные выводы всех трёх обмоток генератора или линейного трансформатора не соединять вместе, а подключить каждый из них к конечному выводу следующей, создав из обмоток последовательную цепочку, такое соединение называется «треугольником».

Особенность его в отсутствии нулевого провода, и для подключения к таким сетям нужно соответствующее трёхфазное оборудование, у которого нагрузки также соединены «треугольником».

При таком соединении в нагрузке действуют только линейные напряжения 380 В. Один пример: электродвигатель, включённый в трёхфазную сеть по схеме «звезда», при токе в обмотках 3,3 А будет развивать мощность 2190 Вт.

Тот же двигатель, включенный «треугольником», будет в корень из трёх раз мощнее — 5570 Вт за счёт увеличения тока до 10 А.

Получается, что, имея трёхфазную сеть и такой же электродвигатель, мы можем получить значительно больший выигрыш по мощности, чем при использовании однофазных, а просто изменив схему подключения, мы увеличим выходную мощность двигателя ещё втрое. Правда, его обмотки также должны быть рассчитаны на повышенный ток.

Таким образом, основное отличие между двумя видами напряжений в сетях переменного тока, как мы выяснили, — это величина линейного напряжения, которая в 3 раза больше фазного. За величину фазного напряжения принимается абсолютное значение разности потенциалов фазного провода и Земли. Линейное же напряжение — это относительная величина разности потенциалов между двумя фазными проводами.

Ну и в завершении статьи два видео о соединении звездой и треугольником, для тех кто хочет разобраться подробнее.