Практически каждый из наc слышал понятия «однофазный» и «трехфазный», но далеко не все представляют себе, чем эти понятия отличаются друг от друга. Сегодня мы выясним, чем однофазное напряжение отличается от трехфазного и в каких сферах предпочтительнее использовать ту или иную схему питания.
Однофазное напряжение
Начнем с одной фазы. Как известно, в наших розетках присутствует переменное напряжение величиной 220 (по новым стандартам 230) В и частотой 50 Гц. Подается оно по двум проводам – фазному и нулевому. Первый находится под напряжением, второй заземлен на подстанции. Логично предположить, что при подключении нагрузки, ток будет течь в направлении от фазного провода к нулевому.
Но это не совсем так. Точнее, совсем не так. Напряжение на фазном проводе сначала поднимается относительно нулевого до величины 220 В, а потом становится ниже на 220 В относительно него же. В этом случае говорят, что напряжение «меняет полярность или потенциал». Получается, что потенциал на фазном проводе сначала выше относительно земли, потом ниже. В результате ток течет сначала в одну сторону, потом в другую. Отсюда и понятие «переменный». А 50 Гц означает, что смена полярности на фазном проводе происходит с частотой 50 раз в секунду.
Важно! На самом деле напряжение на фазном проводе повышается и понижается относительно нулевого провода на величину 311 В. Это так называемое амплитудное или мгновенное значение Um. А 220 В, к которому мы привыкли и которое показывает вольтметр, – это действующее, грубо говоря, усредненное значение (Uд). Ведь напряжение изменяет полярность не мгновенно, а плавно, по синусоиде. Но для понимания процесса это несущественно.
Трехфазное напряжение
Трехфазная сеть состоит из четырех проводов – одного нулевого и трех фазных. Каждая фаза трехфазной сети ведет себя точно так же, как описано выше. Напряжение на фазном проводе плавно изменяет полярность с частотой 50 раз в секунду. Величины напряжения при этом остаются такими же, и действующее напряжение между каждой из фаз и нулевым проводом составляет все те же 220 (230) В.
В чем тогда разница, взять 3 розетки – вот и трехфазная сеть?.. А разница в том, что смена полярности в фазах настоящей трехфазной сети сдвинута во времени одна относительно другой. Если мы возьмем осциллограммы, снятые с трех фаз, и наложим их друг на друга, то получим следующую картину:
Нетрудно заметить, что фазы сдвинуты одна относительно другой на треть периода, то есть идут как бы одна за другой. Если мы возьмем три розетки из одной однофазной сети, то такую картину мы, конечно, не получим.
Есть и еще одна особенность трехфазной сети. Если измерить напряжение между двумя любыми фазами, то мы получим 380 (по новым стандартам 400) В! Происходит это все из-за того же сдвига фаз. Когда на одной фазе напряжение максимальное (310 относительно нуля), на любой другой фазе оно имеет противоположный знак и величину порядка 150 В – это хорошо видно из приведенного выше графика. 310 + 150 = 460 В. Но если внимательно изучить рисунок, то можно найти момент, где разница напряжений между фазами имеет еще большую величину. Максимальная же цифра будет 537 вольт – это мгновенное (амплитудное) значение. А вольтметр нам покажет действующее – 380 В. Эти оба напряжения называются межфазными или линейными.
Интересно! Если мы возьмем ноль и одну из фаз, то получим обычную однофазную сеть с действующим напряжением 220 В, которое называется фазным. Именно так и делают электросети, питая наши квартиры. В дом заводится трехфазная сеть, а квартиры подключаются к нулю и одной из фаз, распределяя нагрузку равномерно по всем трем фазам. Таким образом, из трехфазной сети можно получить три однофазные, но из трех однофазных, взятых из одного источника, никак не сделать трехфазную.
Трехфазная сеть – лучше или хуже?
Для начала рассмотрим финансовую часть вопроса. При использовании однофазной сети мы экономим на кабеле – 2 жилы вместо четырех. Дополнительная экономия на системах защиты. Однофазный автомат, УЗО и другие системы коммутации и защиты стоят много меньше трехфазных собратьев. Кроме того, при однофазном питании существенно упрощается конструкция оборудования – не нужны трехфазные трансформаторы и преобразователи, нагреватели и электродвигатели.
Но все это хорошо, пока потребляемая оборудованием мощность не достигнет определенных границ. При энергопотреблении выше 12 кВт однофазная сеть начинает «буксовать». Потери при передаче энергии, к примеру, по однофазной схеме будут в 6 раз превышать потери трехфазных линий.
Именно поэтому мощные генераторы, трансформаторы и линии электропередач как высоковольтные, так и низковольтные, строятся по трехфазной схеме. Мощные потребители обычно тоже питаются трехфазным напряжением. Это позволяет увеличить КПД и силовые характеристики того же двигателя и устранит так называемый «перекос фаз».
Интересно! Автомобильные генераторы тоже трехфазные. Такой подход позволил существенно уменьшить массогабаритные показатели устройства, сохранив достаточно высокую его мощность.
Жилые дома, как было отмечено выше, тоже питаются по трехфазной линии, хотя потребители получают лишь одну – домовой электрик просто «разбрасывает» квартиры по разным фазам, используя общий ноль. Ну и, конечно, все высоковольтные линии электропередач выполняются по трехфазной схеме.
Вот мы и выяснили, чем отличается однофазная сеть от трехфазной. После прочтения этой статьи, думается, вопросов по этой теме не останется даже у самого неподготовленного в плане электрики посетителя нашего ресурса.