Трёхфазная система переменного тока оказалась наиболее выгодной и удобной для передачи и использования электроэнергии, потому что:
- Позволяет получать вращающееся магнитное поле для работы электродвигателей.
- Экономически выгодная. Для получения того же вращающегося магнитного поля в многофазных системах, где больше трёх фаз – нужно прокладывать больше проводников для передачи энергии, а двухфазные системы не дают вращающегося магнитного поля. То есть 3 фазы – это золотая середина.
- Кроме того, трёхфазная система позволяет получать два разных по величине напряжения без использования преобразователей и трансформаторов. Об этом в сегодняшней статье и пойдёт речь.
Какие напряжения в трёхфазной сети
Независимо от того однофазный ввод или трёхфазный – все дома и квартиры получают питание из одной и той же трёхфазной электросети с напряжением 220/380В, вернее, 230/400В, но сути дела это не меняет.
При однофазном вводе в квартиру или дом от питающей линии заводят фазу и ноль, а при трёхфазном – три фазы и ноль. Ниже вы видите пример схемы подключения однофазных потребителей к трёхфазной сети.
Если подключается трёхфазный потребитель с номинальным напряжением 380В, например, электродвигатель или трансформатор, у которого обмотки соединены звездой, то подключают 3 фазных провода без нулевого. В этом случае нулевой провод можно не подключать, потому что через него не будет протекать ток, но это допустимо только для симметричной нагрузки. При подключении несимметричных трёхфазных потребителей – дома и квартиры, или отдельные приборы в них, как котлы или электроплиты – подключение нулевого провода обязательно!
Но как же так получается, что в одной электросети и 380В и 220В?
При соединении обмоток источника питания звездой , неважно генератора или трансформатора, между фазными проводниками напряжение будет 380В, а между фазным и нулевым 220В.Напряжение между фазными проводниками называется линейным (Uл), а напряжение между фазным и нулевым проводником – фазным (Uф).
Почему при соединении звездой получается 2 напряжения
Давайте разберёмся почему между фазой и нулём 220, а между двумя фазами не 440 вольт (220+220), а 380. Для этого нужно обратиться к векторным диаграммам. Если изобразить три фазы в виде векторов, то мы получим три вектора исходящие из одной точки, отклонённые друг от друга на 120°, другими словами – трёхлучевую звезду.
Изобразим эти векторы в масштабе 1:10, то есть 1 миллиметр на диаграмме равен 10 вольтам. Каждая клетка на иллюстрации занимает 1х1 мм (на вашем экране, скорее всего, будет отображаться в другом размере, примите это как условность). На диаграмме А) изображены векторы трёх напряжений, фаз A , B и C жёлтым, зелёным и, длина каждого вектора 22 мм или 220В.
Чтобы найти напряжение между фазами, нужно соединить концы векторов каждой из фаз. Так добавим на диаграмме Б) векторы линейных напряжений Uaв, Uвс и Ucа соединив конец вектора Ua с концом вектора Uв, затем Uв с Uс, затем Uа с Uс соответственно.
Рассмотрим отдельно 2 напряжения, например, фаз А и С и линейное напряжение между ними (диаграмма В), и уберём ненужное (диаграмма Г).
Векторы напряжений фаз A (жёлтый) и В (зелёный) мы начертили по 22 мм, теперь измерим длину вектора линейного напряжения ( Uав), и получим 38,1 мм. Масштаб у нас был 1:10, значит, если перевести в вольты, то получим 220 и 381 вольт соответственно. Предлагаю самостоятельно начертить это и проверить сказанное.
Аналогичные значения мы получим, если вспомним школьную геометрию и вычислим длину стороны Uab, треугольника UаUвUab , через длины известных сторон и угол между ними. Формула для этого выглядит так:
В электротехнике такие расчёты обычно не используются, да и треугольник у нас равнобедренный, поэтому можно найти неизвестную сторону проще:
Косинус В – это косинус угла между вектором фазного напряжения Ua или U в и вектором линейного напряжения Uав, и равен этот угол 30° (180°-120°=2х30°).
То есть в схеме звезды линейное напряжение всегда больше фазного на корень из 3 раз или просто в 1.73 раза. Собственно эту формулу и используют в электротехнических расчётах. Если пересчитать по этому соотношению, то получим такой же результат как в прошлый раз:
Можете попробовать пересчитать всё это самостоятельно, только если будете умножать 220В на 1.73, то получите 380,6 вольт, небольшая разница обусловлена округлением.
Но не всегда в трёхфазной системе есть два напряжения. Если источник питания соединён по схеме треугольника, то его линейные и фазные напряжения равны. Такое встречается в специфичных схемах питания либо на линиях электропередач напряжением 6-10 кВ.
Можно представить трёхфазное напряжение не в виде векторов, а как три синусоиды сдвинутых на 120 градусов друг относительно друга на графике. Так как действующее значение фазного напряжения 220 вольт, то амплитуда каждой из синусоид будет в 1.41 раза больше (корень из двух) и равна 310 вольтам.
Фазы A , B и C изображены жёлтой, зелёной и красной синусоидой соответственно. Напряжение отложено по вертикальной оси, а по горизонтальной – время.
Если измерять напряжение между фазами (на рисунке выше между зелёной и жёлтой синусоидой), то в точке, где будет наибольшее расстояние между ними, мы увидим число около 540 вольт – это амплитудное значение, вычислив действующее, получим: 540/1,41=383 вольта, что очень близко к нашим линейным 380.
Таким образом, мы рассмотрели два представления трёхфазного напряжения – в виде векторной диаграммы и в виде временной диаграммы (графика), и наглядно увидели как соотносятся фазы в трёхфазной сети и откуда в ней два напряжения.
Повторюсь, что при соединении обмоток источника питания треугольником у нас будет одно напряжение, там просто нет общей точки соединения обмоток и неоткуда брать нулевой проводник.
Что у нас на практике
Как получается два напряжения в трёхфазной сети мы разобрались, теперь давайте разберёмся, как это используется на практике.
В быту большая часть электроприборов питается однофазным напряжением. Напряжение в электросети стандартизировано — 230В с частотой 50 Гц, и вся бытовая техника рассчитана на питание именно этим напряжением. Если прибору необходимо пониженное напряжение, например, 5, 12, 19, 36 вольт или любая другая величина, то у него есть либо встроенный, либо выносной блок питания, который, собственно, и формирует нужное напряжение.
При необходимости подключения мощных приборов, например, электрических котлов и плит, сварочного оборудования, станков и прочего возникает проблема — большой ток. Например, обычная розетка рассчитана на ток до 16А, который длительно может проводить кабель с сечением токопроводящих жил 2.5 мм², через неё можно запитать приборы мощностью до 3.5 кВт.
Поэтому мощные приборы зачастую подключают отдельной линией напрямую к автоматическому выключателю или через силовые розетки на 32А. Но для такого тока нужно использовать кабель с сечением токопроводящих жил уже 6 мм² и более. При этом максимальная нагрузка в такой линии — 7 кВт.
При подключении нагрузки на линейное напряжение, то есть к двум проводам питающей сети между которыми 380В и потребляемом токе в те же 32А, мощность подключаемой нагрузки будет уже около 12 кВт. То есть кабель с таким же сечением жил сможет питать почти в 2 раза более мощную нагрузку. А у трёхфазного прибора при том же токе в 32А мощность будет уже 21 кВт.
И учтите, что для его подключения не понадобится прокладывать ЛЭП с более толстыми проводами, не придётся прокладывать от распределительного щита питающих кабелей с толстыми жилами и так далее... Тогда как в однофазной цепи прибор мощностью в 21 кВт будет потреблять ток около 95А, а для его питания нужно будет использовать кабель с жилами на 25 мм² против 6-8 мм² и 32А в трёхфазной цепи.
Для снижения питающего тока мощные электроприборы производят трёхфазными. Но не всегда прибор, рассчитанный на 380В, трёхфазный. Есть однофазные потребители с номинальным напряжением 380В, например, сварочные трансформаторы типа ТСМ-250 и другие подобные.
Из характеристик мы видим, что напряжение питающей сети 1х380. То есть его первичная обмотка подключается к двум фазам. Любопытно что многие называют подобные трансформаторы «двухфазными», но это в корне неверно. На первичную обмотку действует одна ЭДС, так же, как и в любом другом однофазном приборе.
Ничего выдающегося здесь нет, и такое напряжение первичной обмотки выбрано с той же целью – снизить ток питания, что позволит намотать обмотку проводом меньшего сечения и использовать кабели с меньшим сечением ТПЖ для подключения к сети.
Если бы он был рассчитан на питание от 220В, то в режиме максимальной нагрузки ток потребления составил бы 16 000/220 = 72А, а при питании от 380В ток будет не более: 16 000/380 = 42А.
Таким образом, наличие двух напряжений в трёхфазной сети позволяет подключать электрооборудование любой мощности и различной конфигурации. Что, безусловно, повышает гибкость и удобство использования этой системы питания.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.
