Разница между трехфазным и однофазным током, мощность переменного тока в трехфазной цепи

Как правило, в многоквартирные дома подается трехфазный переменный ток. Это связано с тем, что подключено большое количество однофазных потребителей. В этом случае можно равномерно нагрузить каждую фазу цепи трансформаторной подстанции. Это предотвращает колебания междуфазного и фазного напряжения.

Трехфазный ток

В бытовых электрических сетях в основном используется одна фаза и нейтральный проводник. Этого достаточно для работы бытовых приборов, освещения и отопления. Трехфазный ток используется в производственных процессах. Потребители, системы шин, распределительные устройства, счетчики и целые электрические цепи настроены на работу в сетях трехфазного тока.

Трехфазный ток

Трехфазное питание также имеет несколько раздражающих моментов, которые необходимо учитывать перед подключением:

Каждый дом или квартира подключаются к местной электросети до ввода в эксплуатацию. Эта сеть может быть однофазной или трехфазной. При однофазном подключении дом подключается к двум проводам, фазе и нейтрали, между которыми находится напряжение 220 вольт. Трехфазная сеть характеризуется наличием четырех проводов: три фазы и нейтральный провод. Напряжение между каждой фазой и нейтралью составляет 220 В, а между самими фазами – 380 В (как показано на рисунке).

Трехфазная сеть в доме: есть ли в ней смысл?

Для измерения электроэнергии в такой сети местный дистрибьютор электроэнергии должен установить трехфазный счетчик. Типичным примером такого измерителя является INCOTEX Mercury 231 AM-01, предназначенный для измерения активной энергии.

Такие системы в основном используются в промышленных энергоустановках. Ротор вращается на 360 градусов, а сдвиг фаз составляет 120 градусов. Этого достаточно, чтобы разогнать якорь до необходимой скорости и получить от двигателя требуемую мощность. Увеличение количества фаз приведет только к увеличению стоимости самой установки, так как потребуются дополнительные катушки и дополнительная проводка.

Почему необходим трехфазный ток

Однофазный и трехфазный переменный ток широко используются в промышленности и быту. Однако в последнее время все больше потребителей решают отказаться от первого варианта и склоняются ко второму.

И дело даже не в увеличении мощности и включении большего количества электроприборов. Иногда разница между нагрузками даже не заметна, а при определенных параметрах сети входная мощность для обеих схем может быть одинаковой.

Основными потребителями являются трехфазные электроприборы. В эту группу входят:

  • асинхронные электроприводы;
  • системы отопления;
  • Промышленное оборудование.

Наиболее распространенным потребителем трехфазного тока является асинхронный двигатель. Именно в этой сети они работают лучше всего, с высокой эффективностью и относительно низким потреблением энергии.

Асинхронный двигатель

Кроме того, приводы, нагреватели, бойлеры, электроплиты и обогреватели не искажают фазы. Для чувствительных устройств такое смещение является очень деликатным вопросом.

Внимание! В реальности невозможно обеспечить равномерную нагрузку на все три фазы. В результате напряжение всегда будет неравномерным.

Поскольку в помещении есть еще несколько нагрузок, необходима дополнительная система, чтобы равномерно распределить нагрузку на все нагрузки. Для этого требуется трехфазная цепь. Нагрузка трехфазного тока подключается к цепи, имеющей наименьшее количество потребителей.

Схема подключения трехфазного тока

Однако распределительные системы для цепей трехфазного тока очень громоздки и занимают много места. Она требует дополнительных цепей защиты, поскольку напряжение в таких сетях составляет 380 В. В случае короткого замыкания ток будет во много раз выше, чем при нашем обычном напряжении 220 В.

В линиях до 1000 вольт используется нейтральный или нулевой провод, что помогает использовать трехфазную систему для питания устройств с фазным или линейным напряжением. Уличные линии электропередачи обычно имеют напряжение 0,4кВ (сети 220В и 380В – 0,22кВ и 0,38кВ соответственно).

Необходимость трехфазного подключения

В однофазных сетях Часто однофазная сеть перегружена из-за использования машин большой мощности.И в современном доме их становится все больше и больше. В результате подключенное оборудование выходит из строя, создавая аварийную ситуацию, которая может стать причиной пожара.

На входе в дом всегда имеется три фазы, которые расположены в нулевой фазе. Пары питают равные группы нагрузок. Если на один жилой дом приходится 15 кВт мощности, то на одну группу – максимум 5 кВт. Если это правило не соблюдается, то при перегрузке линии сработают автоматические выключатели.

Приборы, требующие подключения к трехфазной сети:

  • Электрический котел в большом доме может потреблять около 9 кВт;
  • водяной насос, работающий на глубоком колодце;
  • мощная электрическая плита для сауны (от 5 кВт);
  • электрическая плита, духовка;
  • оборудование для частной мастерской на дому, например, фрезерный станок, токарный станок, циркулярная пила, сварочный аппарат и ударный молоток.

Эти приборы можно найти с подключением к сети 220 В, но 380 В – более надежный, мощный, экономичный. Современные бытовые приборы могут быть адаптированы к напряжению 380 В, например, мотор в воротах гаража или въезде на задний двор.

Три фазы требуются, если на объекте установлены трехфазные двигатели, не рассчитанные на однофазную работу. Или же он необходим при одновременном использовании нескольких электроприборов, например, в домашнем хозяйстве или на частном производстве.

Для каждого частного здания предусмотрена трехфазная линия, и пользователь может использовать ее или нет по своему усмотрению.

В простых терминах мы попытаемся дать базовое понимание этого вопроса. Для этого давайте обратимся к аналогии. Начнем с самого простого – протекания постоянного тока в проводниках. Это можно сравнить с потоком воды в природе. Вода, как мы знаем, всегда течет от более высокой точки на поверхности к более низкой. Он всегда выбирает самый экономичный (самый короткий) маршрут. Аналогия с течением тока полная. Количество воды, протекающей в единицу времени через данный участок водотока, будет аналогично силе тока в электрической цепи. Высота любой точки в русле реки относительно нулевой точки – уровня моря – будет соответствовать электрическому потенциалу любой точки в цепи. И разница в высоте любых двух точек в реке будет соответствовать напряжению между этими двумя точками в цепи.

Откуда вообще взялась концепция переменного тока?

Да, с тех пор, как человечество узнало, что движение магнита вблизи проводника создает электрический ток в проводнике. Если магнит поместить рядом с проводником и не перемещать его, в проводнике не возникнет ток. Далее мы хотим получить (сгенерировать) ток в проводнике, чтобы впоследствии использовать его для каких-то целей. Для этого мы создаем катушку из медной проволоки и начинаем перемещать рядом с ней магнит. Вы можете перемещать магнит возле катушки как угодно – двигая его вперед-назад по прямой линии – но чтобы не перемещать магнит вручную, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать вращать его возле катушки, как вращение бутылки с водой из предыдущего примера. Таким образом – по техническим причинам – мы получили синусоидальный переменный ток, который сегодня используется повсеместно. Синусоида – это растянутое во времени описание вращательного движения.

Позже выяснилось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от законов протекания постоянного тока. Например, для постоянного тока сопротивление катушки – это просто омическое сопротивление проводов. Однако в случае переменного тока сопротивление витков проводников значительно возрастает из-за появления так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток не протекает через заряженный конденсатор; для него конденсатор является разрывом в цепи. А переменный ток может свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее было установлено, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток других напряжений или токов. Постоянный ток не может быть преобразован таким образом, и если мы подключим любой трансформатор к сети постоянного тока (чего делать нельзя), он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет противостоять только омическое сопротивление провода, которое максимально мало, и через первичную обмотку будет протекать большой ток в режиме короткого замыкания.

Следует также помнить, что электродвигатели могут питаться как постоянным, так и переменным током. Разница между ними заключается в том, что двигатели постоянного тока более сложны в изготовлении, но позволяют плавно изменять скорость с помощью обычного регулятора тока. С другой стороны, двигатели переменного тока намного проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной расчетной скоростью. Поэтому оба варианта широко используются на практике. В зависимости от применения. Двигатели постоянного тока используются для управления и регулирования, а двигатели переменного тока – для приведения в движение.

Тогда создатель конструкции генератора подумал примерно следующее – поскольку для выработки тока удобнее всего использовать вращение магнита рядом с катушкой, почему бы не разместить несколько катушек вокруг вращающегося магнита вместо одной генераторной катушки (благо места вокруг предостаточно)?

Это было бы похоже на то, как если бы от одного вращающегося магнита работало несколько осцилляторов. Переменный ток в катушках будет иметь разную фазу – максимум тока в последующих катушках будет немного запаздывать по сравнению с предыдущими. Это означает, что текущие синусоиды, если их представить графически, будут как бы сдвинуты между собой. Это важное свойство – сдвиг фазы, которое мы обсудим ниже.

(Количество катушек (фаз) может быть любым, но для получения всех преимуществ многофазной системы выработки электроэнергии достаточно минимум трех).

Впоследствии русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трех- и четырехпроводную систему передачи трехфазного переменного тока. Он предложил подключить один конец всех трех обмоток генератора к одной точке и передавать электричество всего по четырем проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах значительна). Оказалось, что когда каждая фаза симметрично нагружена (с одинаковым сопротивлением), ток в этом общем проводе равен нулю. Потому что если сложить (алгебраически, с учетом знаков) токи, сдвинутые по фазе на 120 градусов, то они аннигилируют друг с другом. Этот общий проводник называется нейтральным проводником. Поскольку ток в нем возникает только при неравномерной нагрузке фаз и численно мал, гораздо меньше фазных токов, то в качестве нейтрального проводника можно было использовать меньшую площадь поперечного сечения, чем для фазных проводников.

По той же причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы гораздо менее материалоемки, поскольку магнитные потоки в магнитопроводах трансформатора взаимно поглощаются и могут быть выполнены с меньшим сечением.

В настоящее время трехфазная энергосистема основана на четырех проводниках, три из которых называются фазными и обозначаются латинскими буквами: A, B и C на генераторе и L1, L2 и L3 на нагрузке. Нейтральный проводник называется 0.

Напряжение между нейтральным проводом и любым из фазных проводов называется -фазным и составляет 220 вольт в потребительских сетях.

Между фазными проводами также имеется напряжение, значительно превышающее фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет 380 вольт в потребительских цепях. Почему оно выше, чем фазное напряжение? Это связано со сдвигом фазы на 120 градусов. Поэтому, если один фазный провод, например, имеет потенциал плюс 200 вольт в определенное время, то на другом фазном проводе в это же время будет потенциал минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, поэтому оно будет +200 – (-180)=+380 В.

Возникает вопрос: если по нейтральному проводнику не течет ток, нельзя ли его полностью удалить. Мы можем. А у нас трехпроводная система электроснабжения. При этом нагрузки соединяются в так называемый треугольник – между фазными проводами. Однако следует отметить, что неравные нагрузки на сторонах треугольника будут оказывать вредное воздействие на генератор, поэтому такое расположение может использоваться при большом количестве нагрузок, когда неравные нагрузки сбалансированы. Так осуществляется передача электроэнергии от крупных электростанций при высоком фазном и линейном напряжении (сотни тысяч вольт). Так почему же используются такие высокие напряжения. Ответ прост – уменьшить потери тепла в проводниках. Поскольку нагрев проводников (потеря энергии) пропорционален квадрату силы тока, желательно, чтобы сила тока была минимальной. Так вот, чтобы передать необходимую мощность при минимальном токе, необходимо увеличить напряжение. Так называются линии электропередачи (ЛЭП), например, ЛЭП-500 – это линия электропередачи напряжением 500 киловольт.

Кстати, потери в проводах ЛЭП можно еще больше снизить, используя высоковольтную передачу постоянного тока (перестает действовать емкостная составляющая потерь между проводниками), даже проводились такие эксперименты, но такая система пока не получила широкого распространения, видимо, из-за большей экономии проводников в трехфазной системе генерации.

При трехфазной проводке переменный ток уже подается через три фазных проводника (L1, L2 и L3) и возвращается через нейтральный проводник (N). Также присутствует заземляющий проводник (PE). Напряжение между каждой фазой и нейтральным проводом составляет 220 В, а 380 В проходит между самими фазами.

Выход

Оба типа электросети безопасны только при соблюдении всех необходимых требований при монтаже.

В целом, в частном секторе пользователь может выбрать, какой тип электросети ему больше подходит. Но есть главный определяющий фактор – максимально допустимая мощность, которая указана в технических условиях на подключение дома к электросети. Например, если СНТ имеет ограничение мощности в 5 кВт (от самого СНТ или от электросети), то регулируется только одна фаза. Обычно это делается для того, чтобы легче было разделить все дома в ТСЖ на 3 фазы (например, при 300 участках каждая фаза делится на 100 домов), точно зная, что ни один из этих домов не сможет потреблять более 5 кВт и перегрузить любую из фаз, вызвав перегрузку.

Трехфазная сеть позволяет использовать три фазы, но с мощностью 5 кВт каждая, что втрое увеличивает мощность (всего 15 кВт), и, опять же, каждая фаза остается ограниченной не более чем 5 кВт, предотвращая перегрузку каждого конкретного дома.

Принимая во внимание все преимущества и недостатки трехфазной системы, ее следует устанавливать в доме только в том случае, если вы планируете подключить

  • большое количество однофазных нагрузок;
  • Трехфазные нагрузки (например, нагревательный прибор или плита);
  • Трехфазные электроинструменты (например, для организации мастерской в доме).

Что касается электрической защиты, то как для трехфазных, так и для однофазных сетей многие пользователи устанавливают стабилизаторы напряжения для защиты нагрузки от нестабильного сетевого напряжения. Это особенно актуально для частных домов, коттеджей и загородных домов, в которых часто используется некачественное сетевое напряжение. Стабилизатор напряжения становится таким же незаменимым компонентом бытовой электроустановки, как сетевой выключатель, УЗО или счетчик электроэнергии.

Читайте далее:
Сохранить статью?