Фазное напряжение

Фазное напряжение – это разница потенциалов между фазным проводом и нейтралью.

Общая информация

Векторные диаграммы

В современных сетях доминируют трёхфазные напряжения. Под фазой понимается электрический сигнал синусоидальной формы. Он описывается на векторной диаграмме вращающимся отрезком. Векторные диаграммы строят для упрощения описания многих процессов. К примеру, напряжение на конденсаторе отстаёт от тока, но человеческому разуму сложно воспринять указанный факт. На диаграмме картина получается наглядной. Векторы становятся неотъемлемой частью электрических расчётов, когда сеть становится сложнее.

Чтобы понять термин фазное напряжение, полагается представлять, как строятся диаграммы. Синусоида обозначается на ней вращающимся против часовой стрелки отрезком. Частота совпадает с присутствующей в сети, но в расчётах часто применяется иной параметр. Формулы часто содержат известное число Пи. Однажды Хэвисайд пытался создать рационализованную систему измерений, исключив упомянутый недостаток. Но убирая число Пи из одних формул, он неизменно видел его в прочих, что считается фундаментальным следствием потенциальных полей, к которым относится и электрическое.

Хэвисайд не добился успеха, современные физики применяют другую хитрость, чтобы избавиться от ненужных повторов. Введённое понятие круговой частоты постоянно применяется в технике. Численно величина равна произведению удвоенного числа Пи на частоту сети, выраженную в Гц. Круговой названа за сходство с формулой по вычислению длины окружности. Иных толкований термина не встречается.

Иногда круговая частота называется циклической и численно равна угловой скорости вращения ротора генератора. На графике синусоида строится по круговой частоте. В противном случае не удалось бы согласовать вращение вектора столь простым образом. 2 Пи – период школьной синусоиды, знакомой с юных лет. Чтобы не ломать график, приходится добавлять множитель. В противном случае моменты прохождения синусоиды через нуль не совпадают с векторной диаграммой.

Параметры векторных диаграмм

Любой синусоидальный процесс на векторной диаграмме представлен вращающимся отрезком, имеющим длину и некую фазу. Первое на физическом плане обозначает амплитуду (напряжения, тока), второе – положение в полярных координатах. При одной частоте векторы вращаются синхронно, но на реактивных элементах происходит сдвиг. Ёмкостное сопротивление обусловливает опережение тока относительно напряжения на 90 градусов. Физически пустой конденсатор начинает быстро заряжаться, процесс постепенно затухает. В итоге напряжение с запозданием достигает полного значения.

На индуктивности ток всегда отстаёт, не способный набрать полного значения в силу наличия потокосцепления между витками. Напряжение изменяется скачком, а ток постепенно доходит до нужного значения. В промышленных сетях получается, что один параметр уже падает, а второй ещё не достиг пика. Это называется сдвигом фаз, описывающим реактивную мощность сети. Это негативный эффект, для его устранения индуктивные и ёмкостные составляющие стараются взаимно скомпенсировать. Параллельно работающим двигателям включаются блоки конденсаторов.

Векторные диаграммы используются для расчёта сложных процессов, происходящих в цепи. К примеру, наличие трансформатора на подстанции однозначно обусловливает наличие реактивной составляющей. Ток здесь неизменно отстаёт от фазного напряжения. Зато сопротивление передающей линии ёмкостное, происходит компенсация. Настолько сильная, что для борьбы с негативным эффектом приходится ставить реакторы – индуктивные сопротивления высокого класса напряжения. Получается неразумная и нерентабельная конструкция, но приходится мириться.

Постоянный ток векторными диаграммами не анализируют. В его цепях реактивные сопротивления не вызывают сдвига фаз. Процесс происходит на конденсаторах, носит кратковременный характер. По указанной причине постоянный ток рекомендован для передачи на большие расстояния. Исчезают потери на излучение, снижается коронный эффект. Как результат, возможно передавать больше и качественнее. Потребуется построить преобразователи на подстанции у потребителя, но уже просчитано, что ситуация экономически целесообразна.

Стандартизация параметров переменного напряжения

Фазное напряжение представляет синусоиду на графике и вращающийся вектор на диаграмме. В идеальном случае. В действительности параметры сети нормируются по ГОСТ 13109, где указаны требования к показателям. Руководствоваться документацией сейчас нужно с осторожностью, по указу правительства страна перешла на фазное напряжение 230 В. Теперь в сети нет 380 В, вместо них – 410 В. Лампочки накала, изготовленные на 220 В, служат меньше в таких условиях. Изменения закреплены в ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038-2009).

Проще продемонстрировать фазное напряжение на обычных сетях 220 В. Разница потенциалов между проводами – искомая величина. Фазное напряжение измеряется между линией и схемной землёй. Так дело обстоит в обычной квартире, но на производстве иначе. Там каждая фаза рассматривается в совокупности с прочими. Нейтраль порой отсутствует. Тогда напряжение между фазами называют линейным. Фазное вводится для распознавания типа сети (наличие нейтрали).

Новый ГОСТ 29322 вводит понятие сетей 60 Гц. Фаз предусмотрено две или три. Тогда указываются две цифры. К примеру, 230/400 или 120/240. Легко заметить, что отношения между цифрами в каждой паре разные. Фазные напряжения указаны на первом месте, линейные – через дробь. Это помогает уточнить топологию. Сети по структуре неодинаковы, фазное напряжение позволяет судить об этом точно.

Если указана пара 230/400 В, электрик сразу видит, что отношение цифр равняется корню из трёх. Значит, система трёхфазная. Тогда ищут дополнительные сведения – изолированная нейтраль либо глухозаземлённая. Что касается цифр 120/240, уточнив частоту (60 Гц), возможно с определённостью сказать, что это однофазная сеть с топологией из трёх проводов. Фазы подаются через трансформатор (допустим) с нейтралью в общей точке. Подобная схема применялась в довоенной Германии и кое-где используется поныне. В последнем случае применяются при необходимости двухполюсные автоматы.

В связи со сказанным заметим, что номинал напряжения поменялся, но ГОСТ 13109 не учёл пока означенного факта. Там обсуждается устаревшее ныне значение 380 В. Впрочем, параметрами допустимо руководствоваться для определённых случаев. ГОСТ 13109 числится как действующий, параллельно введён дополнительный документ – ГОСТ Р 54149. Документ нормирует допуски, как:

1. Отклонение амплитуды напряжения – 5 – 10% в каждую сторону в зависимости от отдельно взятого случая.
2. Колебания напряжения.
3. Несинусоидальность.
4. Несимметрия (для многофазных цепей).
5. Отклонение частоты от 0,2 до 0,4 Гц и пр.

Легко заметить, что самые жёсткие требования предъявляются к частоте. Это важнейший параметр фазного напряжения. Новый ГОСТ Р 54149 вводит понятия асинхронных систем передачи энергии, где требования к частоте заметно мягче. Допускаются отклонения частоты в 1 Гц в 95% времени. В течение оставшихся 5% допускается отклонение по 5 Гц в каждую сторону.

Указанные значения, видимо, связаны с линиями передач, потому что сегодня редко встречается оборудование, неспособное противостоять скачкам по частоте. К примеру, большая часть двигателей управляется напряжением. С ростом переменой частоты негативно изменяется реактивное сопротивление сети. Точнее – увеличивается его индуктивная составляющая и уменьшается ёмкостная, усугубляя обстановку. Индуктивную часть и так стремятся компенсировать включением блоков конденсаторов для снижения реактивной мощности.

Понижение частоты смотрится более выгодным – дисбаланс уменьшается. Но это ухудшает передачу напряжения через трансформаторы, вдобавок поля – на обмотках двигателя. Возможно, соображения окажутся учтены при рассмотрении научными кругами возможности перехода на повышенную частоту питания сетей. Допустим, 700 Гц, как предлагал Никола Тесла. В конце XIX века этому препятствовало отсутствие электротехнической стали для трансформаторов, сегодня подобное ограничение нельзя рассматривать серьёзно.

Частота, амплитуда и действующее значение фазного напряжения

Частота фазного напряжения рассмотрена выше. Для построения синусоиды параметр умножается на 2 Пи, чтобы привести колебания физического процесса к периоду графика. От частоты сети зависит скорость вращения двигателей, но не слишком сильно. Сейчас мало причин для столь строгих ограничений, рамки будут расширяться. К примеру, работа электронного трансформатора не зависит от частоты, время его переключения задаётся RC-цепочками и характеристиками биполярных транзисторов.

Если говорить точнее, частота влияет на конструкцию двигателя, но меньше напряжения. Грань различия способны провести лишь специалисты. Гораздо более важным параметром считается амплитуда фазного напряжения. Когда в документации пишут «220 В», подразумевается действующее значение. В этом случае применяется приведение мощности, производимой переменным током, к постоянному. Осуществляется процедура по закону Джоуля-Ленца. Находится мощность переменного тока, делится на ток, получается некое напряжение, производящее идентичный тепловой эффект, как при постоянном токе.

Все фазные напряжения даются в действующих значениях. Помните при расчётах изоляции. Известно, что дуга возникает вне зависимости от характеристики тока – переменный или постоянный. Но в первом случае амплитуда при аналогичной передаваемой мощности окажется выше. В контакторах дуга зажигается на пике, а гаснет самопроизвольно, когда напряжение переходит через нуль. Эта важная особенность учитывается при конструировании реле. Аналогичным образом ток, находимый по расчётам, тоже действующий.

Чтобы найти амплитуду напряжения, нужно действующее значение умножить на корень из двух. Для сетей 220 В выходит 311. Такова амплитуда фазного напряжения в розетке до принятия правительством решения о повышении. Теперь действующее значение – 230, амплитуда – 325. Это учитывается при проектировании входных цепей аппаратуры. Включая виды:

• трансформаторов;
• конденсаторных блоков;
• диодных мостов и пр.

Фазное напряжение, как правило, служит для однозначного и краткого обозначения бытовых цепей, линейное применяется в промышленности. Часто слышны разговоры про 220 и 380 В. При этом не возникает сомнений, о чем речь. Но, говоря так, люди не подозревают, что оперируют фазным и линейным напряжением. Читатели теперь могут похвастаться знанием того, о чем говорят.