Фазное напряжение

Давно и прочно вошла в нашу жизнь терминология электротехники времен первых опытов с электричеством. Но сейчас как-то даже в тупик становишься, думая о временах, когда, как говорится, «ничего не было». Ни один человек не смог бы просветить, например, о том, что такое фазное напряжение, потому что такого термина еще не было. Но все течет, все меняется, и теперь десяток-другой разных вариантов напряжений никого не удивляет. Первое применение трехфазного напряжения, откуда все и пошло, относится ко второй половине 19-го века. Началось все с исследования явления электромагнитной индукции. Суть очередного эксперимента была простая – по катушке пропускают электрический ток и она притягивает металлический стержень. Дальше – больше. Если рядом поставить еще одну катушку, выключить ток на первой и включить вторую – стержень опять притянется, но уже ко второй катушке. Чудеса! Стержень передвинулся в пространстве только лишь с помощью поочередной подачи тока на катушки! Вот так легко и, что называется, не выходя из комнаты, в те далекие времена делались эпохальные открытия.

Если продолжить эксперимент, хотя бы даже мысленно, ставим 100 катушек и поочередно их включаем-выключаем, то видно, что стержень переместится от первой до последней. Изменим конфигурацию расположения катушек – поставим их по кругу, а вместо стержня закрепим стрелку на оси по центру круга. И опять включим-выключим 100 раз: стрелка повернулась по кругу и заняла исходное положение. Что мы получили? Мы получили примитивную модель вращающегося магнитного поля. Для этого на каждую катушку по очереди подавалось импульсное напряжение («включил-выключил»). Здесь очень важно то, что очередной импульс подавался с временным сдвигом по отношению к предыдущему, а амплитуда тока менялась от нуля до максимального значения – включено, и опять до нуля – выключено. В принципе, процесс нарастания и спада тока в каждой катушке был одинаковым. Такой повторяющийся во времени процесс называется циклическим, а период времени от одного максимума до следующего – циклом.

Если в течение цикла ток в катушке меняет и величину, и направление, то его называют переменным. Напряжение переменного тока характеризуется следующими параметрами: амплитуда – максимальное значение тока или напряжения, и частота – количество колебаний в секунду. Возвращаясь к описанному выше эксперименту с катушками, заметим, что каждая из них включалась отдельно от остальных (от своего источника напряжения), а циклы подачи напряжения отличались только временем включения или, как говорят электрики, фазой. Таким образом, различие напряжений только в том, что у них разный момент включения тока в катушке, или разная фаза напряжения. Строго говоря, фаза – это синоним слова «задержка». Следует иметь в виду, что понятие «фазное напряжение» относится только к многопроводным системам, у которых источники питания одним концом подключены к общей точке, а вторые концы каждого из них соединены с катушками. Так уж сложилось исторически, что эти питающие проводники тоже называют фазами. В технике наибольшее применение получили системы с синусоидальной формой напряжения и сдвигом фаз 120°, т.е. по времени это треть периода рабочей частоты. Основной технический эффект от применения трехфазных систем – получение вращающегося магнитного поля.

Для сравнения энергетических характеристик напряжения различных видов в качестве эталона принимают напряжение постоянного тока. Для того чтобы определить эквивалент переменного напряжения постоянному, поступают следующим образом: источники соответствующих напряжений нагружаются одинаковыми потребителями и регулировкой одного из напряжений добиваются выделения одинакового количества энергии в обоих нагрузках. Опытным путем доказано, что фазное напряжение, при котором выделение энергии в нагрузке одинаковое с эталоном, имеет амплитуду в 1,42 раза больше постоянного. На практике именно эту величину напряжения показывают приборы, и ее называют действующим напряжением переменного тока.

В быту мы пользуемся промышленными трехфазными электрическими сетями, о которых говорят «3 на 380 Вольт». В таких сетях фазное напряжение равно 220В, а его амплитудное значение – 308В.