Кто придумал трехфазный ток?

М. О. Доливо-Добровольский — русский новатор-электротехник и его изобретения

Одним из основоположников техники применения переменных токов считается талантливый русский инженер и изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский. С его именем связаны работы в области создания техники трехфазных переменных токов. Он является создателем простого и надежного в использовании асинхронного двигателя. Двигатель такой конструкции используется и в наши дни. Все элементы трехфазной системы были созданы Доливо-Добровольским.

Михаил Осипович родился 2 января 1862 года в семье чиновника. Он стал первенцем в многодетной семье Доливо-Добровольский, которая в то время жила в г. Гатчина. В 1873 году семейство Доливо-Добровольских переезжает в Одессу, именно там и прошли детство и юность будущего талантливого изобретателя. Там же в Одессе он блестяще окончил Одесское реальное училище.

Затем поступил в Рижский Политехнический институт. Но окончить его Михаил Осипович не успел. За участие в студенческой забастовке солидарности с рабочими рижских заводов он был исключен из института без права поступления в любое русское учебное заведение. Именно этот факт и сыграл важнейшую роль в жизни изобретателя и истории мировой электротехники.

С помощью дяди молодому Доливо-Добровольскому удалось выехать за границу и там он поступил в Высшее Техническое Училище в немецком городе Дармштадт. В период с осени 1881 г. по 1884 г. М. О. Доливо-Добровольский обучался на машиностроительном факультете, при этом изучая электротехнику. С отличием окончив Высшее Техническое Училище, Михаил Осипович остался в нем ассистентом в недавно открывшейся электротехнической лаборатории.

В 1884-1885 гг. в прессе появляются первые публикации Доливо-Добровольского, посвященные вопросам электротехники. Его работы не остались без внимания. В 1887 г. Михаила Осиповича пригласил к себе на работу Эмиль Ротенау, возглавлявший в то время фирму «Всеобщая компания электричества». Через несколько лет уже сам Михаил Осипович становится директором компании, которую будет возглавлять до конца своей жизни.

Первые работы М. О. Доливо-Добровольского были связаны с системами постоянного тока. Занимаясь проблемами применения постоянного тока, он также следил за важнейшими событиями теоретической мысли. Он ознакомился с работами итальянского физика Галилео Феррариса по вращающемуся магнитному полю.

В своих работах Феррарис утверждал что коэффициент полезного действия асинхронного двухфазного двигателя не будет превышать 50% и поэтому, многофазные электрические машины переменного тока не получат широкого применения. Начиная с 1888 года, М. О. Доливо-Добровольский занялся изучением многофазных систем, для которых он установил особое название, затем утвердившееся в терминологии электротехники. Глубоко изучив машины постоянного тока, он сделал правильный вывод об ошибочности теории Феррариса.

Для своих работ Доливо-Добровольский стал использовать не двухфазный ток, как это делали Феррарис и Никола Тесла, а трехфазный, то есть три переменных тока, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 градусов.

В 1888 году после ряда испытаний он построил первый трехфазный генератор переменного тока мощностью примерно в 3 киловатта и с помощью него привел в действие свой первый трехфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма, питаемого в трех точках, и ротора в виде сплошного медного цилиндра.

Продолжая традиции своих талантливых соотечественников (П. Н. Яблочков, Б. С. Якоби) Доливо-Добровольский работал над возможностью применения на практике переменного тока. И вот, начиная с 1891 года, начинается новая страница в истории электротехники. В этом году на электротехнической выставке во Франкфурте было успешно произведено испытание системы трехфазного тока в виде передачи электроэнергии на расстояние в 175 километров от Лауффенского водопада до Франкфурта.

Трехфазный генератор в Лауффен-на-Неккаре (Баден-Вюртемберг) — 1881 год.

Лауффенская электропередача стала первой в мире передачей с использованием переменного тока и послужила началом господства переменного тока продолжающегося и в наши дни. Трехфазная система, созданная Доливо-Добровольским, в короткий срок получила широкое применение. Но заслуга талантливого русского инженера не только в изобретении способа передачи переменного тока на большие расстояния, но и в создании устройств, которые необходимых для работы трехфазного переменного тока. Большое количество созданных им устройств используются электроэнергетиками в неизменном виде.

Много труда приложил М. О. Доливо-Добровольский для пропаганды внедрения трехфазного переменного тока в науке и технике. При помощи диспутов, докладов, монографий он смог добиться того, что у него практически не осталось идейных противников.

В 1899 году, 28 декабря на Первом Всероссийском электротехническом съезде Доливо-Добровольский выступил с докладом «Современное развитие техники трехфазного тока». В нем он подвел итоги своей деятельности: разработка теории трансформаторов, конструирование новых измерительных приборов, двигателей и других аппаратов.

Трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского

Не смотря на то, что жил и работал М. О. Доливо-Добровольский за границей, он сохранял российское гражданство. С началом Первой мировой войны в 1914 году он переехал в Швейцарию, где оставался до 1918 года. Затем снова вернулся в Германию для продолжения работы. Но хроническое заболевание сердца нарушило его планы.

Последние годы своей жизни Михаил Осипович посвятил изучению способа передачи электроэнергии на большие расстояния при помощи постоянного тока высокого напряжения. Будущее развитие электротехники виделось ему в дальних передачах электроэнергии постоянного тока высокого напряжения по подземным кабелям. Этим вопросом Доливо-Добровольский занимался до последних дней жизни. 15 ноября 1919 года от болезни сердца он скончался. Его смерть была встречена скорбью инженерами всего мира.

Бюст М.О. Доливо-Добровольского

Талантливейший инженер и изобретатель М. О. Доливо-Добровольский был многосторонне образован и культурен. Его вклад в развитие электротехники и, в частности, в области применения систем трехфазного переменного тока огромен. Продолжая работы своих соотечественников, Михаил Осипович сумел далеко вперед продвинуть науку и технику. Работы русских изобретателей навсегда вошли в историю мировой электротехники.

Трёхфазное напряжение

Трёхфазное напряжение – это система электрического питания, где используются три фазные линии, со сдвигом по фазе 120 градусов. Это обеспечивает равномерные условия для многих приложений, повышается эффективность.

Возникновение концепции трёхфазного напряжения

Отцом трёхфазного напряжения считают Доливо-Добровольского в России и Николу Теслу – в остальном мире. События, относящиеся к эпохе возникновения предмета спора, происходили в 80-е годы XIX века. Никола Тесла продемонстрировал первый двухфазный двигатель, работая на компанию, где налаживал электрические установки разнообразного назначения. Заинтересованность явлением электризации шерсти домашнего кота привела учёного к великим открытиям. Прогуливаясь в парке с приятелем, Никола Тесла осознал, что сумеет реализовать на практике теорию Араго о вращающемся магнитном поле, причём понадобятся:

  1. Две фазы.
  2. Сдвиг между ними на угол 90 градусов.

Чтобы показать великое значение открытия, заметим, что трансформатор Яблочкова в указанное время не обрел массовой известности, а опыты Фарадея по магнитной индукции благополучно забыли, записав лишь формулу закона. Мир не хотел знать про:

  • переменный ток;
  • фазу;
  • реактивная мощность.

Генераторы (альтернаторы) и динамо спрямляли напряжение при помощи механического коммутатора. Подобным образом прозябала вся скудная на тот момент отрасль электричества. Эдисон лишь начинал изобретать, никто пока толком не знал про лампочку накала. Кстати, в РФ считают, что устройство изобрёл Лодыгин.

Идея Теслы выглядела революционной, неизвестным оставалось, как получить две фазы с заданным межфазным сдвигом. Молодого учёного мало интересовал вопрос. Он читал про обратимость электрических машин и излучал уверенность, что легко построит генератор, соответствующим образом расположив обмотки. По приводу затруднений не возникало. На начало 80-х годов активно использовался пар, демонстрационную модель предполагалось питать от динамо.

Изображение 3 фаз

Тесла не задавался необходимостью получить определённую частоту. Исследования не проводились, требовалось просто заставить ротор вращаться. Идея реализовалась через токосъёмные кольца. На тот момент коллекторные двигатели постоянного тока снабжались подобными контактами, вывод Теслы неудивителен. Интереснее объяснить выбор количества фаз.

Преимущество трёх фаз

экспериментаторы в голос утверждают о преимуществе трёх фаз перед двумя, но требуется объяснение. Сразу лезут в голову мысли про КПД, вращающий момент и прочее. Но Тесла рисовал в блокнотике сотни конструкций, очевидно, сумел бы расставить полюса, чтобы добиться нужных параметров. Вывод – дело не в конструкции приборов.

Сейчас напряжение 380 В передаётся лишь по трём проводам. Этого нельзя было добиться в первоначальном варианте Николы Теслы. В 1883 году Эдисон массу сил потратил на попытки использовать трёхжильный провод. Очевидно, слышал о демонстрации, устроенной Николой Теслой, и понял опасность ситуации. В цивилизованном мире основную прибыль получает владелец патента, зачем известному изобретателю вытаскивать на свет способного инженера?

Логика Эдисона проста: пользователи увидят, что трёхжильные кабели более дешёвые, нежели четырёхжильные, и откажутся от использования новинок Николы Теслы. Несложно догадаться, что хитроумный план изобретателя цоколя для лампочек накала провалился. И с треском. А виной стал… Доливо-Добровольский. Система Николы Теслы для создания двух фаз требовала наличия четырёх проводов. Одновременно Доливо-Добровольский предлагал передать больше энергии посредством трёх.

Дело здесь в симметрии. Линейные напряжения 380 В в каждый момент оставляют альтернативу для выбора. К примеру, ток с первой фазы способен утечь на вторую или третью. В зависимости от присутствия подходящего потенциала. В результате получается баланс. Если объединить две фазы системы Николы Тесла, получится винегрет. Как следствие, нейтраль в системе Доливо-Добровольского допустимо убрать, если нагрузка симметричная – как часто происходит на практике.

В результате между проводами получается больший вольтаж, что снижает по каждому проходящий ток при прежней мощности. Причём удаётся порой использовать лишь три линии, сказанное касается большинства предприятий. Очевидны выгоды и при создании местных подстанций: нейтраль вторичной обмотки заземляется тут же, не нужно тянуть лишний провод от гидроэлектростанции. Указанные причины стали преимуществами сетей трёхфазного напряжения, сегодня доминирующие. Провода Теслы легко модернизируются на три фазы.

Причина проигрыша Эдисона

Часто встречается мнение, что система Теслы оказалась лучше, поэтому Эдисон проиграл. Сложно сказать, сколько долларов потерял последний, но Николу обвёл по современным меркам на 4,5 млн. долларов. Инфляция! Авторы склонны считать, что Эдисон получил своё. Никола Тесла умел доказать преимущества постоянного тока. К примеру, последний меньше склонен коронировать на проводах, амплитуда не содержит резких выбросов.

Сегодня доказано, что постоянный ток на дальние расстояния передавать выгоднее. Это исключает из рассмотрения реактивные сопротивления сети – индуктивность и ёмкость. Что значительно снижает нестабильную реактивную мощность. XXI век способен стать вторым рождением постоянного тока для передачи его на дальние расстояния. Но смех вызывает неумение Эдисона передавать энергию. Тесла вправе был помочь, тогда приборы постоянного тока сегодня использовались бы наравне с потребителями переменного. Для коллекторных двигателей это лучше – растут КПД и крутящий момент.

Читайте также  Как проверить трехфазный двигатель на работоспособность?

Выходит, постоянный ток выгодно передавать. Эдисон попросту не смог найти правильного решения, пытался взять задачу нахрапом, не погружаясь в тылы. Эдисон был чистым практиком и не умел найти столь ухищрённых решений, как преобразователи. А ведь все генераторы середины XIX века имели встроенный коммутатор для спрямления. Оставалось лишь подключить к линии, а на приёмной стороне провести преобразование. И все! Никола блестяще наказал Эдисона, доказывая наличие в мире некой силы, управляющей ходом истории.

переменный ток избрали по причине наличия мощного средства для передачи. Речь о трансформаторе. Впервые сконструированный в 1831 году (либо раньше) Майклом Фарадеем, этот незаменимый элемент современной техники остался без заслуженного внимания. Интерес к устройству вернул Генрих Румкорф пятнадцатью годами позднее, использовав динамо для получения разряда в искровом промежутке. Повышающий трансформатор значительно усиливал эффект. Это прямиком открыло учёным путь к постановке опытов, но суть преобразования не получила заслуженного внимания.

Вместо этого учёные упорно бились над постоянным током. Создавая для него двигатели, приборы освещения и генераторы. Удивительно, зная об обратимости электрических машин, не придумали раньше, как создать униполярный мотор, стоящий сегодня в ручных миксерах и блендерах. Фактически двигатели бытового назначения однофазные. И лишь маленькая часть работает на постоянном токе.

Укажем неявное преимущество. У постоянного тока выше предел безопасности. Возможным видится сделать промышленные сети безвредным для людей. Рассмотрим утверждение подробнее, доводы не очевидны неискушённому читателю.

Смещение и генерация 3-фазного напряжения

Почему постоянный ток безопаснее

Прожжённые электрики говорят, что удар током 220 В не слишком опасен, главное – не попасть под линейное трёхфазное напряжение. Оно выше примерно в корень из трёх раз (в пределах 1,7). Линейным называется напряжение между двумя фазами. За счёт сдвига между ними в 120 градусов получается указанный любопытный эффект. Невежды спрашивают, какая разница при сдвиге 90 градусов. Ответ дан вначале – три фазы образуют симметричную систему. Со сдвигом 90 понадобилось бы четыре.

В результате каждым линейным напряжением питают по полюсу, что существенно упрощает их размножение, когда требуется достичь большой мощности. К примеру, в тяговых двигателях пароходов, где требуется чрезвычайно плавно изменять усилие и приходится применять регуляторы скорости вращения вала. Случается, трёх и даже шести полюсов оказывается мало. Лишь коллекторному двигателю пылесоса достаточно двух.

Итак, между фазами имеется 308 В. Безопасным выглядит, если повысить частоту линии передач до 700 Гц. Тесла установил, что с указанного значения ярко проявляется скин-эффект, ток не проникает глубоко в тело. Следовательно, не наносит существенных повреждений человеку. Учёный демонстрировал языки молний на теле при гораздо больших напряжениях и говорил, что это полезно для здоровья, здорово очищает кожу.

Частота 700 Гц (или выше) не пущена в обиход – при этом существенно увеличивались потери трансформаторов. На момент принятия решения о номиналах первой ГЭС переменного тока не существовало наработок по изготовлению электротехнических материалов. Подробнее предлагаем прочитать в теме электронных трансформаторов. Нет надобности дублировать информацию. По причине отсутствия нужных материалов потери на перемагничивание сильно росли с увеличением частоты. Сегодня подобное не вызывает затруднений на уровне технологии.

Встаёт сложность – экранирование. В годы первых попыток передачи энергии не знали об излучении. Радио делало первые шаги в 90-х годах XIX века. В действительности рост частоты сопровождается резким повышением выброса энергии в пространство. И провода требовалось экранировать, это дорого, требует наличия мощных диэлектриков. Не факт, что современные сети сумели бы решить задачу.

Тесла предлагал передавать энергию через эфир. Для чего построил башню Ворденклиф. Но… промышленники оказались заинтересованы в продаже меди на изготовление проводов и на этом основании отказали учёному в финансировании. Но главное – грядёт время, когда трёхфазное напряжение уйдёт в небытие или будет получаться из преобразователей, и сам Тесла даст ответ, как это сделать.

Точнее, ответ дадут многочисленные патенты и идеи изобретателя. Недаром записи были немедленно изъяты после смерти учёного и тщательно засекречены. Рекомендуем взяться за изучение кавитационных двигателей. Пора мечтать, что машины станут ездить на растительном масле, не загрязняя окружающую среду отвратительным дымом и гарью. Обратите внимание, что все секреты лежат на поверхности и ждут желающего их раскрыть. Возможно, кто-то из читателей сумеет сделать это первым?

Трёхфазный ток. Преимущества при генерации и использовании.

Преимущества трёхфазного тока очевидны только специалистам электрикам. Что такое трехфазный ток для обывателя представляется весьма смутно. Давайте развеем неопределенность.

Содержание статьи

  • Трехфазный переменный ток
  • Откуда вообще появилось понятие переменный ток?
  • Выводы: преимущества трёхфазной системы

Трехфазный переменный ток

Большинство людей, за исключением специалистов — электриков, имеют весьма смутное представление, что такое так называемый «трёхфазный» переменный ток, да и в понятиях, что такое сила тока, напряжение и электрический потенциал, а также мощность, — часто путаются.

Попытаемся простым языком дать начальные понятия об этом. Для этого обратимся к аналогиям. Начнём с простейшей – протекания постоянного тока в проводниках. Его можно сравнить с водным потоком в природе. Вода, как известно, всегда течёт от более высокой точки поверхности к более низкой. Всегда выбирает самый экономичный (наикратчайший) путь. Аналогия с протеканием тока – полнейшая. Причём количество воды протекающей в единицу времени через какое-то сечение потока будет аналогично силе тока в электрической цепи. Высота любой точки русла реки относительно нулевой точки – уровня моря – будет соответствовать электрическому потенциалу любой точки цепи. А разница в высоте любых двух точек реки будет соответствовать напряжению между двумя точками цепи.

Используя эту аналогию можно легко представить в уме законы протекания постоянного электрического тока в цепи. Чем выше напряжение – перепад высот, тем больше скорость потока, и, следовательно, количество воды протекающей по реке в единицу времени.

Водный поток, точно так же как электрический ток при своём движении испытывает сопротивление русла – по каменистому руслу вода будет протекать бурно, меняя направление, немного нагреваясь от этого (бурные потоки даже в сильные морозы не замерзают вследствие нагрева от сопротивления русла). В гладком канале или трубе вода потечёт быстро и в итоге в единицу времени канал пропустит гораздо больше воды, чем извилистое и каменистое русло. Сопротивление потоку воды полностью аналогично электрическому сопротивлению в цепи.

Теперь представим закрытую бутылку, в которой налито немного воды. Если мы начнём эту бутылку вращать вокруг поперечной оси, то вода в ней будет перетекать попеременно от горлышка к донышку и наоборот. Это представление – аналогия переменному току. Казалось бы, одна и та же вода перетекает туда-сюда и что? Тем не менее, этот переменный поток воды способен совершать работу.

Откуда вообще появилось понятие переменный ток? к содержанию

Да с тех самых пор, когда человечество, узнав, что перемещение магнита вблизи проводника вызывает электрический ток в проводнике. Именно движение магнита вызывает ток, если магнит положить рядом с проводом и не двигать – никакого тока в проводнике это не вызовет. Далее, мы хотим получить (генерировать) в проводнике ток, чтобы использовать его в дальнейшем для каких-либо целей. Для этого изготовим катушку из медного провода и начнём возле неё двигать магнит. Магнит можно передвигать возле катушки как угодно – двигать по прямой туда-сюда, но, чтобы не двигать магнит руками, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать его вращать около катушки, аналогично вращению бутылки с водой из предыдущего примера. Вот именно таким образом — по техническим причинам — мы и получили синусоидальный переменный ток, используемый ныне повсеместно. Синусоида – это развёрнутое во времени описание вращения.

В дальнейшем оказалось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от протекания постоянного тока. Например, для протекания постоянного тока сопротивление катушки равно просто омическому сопротивлению проводов. А для переменного тока – сопротивление катушки из проводов значительно увеличивается из-за появления, так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток через заряженный конденсатор не проходит, для него конденсатор – разрыв цепи. А переменный ток способен свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее выяснилось, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток с другими напряжением или силой тока. Постоянный ток такой трансформации не поддаётся и, если мы включим любой трансформатор в сеть постоянного тока (что делать категорически нельзя), то он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет сопротивляться только омическое сопротивление провода, которое делается как можно меньше, и через первичную обмотку потечёт большой ток в режиме короткого замыкания.

Заметим также, что электродвигатели могут быть созданы для работы и от постоянного тока, и от переменного тока. Но разница между ними такая – электродвигатели постоянного тока сложнее в изготовлении, но зато позволяют плавно изменять скорость вращения обычным регулирующим силу тока реостатом. А электродвигатели переменного тока гораздо проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной, обусловленной конструкцией скоростью. Поэтому в практике широко применяются и те, и другие. В зависимости от назначения. Для целей управления и регулирования применяются двигатели постоянного тока, а в качестве силовых установок – двигатели переменного тока.

Далее конструкторская мысль изобретателя генератора двигалась примерно в таком направлении – если удобнее всего для генерации тока использовать вращение магнита рядом с катушкой, то почему бы вместо одной катушки генератора не расположить вокруг вращающегося магнита несколько катушек (места-то вокруг вон сколько)?

Получится сразу же, как бы несколько генераторов, работающих от одного вращающегося магнита. Причём переменный ток в катушках будет отличаться по фазе – максимум тока в последующих катушках будет несколько запаздывать относительно предыдущих. То есть синусоиды тока, если их графически изобразить, будут, как бы между собой, сдвинуты. Это важное свойство – сдвиг фаз, о котором мы расскажем ниже.

Примерно так рассуждая, американский изобретатель Никола Тесла и изобрёл сначала переменный ток, а затем и трёхфазную систему генерации тока с шестью проводами. Он расположил три катушки вокруг магнита на равном расстоянии под углами 120 градусов, если за центр углов принять ось вращения магнита.

(Число катушек (фаз) вообще-то может быть любым, но для получения всех тех преимуществ, что даёт многофазная система генерации тока, минимально достаточно трёх).

Читайте также  Как правильно подключить трехфазный двигатель к 380?

Далее русский учёный электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трёх — и четырёхпроводную систему передачи трёхфазного переменного тока. Он предложил соединить один конец всех трёх обмоток генератора в одну точку и передавать электроэнергию всего по четырём проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах существенная). Оказалось, что при симметричной нагрузке каждой фазы (равным сопротивлением) ток в этом общем проводе равняется нулю. Потому что при суммировании (алгебраическом, с учётом знаков) сдвинутых по фазе на 120 градусов токов они взаимно уничтожаются. Этот общий провод так и назвали – нулевой. Поскольку ток в нём возникает только при неравномерности нагрузок фаз и численно он небольшой, гораздо меньше фазных токов, то представилась возможность использовать в качестве «нулевого» провод меньшего сечения, чем для фазных проводов.

По этой же самой причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы получились значительно менее материалоёмкими, так как в магнитопроводе трансформатора происходит взаимопоглощение магнитных потоков и его можно делать с меньшим сечением.

Сегодня трёхфазная система электроснабжения осуществляется четырьмя проводами, три из них называются фазными и обозначаются латинскими буквами: на генераторе — А, В и С, у потребителя — L1, L2 и L3. Нулевой провод так и обозначается – 0.

Напряжение между нулевым проводом и любым из фазных проводов называется – фазным и составляет в сетях потребителей – 220 вольт.

Между фазными проводами тоже существует напряжение, причём значительно выше, чем фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет в цепях потребителей 380 вольт. Почему же оно больше фазного? Да всё это из-за сдвига фаз на 120 градусов. Поэтому, если на одном проводе, к примеру, в данный момент времени потенциал равен плюс 200 вольт, то на другом фазном проводе в этот же момент времени потенциал будет минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, то есть оно будет + 200 – (-180)=+380 В.

Возникает вопрос, если по нулевому проводу ток не протекает, то нельзя ли его вообще убрать. Можно. И мы получим трёхпроводную систему электроснабжения. С соединением потребителей так называемым «треугольником» — между фазными проводами. Однако нужно заметить, что при неравномерной нагрузке в сторонах «треугольника» на генератор будут действовать разрушающие его нагрузки, поэтому данную систему можно применять при огромном количестве потребителей, когда неравномерности нагрузок нивелируются. Передача электроэнергии от больших электростанций при высоких фазных и линейных напряжениях (сотни тысяч вольт) так и осуществляются. Почему же применяется такое высокое напряжение. Ответ простой – чтобы уменьшить потери в проводах на нагрев. Так как нагрев проводов (потери энергии) пропорционален квадрату протекающего тока, то желательно чтобы протекающий ток был минимален. Ну а для передачи необходимой мощности при минимальном токе нужно повышать напряжение. Линии электропередач (ЛЭП) так и обозначаются, к примеру, ЛЭП – 500 – это линия электропередачи под напряжением 500 киловольт.

Кстати потери в проводах ЛЭП можно ещё более снизить, применяя передачу постоянного тока высокого напряжения (перестаёт действовать емкостная составляющая потерь, действующая между проводами), проводились даже такие эксперименты, но широкого распространения пока такая система не получила, видимо вследствие большей экономии в проводах при трёхфазной системе генерации.

Выводы: преимущества трёхфазной системы к содержанию

В заключение статьи подведём итоги, – какие же преимущества даёт трёхфазная система генерации и электроснабжения?

  1. Экономия на количестве проводов, необходимых для передачи электроэнергии. Учитывая немалые расстояния (сотни и тысячи километров) и то, что для проводов используют цветные металлы с малым удельным электрическим сопротивлением, экономия получается весьма существенной.
  2. Трёхфазные трансформаторы, при равной мощности с однофазными, имеют значительно меньшие размеры магнитопровода. Что позволяет получить существенную экономию.
  3. Очень важно, что трёхфазная система передачи электроэнергии создаёт при подключении потребителя к трём фазам как бы вращающееся электромагнитное поле. Опять-таки, вследствие сдвига фаз. Это свойство позволило создать чрезвычайно простые и надёжные трёхфазные электродвигатели, у которых нет коллектора, а ротор, по сути, представляет собой простую «болванку» в подшипниках, к которой не нужно подсоединять никакие провода. (На самом деле конструкция короткозамкнутого ротора имеет свои особенности и вовсе не болванка) Это так называемые трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Очень широко распространённые сегодня в качестве силовых установок. Замечательное свойство таких двигателей – это возможность менять направление вращения ротора на обратное простым переключением двух любых фазных проводов.
  4. Возможность получения в трёхфазных сетях двух рабочих напряжений. Другими словами менять мощность электродвигателя или нагревательной установки путём простого переключения питающих проводов.
  5. Возможность значительного уменьшения мерцаний и стробоскопического эффекта светильников на люминисцентных лампах путём размещения в светильнике трёх ламп, питающихся от разных фаз.

Благодаря этим преимуществам трёхфазные системы электроснабжения получили широчайшее распространение в мире.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

  • Справочник электрика
    • Бытовые электроприборы
    • Библиотека электрика
    • Инструмент электрика
    • Квалификационные характеристики
    • Книги электрика
    • Полезные советы электрику
    • Электричество для чайников
  • Справочник электромонтажника
    • КИП и А
    • Полезная информация
    • Полезные советы
    • Пусконаладочные работы
  • Основы электротехники
    • Провода и кабели
    • Программа профессионального обучения
    • Ремонт в доме
    • Экономия электроэнергии
    • Учёт электроэнергии
    • Электрика на производстве
  • Ремонт электрооборудования
    • Трансформаторы и электрические машины
    • Уроки электротехники
    • Электрические аппараты
    • Эксплуатация электрооборудования
  • Электромонтажные работы
    • Электрические схемы
    • Электрические измерения
    • Электрическое освещение
    • Электробезопасность
    • Электроснабжение
    • Электротехнические материалы
    • Электротехнические устройства
    • Электротехнологические установки

Трехфазный переменный ток

В текущее время в мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока .

Трехфазной системой электронных цепей именуют систему, состоящую из 3-х цепей, в каких действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода ( φ =2 π /3). Каждую отдельную цепь таковой системы кратко именуют ее фазой, а систему 3-х сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях именуют просто трехфазным током .

Практически все генераторы, установленные на наших электрических станциях, являются генераторами трехфазного тока . По существу, каждый таковой генератор представляет собой соединение в одной электронной машине 3-х генераторов переменного тока, сконструированных таким макаром, что индуцированные в их ЭДС смещены друг относительно друга на одну третья часть периода, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики зависимости от времени ЭДС, индуцированных в обмотках якоря генератора трехфазного тока

Как осуществляется схожий генератор просто осознать из схемы на рис. 2.

Рис. 2. Три пары независящих проводов, присоединенных к трем якорям генератора трехфазного тока, питают осветительную сеть

Тут имеются три самостоятельных якоря, расположенных на статоре электронной машины и смещенных на 1/3 окружности (120 о ). В центре электронной машины крутится общий для всех якорей индуктор, изображенный на схеме в виде неизменного магнита.

В каждой катушке индуцируется переменная ЭДС одной и той же частоты, но моменты прохождения этих ЭДС через нуль (либо через максимум) в каждой из катушек окажутся сдвинутыми на 1/3 периода друг относительно друга, ибо индуктор проходит мимо каждой катушки на 1/3 периода позднее, чем мимо предшествующей.

Любая обмотка трехфазного генератора является самостоятельным генератором тока и источником электронной энергии. Присоединив провода к концам каждой из их, как это показано на рис. 2, мы получили бы три независящие цепи, любая из которых могла бы питать те либо другие электроприемники, к примеру электронные лампы.

В данном случае для передачи всей энергии, которую поглощают электроприемники, требовалось бы 6 проводов. Можно но, так соединить меж собой обмотки генератора трехфазного тока, чтоб обойтись 4-мя и даже 3-мя проводами, т. е. существенно сберечь проводку.

1-ый из этих методов, именуется соединением звездой (рис. 3).

Рис. 3. Четырехпроводная система проводки при соединении трехфазного генератора звездой. Нагрузки (группы электронных ламп I, II, III) питаются фазными напряжениями.

Будем именовать зажимы обмоток 1, 2, 3 началами, а зажимы 1 ‘ , 2 ‘ , 3 ‘ — концами соответственных фаз.

Соединение звезд состоит в том, что мы соединяем концы всех обмоток в одну точку генератора, которая именуется нулевой точкой либо нейтралью , и соединяем генератор с приемниками электроэнергии 4-мя проводами: 3-мя так именуемыми линейными проводами , идущими от начала обмоток 1, 2, 3, и нулевым либо нейтральным проводом , идущим от нулевой точки генератора. Такая система проводки именуется четырехпроводной .

Напряжения меж нулевой точкой и началом каждой фазы именуют фазными напряжениями , а напряжения меж началами обмоток, т, е. точками 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1, именуют линейными . Фазные напряжения обычно обозначают U1 , U 2 , U 3 , либо в общем виде U ф, а линейные напряжения — U12, U23 , U 31 , либо в общем виде U л.

Меж амплитудами либо действующими значениями фазных и линейных напряжений при соединении обмоток генератора звездой существует соотношение U л = √ 3 U ф ≈ 1,73 U ф

Таким макаром, к примеру, если фазное напряжение генератора U ф = 220 В, то при соединении обмоток генератора звездой линейное напряжение U л — 380 В.

В случае равномерной нагрузки всех 3-х фаз генератора, т. е. при примерно схожих токах в каждой из их, ток в нулевом проводе равен нулю . Потому в данном случае можно нулевой провод упразднить и перейти к еще больше экономичной трехпроводной системе. Все нагрузки врубаются при всем этом меж надлежащими парами линейных проводов.

При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе не равен нулю, но, вообщем говоря, он слабее, чем ток в линейных проводах. Потому нулевой провод может быть тоньше, чем линейные.

При эксплуатации трехфазного переменного тока стремятся сделать нагрузку разных фаз по способности схожей. Потому, к примеру, при устройстве осветительной сети огромного дома при четырехпроводной системе вводят в каждую квартиру нулевой провод и один из линейных с таким расчетом, чтоб в среднем на каждую фазу приходилась приблизительно однообразная нагрузка.

Читайте также  Как работает трехфазный выпрямитель?

Другой метод соединения обмоток генератора, также допускающий трехпроводную проводку — это соединение треугольником, изображенное на рис. 4.

Рис. 4. Схема соединения обмоток трехфазного генератора треугольником

Тут конец каждой обмотки соединен с началом последующей, так что они образуют замкнутый треугольник, а линейные провода присоединены к верхушкам этого треугольника — точкам 1, 2 и 3. При соединении треугольником линейное напряжение генератора равно его фазному напряжению : U л = U ф.

Таким макаром, переключение обмоток генератора со звезды на треугольник приводит к понижению линейного напряжения в √ 3 ≈ 1,73 раза . Соединение треугольником также допустимо только при схожей либо практически схожей нагрузке фаз. По другому ток в замкнутом контуре обмоток будет очень силен, что небезопасно для генератора.

При применении трехфазного тока отдельные приемники (нагрузки), питающиеся от отдельных пар проводов, также могут быть соединены или звездой, т. е. так, что один конец их присоединен к общей точке, а оставшиеся три свободных конца присоединяются к линейным проводам сети, или треугольником, т. е. так, что все нагрузки соединяются поочередно и образуют общий контур, к точкам 1, 2, 3 которого присоединяются линейные провода сети.

На рис. 5 показано соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки, а на рис. 6 — при четырехпроводной системе проводки (в данном случае общая точка всех нагрузок соединяется с нулевым проводом).

На рис. 7 показана схема соединения нагрузок треугольником при трехпроводной системе проводки.

Рис. 5. Соединение нагрузок звездой при трехпроводной системе проводки

Что такое фаза тока?

Практически все новички и собственники домов часто сталкиваются с проблемой: что же такое фаза тока в обычной электрической проводке? Такие вопросы возникают чаще всего в процессе ремонта каких-то электроприборов.

При возникновении такой ситуации, в первую очередь, нужно думать и соблюдать технику безопасности. А знания и умения должны отойти на второй план. Глубокие познания об самых простых законах образования тока и различных процессов, которые происходят непосредственно в бытовых приборах. Эти знания не только могут помочь найти решение проблем множества неисправностей, которые возникают в электроприборах, но и решить их самым простым и надежным способом.

Практически все конструкторы и инженеры работают над тем, чтобы сократить количество несчастных случаев в процессе ремонтных работ с электросетью либо электроприборами. Основная цель потребителей – соблюдать четко прописанные нормы и стандарты.

Давайте детальнее поговорим о токе:

  • однофазном;
  • двухфазном;
  • трехфазном.

Однофазный ток.

Под однофазным током подразумевают – переменный ток, образующийся в процессе вращательных действий в области магнитного поля проводника либо целой совокупности проводников, которые объединяются общий поток.

Как вы уже знаете, однофазный ток передается с помощью двух проводов. Эти провода называют:

1.Один провод это, непосредственно, фаза;
2.Второй – ноль.

В этих проводах напряжение 220 В.

Однофазное электропитание можно охарактеризовать множеством способов. Ни для кого не секрет, что однофазный ток поступает к потребителю с помощью:

1.Двух проводов;
2.Трех проводов.

Первый вариант подачи однофазного тока – двухпроводной использует два провода, как это понятно уже исходя из названия. Один провод передает фазу, а второй предназначается для нулевого напряжения. На использовании такой системы ориентировались практически всегда при строительстве домостроений в СССР.

Использование второго предусматривает добавление еще одного провода. Он применяется для заземления. Основное предназначение такого провода – исключение варианта поражения людей электрическим током. Так же он нужен для отвода тока при утечке и исключение неполадок электроприборов.

Двухфазный ток.

Под понятием двухфазный электрический ток все понимают – слияние двух однофазных токов, которые имеют сдвиг по фазе друг к другу. Угол сдвига может быть Pi2 либо 90 °.

Рассмотреть образование двухфазного тока можно на примере. Необходимо взять две индуктивные катушки и разместить их в пространстве так, чтобы оси этих катушек были перпендикулярны друг у другу. Затем нужно подключить обе катушки к двухфазному току. В итоге мы будем иметь систему, в которой образовалось 2 обособленных магнитных поля. В результирующем магнитном поле вектор будет вращаться с одной и той же скоростью и под одинаковым углом. В результате такого вращения и образуется магнитное поле. Ротор с обмотками, которые произведены в форме короткозамкнутого «беличьего колеса» либо металлического цилиндра на валу, будут вращаться и тем самым приводить в движение различные частицы.
Передача двухфазного тока осуществляется при помощью двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.

Трехфазный ток.

Под трехфазной системой электрических цепей – принято понимать систему, состоящую из трех цепей. В этих цепях имеются переменные, ЭДС с одинаковой частотой, которые одинаково сдвинуты по фазе и по отношению друг к другу на 1/3 периода(=2/3). Каждый отдельный кусочек такой цепи можно смело назвать его фазой. А совокупную систему принято считать трехфазным током. Трехфазный ток без особого труда можно передавать на достаточно большие расстояния. Паре фазных проводов свойственно напряжение 380В. Если в паре фаза и ноль – 220В.

Распределить трехфазный ток по домостроениям можно такими способами:

Четырехпроводное подключение – происходит с использованием трех фаз и одного нулевого провода. Такая система до распределительного щитка, после используют два стандартных провода – фазу и ноль, чтобы иметь напряжение 220В.

При пятипроводном подключении трехфазного тока к уже привычной схеме нужно добавить еще провод, который обеспечивает защиту и заземление. В трехфазной сети все фазы имеют одинаковую нагрузку, чтобы избежать перекоса фаз. От используемой в домостроении проводки зависит и возможность подключения к сети тех или иных электроприборов. Например, заземление просто необходимо если в сеть планируют включать достаточно мощные электроприборы, такие как холодильник, печь, обогреватель, компьютер, телевизор, джакузи, душевая кабинка. Трехфазный ток применяют как источник электропитания двигателей, которые пользуются большой популярностью у потребителей.

Как устроена бытовая проводка

Изначально электроэнергию получают на электростанциях. Потом с помощью промышленной электросети ее передают на трансформаторную подстанцию, а там уже и происходит преобразование напряжения в 380В. Обмотки понижающего трансформатора соединены по принципу «звезда»: все три контакта необходимо подключить к точке «0», а оставшиеся контакты к клеммам «A», «B» и «C».

Все контакты «0», которые были объединены необходимо подключить к заземленному проводу на подстанции. Именно на территории подстанции и происходит расщепление ноля на:

1.Рабочий ноль;
2.PE-проводник, который выполняет защитную функцию.

После выхода из понижающего трансформатора все нули и фазы тока поступают в распределительный щиток домостроения. В результате получается трехфазная система, которая распределяется по всем щиткам многоэтажки. К конечному потребителю попадает напряжение 220В, проводник РЕ выполняет именно эту защитную функцию.

Теперь давайте более детально рассмотрим, что же представляет собой ноль и фаза тока? Нулем принято считать проводник тока, который подключают к контуру заземления в понижающем трансформаторе. Он предназначен для образования нагрузки фазы тока. Присоединять проводник необходимо к обмотке трансформатора. Так же есть такое понятие «защитный ноль» — это именно РЕ-контакт, который мы описывали ранее. Основное его предназначение – отвод тока в случае возникновения поломок либо неисправностей в цепи.

Такой метод пользуется огромной популярностью при подключении к электросети многоэтажных домов. Пользуются им уже много десятилетий. Случаются случаи, когда в системе возникают неисправности. В основном, причиной этому служит низкое качество соединения в цепи либо порыв на линии.

Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.

Обрывы на линии достаточно часто возникают по вине мастеров – они забывают подключить фазу либо ноль. Такие поломки достаточно распространены. Так же довольно часто происходит процесс отгорания нуля на подъездном щитке например, из-за высокой нагрузки в системе.

Если происходит порыв на любом участке цепи, то прекращает функционировать вся цепь, т.к. она размыкается. В таких ситуациях совершенно не важно, какой провод поврежден – фаза или ноль.

То же самое случается и при порыве между распределительным щитом многоэтажки и щитком в подъезде. При таком порыве все потребители, которые были подключены к данному щитку, будут без электроэнергии.

Все ситуации, которые мы попытались описать выше, имеют место быть. Они могут показаться сложными, но не несут никакой опасности для человечества. Ведь обрыв произошел только одного провода, поэтому это совершенно не опасно.

Очень тревожная ситуация – когда пропадает контакт между контуром заземления на подстанции и средним пунктом, к которому поступает все напряжение внутридомового щитка.

Именно в таком варианте электрический ток движется по контурам AB, BC, CA. Совокупное напряжение этих контуров 380В. Именно по этой причине и возникает достаточно опасная ситуация – один щиток может вообще не иметь напряжения, потому что хозяин отключит все электроприборы, а на другом образуется очень высокий уровень напряжения, около 380В. Это может способствовать выходу из строя многих приборов, потому что для них необходимо напряжение в 220В.

Естественно, появление данной ситуации можно избежать. Имеется масса недорогого/дорогостоящего оборудования, которое защитит вашу технику от скачков напряжения.

К такому оборудованию относится и стабилизатор напряжения. Различают такие виды стабилизаторов:

Как же определить фаза это или ноль?

Для определения ноль это либо фаза рекомендуют пользоваться специальным оборудованием – отверткой-тестером.

Функционирует этот прибор по принципу проведения тока с низким напряжением через тело человека, который его использует. Отвертка имеет такие составляющие:

1.Наконечник, с помощью которого есть возможность подключаться к фазе в розетке;
2.Резистор, который снижает разницу электротока до достижения им безопасного уровня;
3.Светодиод, который загорается, если это фаза;
4.Плоский контакт, который способствует возникновению сети с участием тела оператора.

Помимо отверток-тестеров имеются и иные варианты определения какой именно из контактов в розетке имеет поломку. С помощью такого оборудования электрики и определяют фазу и ноль в розетке. Кому-то привычнее использовать более точный тестер, который функционирует как вольтметр.

По показателям вольтметра можно сказать:

1.О наличии напряжения 220В между нулем и фазой;
2.О напряжении между нулем и землей либо его отсутствии;
3.О напряжении между нулем и фазой либо его отсутствии.