Что такое переменное напряжение и постоянное

Основы электропитания. Зачем нужен сдвиг по фазе

В предыдущих частях цикла были рассмотрены общие моменты, касающиеся генерации и потребления электрической энергии, в том числе и особенностей ее передачи на большие расстояния. Теперь, когда известно, что при передаче больших мощностей без высокого напряжения не обойтись, настало время разобраться с одним из самых важных участков системы электроснабжения, так называемой «последней милей» – электропроводки с напряжением 230/400 B, ведь именно к этому сегменту подключены электрические розетки как дома, так и на производстве. Однако прежде чем приступить к изучению особенностей пользовательского сегмента системы электроснабжения, придется вначале рассмотреть несколько теоретических вопросов, поскольку без этого будет непонятно, почему было сделано именно так.

Чем отличается постоянное напряжение от переменного

Даже люди далекие от техники знают, что при установке батареек, например, в детскую игрушку или пульт дистанционного управления, нужно соблюдать полярность – неправильная установка этих элементов питания, в лучшем случае, приведет к тому, что устройство просто не будет работать, а в худшем – выведет из строя и оборудование, и элемент питания. Поэтому на корпусах батареек всегда указывают, какой из выводов имеет положительный (обозначается значком «+»), а какой – отрицательный (обозначается значком «–») потенциал (Рисунок 1). Более того, при создании подобных источников питания их терминалы обычно делают разными, чтобы предотвратить возможность ошибочного подключения. В неформальном общении эту защиту обычно называют «защитой от дурака». Примером тому является батарейка «Крона», терминалы которой позволяют надежно подключить ответную часть разъема батареи только в правильной полярности.

Рисунок 1.	Указание полярности напряжения на источниках питания постоянного тока. (Кадр из к/ф «Матрица»).

В то же время, в типовых электрических розетках два контакта, предназначенных для протекания тока, являются абсолютно одинаковыми, что позволяет вставлять вилку в розетку двумя способами. При этом ни о какой полярности подключения при использовании бытовых электроприборов речи не идет. Это связано с тем, что напряжение в электрических розетках постоянно меняет свою величину. Если взять, например, некоторый идеализированный вольтметр, способный мгновенно проводить измерения, и определить напряжение в розетке, то окажется, что в разные моменты времени оно будет принимать совершенное разные значения (Рисунок 2). То есть в определенное время полярность напряжения в розетке будет условно положительной, в другое – условно отрицательной, а в некоторые моменты напряжение будет вообще равно нулю.

Рисунок 2.

Мгновенное значение напряжения в розетке в разные моменты времени.

В русскоязычной технической литературе напряжение, способное изменить свою полярность, называют «переменным», а напряжение, полярность которого не изменяется – «постоянным». Многим начинающим специалистам очень сложно усвоить эти понятия. У обычных людей слово «постоянный» прочно связано со словом «неизменный», а, поскольку в нашем мире все меняется, то и постоянного (неизменного) напряжения не может существовать. Более того, любое напряжение питания непостоянно, например, мы же выключаем иногда радиоприемник, следовательно, его напряжение питания исчезает (изменяется), поэтому многие мои студенты уверены, что радиоприемники питаются переменным (непостоянным) напряжением.

Более точно эти термины описаны в англоязычной технической литературе. Переменному напряжению соответствует термин «Alternating Voltage», который можно дословно перевести как «чередующееся» или «перемежающееся» напряжение – напряжение, полярность которого постоянно изменяется. Аналог «постоянного» напряжения – «Direct Voltage» – можно перевести как «направленное» напряжение – напряжение, которое не меняет своей полярности.

Однако изменить устоявшуюся терминологию, зафиксированную во многих нормативных документах, уже невозможно, поэтому придется привыкать, что переменное напряжение – это напряжение постоянно (!) меняющее свою полярность и величину, а постоянное напряжение может менять свою величину, но не может менять полярность, то есть тоже не является, в абсолютном смысле слова, постоянным.

Кстати, если постоянное напряжение периодически меняет свою величину, то его часто называют пульсирующим напряжением – напряжением, величина которого изменяется с определенной частотой при неизменной полярности. Различие между постоянным и пульсирующим напряжением весьма условно, часто одно и то же напряжение одни специалисты называют постоянным, а другие – пульсирующим. Однако в курсе «Основы электропитания» не предусмотрено столь глубокое изучение этого вопроса, поэтому дальше будем считать, что существует два вида напряжений: постоянное (не меняющее полярность) и переменное (полярность которого изменяется).

Ключевые особенности переменного напряжения

Итак, батарейка является источником постоянного напряжения, а электрическая розетка – переменного. Но почему для мощных энергосистем был выбран именно этот способ передачи энергии, ведь большинство электроприборов, в том числе и электронное оборудование, от источников переменного напряжения принципиально работать не могут и требуют дополнительного преобразования переменного напряжения в постоянное?

В самом начале коммерческого использования электричества постоянный ток был уже неплохо изучен, а переменный считался малопригодным для практического применения. Более того, переменный ток считали вредным и опасным для человека. Не последнюю роль в этом сыграло противостояние Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза, известное как «Война токов», начавшееся в 80-х годах 19-го века и закончившееся только в 2007 году полной победой переменного напряжения. Период «Войны токов» был не самым красивым в истории, и если бы не работы Никола Тесла, выполнившего огромный объем исследований свойств переменного тока, то неизвестно как бы вообще развивались электрические системы.

Основным недостатком постоянного напряжения является сложность изменения его величины. Даже на сегодняшний день простых и эффективных преобразователей постоянного напряжения не существует. До появления мощных полупроводниковых приборов изменить величину постоянного напряжения можно было только с помощью умформеров (система «мотор-генератор») (Рисунок 3) или вибропреобразователей. И те, и другие имели значительные массу, габариты и стоимость, требовали из-за наличия механических компонентов постоянного обслуживания и являлись источниками шума, вибрации и электромагнитных помех. Появление в 20-м веке мощных полупроводниковых транзисторов и диодов позволило значительно улучшить характеристики этого вида вторичных источников питания. Однако нужно понимать, что в этих схемах постоянное напряжение вначале преобразуется в переменное, а затем обратно в постоянное. До сих пор устройства, напрямую изменяющие величину постоянного напряжения, существуют только в виде абстрактных математических моделей [1].

Рисунок 3.

Принцип преобразования постоянного напряжения с помощью системы «мотор-генератор».

В предыдущей части цикла было показано, что для передачи электрической энергии на большие расстояния напряжение линий электропередач приходится многократно изменять – и повышать, и понижать. Но из-за того, что изменить величину постоянного напряжения не так просто, протяженность первых энергосистем не превышала 1.5 км – стоимость проводов и преобразователей для передачи энергии на большие расстояния была в то время очень высокой.

Рисунок 4.

Устройство и принцип работы трансформатора.

А вот величину переменного напряжения можно легко изменить с помощью трансформаторов, имеющих очень простую конструкцию. Простейший трансформатор состоит из магнитопровода (его часто называют сердечником) и двух обмоток (Рисунок 4). Если одну из обмоток подключить к источнику напряжения, то в ней начнет протекать ток. Этот ток создаст в магнитопроводе магнитный поток Ф, который, согласно закону Фарадея, приведет к появлению на выводах всех обмоток ЭДС самоиндукции e:

где N – количество витков обмотки.

Обратите внимание, что ЭДС может возникнуть только при условии постоянного изменения магнитного потока Ф. Если подключить обмотку трансформатора к источнику постоянного напряжения, тогда магнитный поток изменяться не будет [2] (поскольку dФ/dt = 0), и ЭДС исчезнет [3].

А вот если подключить обмотку трансформатора к источнику переменного напряжения, тогда магнитное поле в магнитопроводе будет постоянно изменяться, и на других обмотках трансформатора, согласно формуле (1), возникнет ЭДС, форма которой будут соответствовать форме первичного напряжения. Таким образом, с помощью трансформатора можно энергетически связать две электрически изолированные цепи, передавая энергию через магнитное поле.

Важным свойством трансформатора является возможность простой регулировки выходного напряжения, поскольку для идеального (без потерь) устройства выполняется одно простое условие:

где V₁, V₂, N₁, N₂ – соответственно, напряжения и количество витков первой и второй обмоток.

Из формулы (2) видно, что напряжение на выходе трансформатора определяется соотношением числа витков обмоток N₂/N₁, называемым коэффициентом трансформации:

Если количество витков вторичной обмотки больше количества витков первичной (N₂ > N₁), тогда трансформатор будет повышать напряжение, а если наоборот (N₂ < N₁) – понижать. Например, пусть трансформатор содержит две обмотки с числом витков 3 000 и 157. Если обмотку, содержащую 3 000 витков, подключить к источнику с напряжением 230 В, то на выводах обмотки, содержащей 157 витков, появится напряжение, равное:

А если подать 230 В на обмотку, содержащую 157 витков, то на выводах другой обмотки будет напряжение:

Таким образом, один и тот же трансформатор может как повышать, так и понижать напряжение, конечно, при условии, что напряжения, подаваемые на обмотки, не превышают максимально допустимых значений. При этом трансформатор относительно прост в изготовлении, не содержит движущихся частей и может иметь КПД больше 99%.

Очевидно, что переход на переменное напряжение с возможностью простого и эффективного изменения его величины с помощью трансформаторов позволил значительно увеличить дальность передачи энергии. Однако и постоянное, и переменное напряжение имеют как достоинства, так и недостатки (Таблица 1), поэтому исход «Войны токов» долгое время был неопределенным.

Основным недостатком переменного напряжения является неравномерность передачи энергии. Рассмотрим простейшую систему электропитания. Пусть наш источник питания формирует переменное напряжение v(t) синусоидальной формы:

где V_m – амплитуда, а f – частота генерируемого напряжения.

С помощью трансформаторов можно изменять
величину переменного напряжения с КПД 98…99%
и передавать энергию на дальние расстояния

Если к такому источнику подключить оборудование, преобразующее электрическую энергию в тепловую, например, электрический чайник, то в системе электропитания появится ток i(t), величину которого можно определить на основании закона Ома:

где R – сопротивление нагревательного элемента чайника.

Это значит, что в любой момент времени ток i(t) будет отличаться от напряжения v(t) на некоторый коэффициент R. Другими словами, форма тока в системе будет полностью повторять форму напряжения, то есть ток i(t) будет переменным, синусоидальным и изменяться с той же частотой, что и напряжение.

Однако мы помним, что ни ток, ни напряжение по отдельности не передают энергию. Количество передаваемой энергии определяется мощностью p(t), равной произведению напряжения и тока:

Воспользовавшись тригонометрическими тождествами, понизим степень синуса. Теперь формула (6) примет вид:

Анализируя формулу (7), видим, что при использовании переменного напряжения электрическая энергия передается неравномерно – она пульсирует с удвоенной частотой колебаний напряжения (Рисунок 5). Это значит, что существуют моменты времени, когда энергия передается с максимальной скоростью, но есть и моменты времени, когда энергия не передается совсем. Хорошо это или плохо?

Рисунок 5.

Электрические процессы в сети переменного тока.

Однозначно плохо. Если к такому источнику подключить, например, лампу, то она будет мерцать с удвоенной частотой питающего напряжения [4] – на практике это хорошо заметно при использовании люминесцентных или некачественных светодиодных ламп. Если же вместо лампы подключить электродвигатель, то он тоже будет вращаться рывками, поскольку в момент перехода напряжения через ноль в его обмотках не будет энергии для поддержания вращения. Очевидно, что такой режим работы потребует более крепких подшипников и дополнительных маховиков для уменьшения вибрации. Кстати, необходимость выравнивания механической нагрузки на валу потребуется и для генераторов. Таким образом, неравномерная передача энергии или неуравновешенность системы может свести к нулю все преимущества переменного напряжения.

Но если вместо одного переменного напряжения использовать несколько, то можно создать систему, в которой энергия будет всегда передаваться с одинаковой скоростью. Для этого нужно лишь разнести во времени моменты передачи максимумов энергии так, чтобы ее суммарное количество всегда оставалось постоянным. Именно такую систему и продемонстрировал в 1891 году Михаил Доливо-Добровольский на Всемирной выставке во Франкфурте-на-Майне. Его система передавала энергию на рекордное для того времени расстояние – 170 км, при этом она была дешевле всех существующих на то время аналогов. Интерес к этой экспозиции был настолько велик, что она просуществовала еще несколько лет после окончания выставки – это позволило ознакомиться с нею многим специалистам из разных стран. Не зря 1891 год многие называют годом начала электрификации всей планеты – с этого момента эффективность передачи энергии с помощью электричества уже ни у кого не вызывала сомнений, а трехфазные системы быстро стали стандартом для передачи энергии.

Итак, в промышленной системе электроснабжения, частью которой является и домашняя электропроводка, используют переменное напряжение, поскольку его можно легко преобразовать с помощью трансформаторов на любую величину. При этом используют сбалансированные трехфазные системы, являющиеся на сегодняшний день самыми дешевыми из всех придуманных когда-либо систем для передачи электрической энергии на большие расстояния (с учетом ЛЭП, трансформаторов и других распределительных устройств).

Не следует забывать также и о существовании еще одного преимущества трехфазных систем переменного тока. Трехфазное напряжение способно создать вращающееся электромагнитное поле, идеально подходящее для электромоторов. Поэтому трехфазные электродвигатели переменного тока имеют самую простую конструкцию из всех известных типов устройств для преобразования электрической энергии в механическую.

Основные характеристики переменного напряжения промышленной сети

Переменное напряжение получают с помощью специализированных генераторов, преобразующих механическую энергию в электричество. На сегодняшний день существует достаточно большое количество конструкций устройств подобного рода, однако все они, как и трансформаторы, работают на основе закона Фарадея (1). Ключевым элементом любого генератора является катушка (обмотка), помещенная в переменное магнитное поле. Но если в трансформаторах переменное магнитное поле создается другой обмоткой, по которой протекает уже где-то сформированный переменный ток, то в генераторах приходится физически перемещать катушку относительно магнитов.

Проще всего закрепить обмотку неподвижно на статоре, а вращать ротор с постоянным магнитом (Рисунок 6). Можно поступить и наоборот – на неподвижном статоре установить постоянный магнит, а обмотку разместить на вращающемся роторе. Результат в обоих случаях будет одинаков, только при размещении катушки на роторе придется устанавливать дополнительный узел – коллектор, необходимый для электрического соединения подвижной катушки с неподвижными выходными контактами генератора.

Рисунок 6.

Один из вариантов конструкции генератора переменного напряжения синусоидальной формы.

В любом случае при вращении ротора на выводах катушки будет индуцироваться переменное напряжение синусоидальной формы, описываемое формулой (4), с двумя ключевыми параметрами: амплитудой V_m и частотой f.

Из предыдущей статьи уже известно, что существуют два основных стандарта напряжения, используемого для питания конечного электрооборудования: 110…120 В и 220…240 В. Точно также существуют и два стандарта частоты переменного тока, используемого в промышленных системах электроснабжения: 50 Гц и 60 Гц (Рисунок 7).

Рисунок 7.

Напряжения и частота тока в электрических розетках разных стран. (Источник: commons.wikimedia.org).

Частоты 50/60 Гц определил Никола Тесла, который вместе с Джорджем Вестингаузом был пионером в освоении переменного тока. В свое время он провел комплексное исследование свойств переменного тока разных частот, на основании которого был сделан вывод, что для систем электроснабжения наилучшим образом подходят частоты 50…60 Гц. При меньших частотах увеличиваются габариты, вес и стоимость оборудования, а при больших частотах увеличиваются потери при передаче и преобразовании электричества, в частности, потери на перемагничивание магнитопроводов трансформаторов. Таким образом, частоты 50/60 Гц являются результатом компромисса между величиной потерь и стоимостью системы.

Существует также ограниченное количество электросетей с частотой 400 Гц. Но они используются там, где малые размеры и вес более важны, чем величина потерь при преобразовании. Например, напряжением с такой частотой может питаться бортовое оборудование авиалайнеров.

С частотой f тесно связан другой параметр переменного напряжения – длительность периода или просто период, обычно обозначаемый буквой T. Период показывает, за какое количество времени произойдет одно полное колебание переменной величины, в данном случае – напряжения:

Для частоты 50 Гц длительность периода сетевого напряжения равна 20 мс, для частоты 60 Гц – 16.67 мс, то есть в системах электроснабжения с частотой 60 Гц все процессы происходят немного быстрее. Этот момент является очень важным, поскольку если оборудование, рассчитанное на работу с напряжением одной частоты, подключить в сеть с другой частотой, то результаты могут быть самыми плохими.

Очень критичны к этому параметру трансформаторы и электродвигатели. Например, если подключить трансформатор, рассчитанный на напряжение с частотой 60 Гц, в 50-герцовую сеть, то его магнитопровод, который должен перемагничиваться за 8.335 мс (половина периода сетевого напряжения с частотой 60 Гц), теперь будет находиться под воздействием намагничивающего напряжения в течение 10 мс (половина периода сетевого напряжения с частотой 50 Гц). Дополнительных 1.67 мс – а это почти 20% от расчетного времени – будет вполне достаточно для того, чтобы магнитопровод стал заходить в режим насыщения с последующим перегревом. Аналогично, если 50-герцовый трансформатор включить в 60-герцовую сеть, то увеличатся потери в магнитопроводе из-за более высокого уровня вихревых токов, что тоже приведет к перегреву.

Таким образом, оборудование следует подключать в сеть той частоты, на которую оно рассчитано. При этом существует техника, способная нормально работать и в сети с частотой 50 Гц, и в сети с частотой 60 Гц (Рисунок 8). Чаще всего в сети с разными частотами может работать различное электронное оборудование, например, персональные компьютеры, мониторы или телевизоры.

Рисунок 8.	Зарядное устройство, способное работать в системах электроснабжения с частотой и 50 Гц, и 60 Гц.

Вторым важным параметром переменного напряжения является значение его амплитуды V_m. Внимательный читатель, рассматривая Рисунок 2, наверняка обратил внимание, что в розетке, на которой написано «230 В», напряжение 230 В бывает только два раза за период. Все остальное время напряжение может принимать любое значение, но только не 230 B. На самом деле, каким угодно оно быть не может, ведь закон его изменения во времени полностью определяется формулой (4), но и равным 230 В оно, действительно, становится лишь дважды за период. Так откуда же взялась цифра «230 В»?

Дело в том, что 230 В – это величина действующего значения напряжения, которое также называют среднеквадратичным или эффективным (Root Mean Square, RMS или r.m.s.). В системах электроснабжения (и не только) среднеквадратичное значение непосредственно связано с энергетическими параметрами разных процессов, а в данном случае – непосредственно с процессом передачи энергии.

Посмотрите внимательно на Рисунок 5. При использовании переменного напряжения мощность p(t) (скорость передачи энергии) постоянно изменяется от нуля до некоторого максимального значения. Как определить, какое количество энергии было передано в нагрузку, например, в течение одного периода сетевого напряжения? Зная действующие значения напряжения V и тока I это сделать очень легко – достаточно просто перемножить эти два параметра (P = VI – как мы это не раз делали). Но такую операцию можно проделать только с действующими значениями. Если попытаться это сделать с мгновенными значениями (p(t) = v(t)i(t)), то выяснится, что мощность тоже является функцией времени (см. формулу (7)). А это очень неудобно при практических расчетах. Таким образом, действующее значение переменного напряжения эквивалентно такому значению постоянного напряжения, при котором через систему за один и тот же отрезок времени (в данном случае – за период T) пройдет одинаковое количество энергии.

В общем случае, действующее значение X любой периодической величины x(t) определяется по формуле:

Если подставить в формулу (9) закон изменения напряжения в сети (4) и провести все необходимые математические преобразования, то получим очень простое соотношение, связывающее действующее значение сетевого напряжения V с его амплитудным значением V_m:

Несложно подсчитать, что в сети с действующим напряжением V = 230 В амплитудное значение напряжения V_m должно быть равно:

Физический смысл этого расчета заключается в следующем: сеть, напряжение которой изменяется от –325 В до +325 В по синусоидальному закону, энергетически эквивалентна сети с постоянным напряжением, равным 230 В. Поэтому на всех розетках и пишут «230 В», хотя реальное значение напряжения в ней с этой цифрой имеет мало что общего.

То же самое касается и токов. Если в технической документации оборудования указано, что для его работы необходимо переменное напряжение и при этом оно потребляет ток, например, 1 А, то эта цифра является именно действующим значением тока, а реальный ток в процессе работы будет изменяться от –1.41 А до +1.41 А с частотой сети (при условии, что ток имеет синусоидальную форму).

Рисунок 9.

Параметры переменного напряжения.

Переменное напряжение имеет и другие параметры, например, среднее значение или размах (Рисунок 9), однако на данном этапе изучения вопросов, связанных с основами электропитания, пока нужно разобраться только с амплитудными и действующими значениями, а к остальным параметрам будем обращаться по мере необходимости.

Особенности трехфазных систем электропитания

Итак, ключевым недостатком однофазных систем переменного напряжения является неравномерность генерации и транспортировки энергии (Рисунок 5). И этой особенности лишены трехфазные системы, которые сейчас используются во всем мире.

Трехфазную систему электроснабжения можно упрощенно представить в виде трех одинаковых систем, напряжения в которых сдвинуты по фазе на треть периода – 120 градусов или 2π/3 радиан. Получить трехфазное напряжение можно, например, с помощью трех отдельных однофазных генераторов переменного напряжения, роторы которых расположены на одном валу, но повернуты на 120°. Однако наилучший эффект будет в случае, когда все три обмотки будут расположены на общем магнитопроводе статора генератора (Рисунок 10). В таком устройстве при равномерном вращении ротора с постоянным магнитом в каждой обмотке будет генерироваться переменное синусоидальное напряжение, сдвинутое по фазе на 120° по отношению к напряжению других обмоток.

Рисунок 10.

Принцип работы трехфазного генератора.

В простейшем случае каждую обмотку можно подключить к своему потребителю и получить три изолированные и практически независимые системы электропитания. Однако в этом случае теряются все преимущества трехфазного напряжения, поэтому все три обмотки соединяют вместе. Различают два способа соединения: «треугольником», когда начало одной обмотки соединяется с концом другой, и «звездой», когда начала обмоток соединяются вместе, а соединительные провода подключаются к концам обмоток (Рисунок 11). Достоинства и недостатки каждого из способов соединения взаимно компенсируют друг друга, поэтому энергетики, за исключением «последней мили», одинаково часто используют оба способа. Более того, трехфазная система позволяет смешивать оба типа соединений, например, обмотки генератора могут быть соединены по схеме «треугольник», а потребители – по схеме «звезда».

Рисунок 11.

Схемы соединения в трехфазной сети.

Ключевыми преимуществами трехфазной системы являются наименьшая стоимость линий электропередач, поскольку для передачи энергии необходимы три провода с меньшим суммарным сечением, чем при использовании двух проводов, а также равномерная скорость передачи энергии. Несмотря на то, что мощность в каждой обмотке генератора пульсирует с удвоенной частотой напряжения, общая мощность всех трех обмоток в любой момент времени постоянна (при условии, что все обмотки имеют одинаковые нагрузки). Это обстоятельство значительно упрощает конструкцию генераторов и электродвигателей – основных потребителей электрической энергии в промышленности. Кроме этого, трехфазное оборудование оказывается меньше, легче, чем однофазное той же мощности [5]. Например, трехфазные трансформаторы за счет использования общего для всех трех фаз магнитопровода оказываются меньше, легче и дешевле трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Теперь становится понятно, почему во всем мире трехфазные системы электропитания имеют наибольшую популярность – передавать энергию с меньшими затратами человек пока еще не научился. Однако все, что было рассмотрено выше, интересует больше энергетиков – это их область. Специалистов в области электроники и информационных технологий, а также простых пользователей бытовых электроприборов больше интересует «последняя миля» глобальной энергосистемы – домашняя и офисная электропроводка, ведь именно с ней связано бóльшая часть реальных проблем, которые приходится решать самостоятельно. Поэтому давайте разбираться дальше.

Особенности домашней и офисной электропроводки

«Последняя миля» системы электроснабжения начинается после последней трансформаторной подстанции, понижающей напряжение до величины 0.4 кВ. Первичные обмотки последнего понижающего трехфазного трансформатора могут быть соединены по любой схеме («треугольник» или «звезда» – как удобно энергетикам), но вторичные обычно всегда подключают по схеме «звезда». Причем точку соединения обмоток трансформатора электрически соединяют с землей, и к этой точке идет дополнительный провод, называемый «нулевым». Таким образом, электрическая энергия от понижающей трансформаторной подстанции поступает к потребителям по четырем проводам, из которых три являются «фазными» (фаза А, фаза В и фаза С), а четвертый – нулевым (Рисунок 12).

Рисунок 12.

Напряжения в трехфазной сети.

Напряжение каждой из вторичных обмоток трансформатора равно 230 В. Таким образом, напряжение между нулевым и любым из фазных проводов равно 230 В. Это напряжение энергетики называют «фазным». Но если измерить напряжение между любыми двумя фазными проводниками, то окажется, что оно будет приблизительно равно 400 В, что почти в два раза больше. Это напряжение называют «линейным». Точное соответствие между фазными V_F и линейными V_L напряжениями определяется формулой:

Происходит это из-за того, что фазные напряжения сдвинуты по фазе на 120°, из-за чего и происходит это увеличение (Рисунок 13). При этом результирующее напряжение является синусоидальным, но сдвинутым по фазе на –5π/6 (–150°) по отношению к опорной фазе (фазе, потенциал которой принят в качестве нулевого при проведении измерений).

Рисунок 13.

Принцип формирования линейных напряжений.

Возможность получения нескольких напряжений является еще одним преимуществом трехфазной системы, ведь, как известно из предыдущей статьи, чем выше напряжение питания, тем меньше ток в цепи и дешевле электрические кабели. Таким образом, маломощных потребителей, теоретически, можно подключать к фазному напряжению 230 В, а мощных – к линейному 400 В, что позволит по одному и тому же кабелю пропустить в 1.732 раза больше энергии.

Однако на практике поступают немного иначе. Маломощных потребителей, действительно, подключают к одной из фаз системы электроснабжения, а мощных – сразу к трем фазам (Рисунок 14). В этом случае мощные потребители потребляют энергию сразу из трех фаз, что обеспечивает равномерное распределение механической нагрузки на вал генератора электростанции и уменьшает потери при транспортировке электричества.

Рисунок 14.

Способы подключения потребителей разной мощности.

В системах электроснабжения «мощными» считаются потребители, имеющие мощность более 1 кВт. Начиная с этого уровня, трехжильные медные кабели становятся дешевле двужильных. Из-за этого очень сложно найти однофазное оборудование с мощностью более 2.5 кВт. По этой же причине максимальный ток большинства электрических розеток не превышает 16 A. При таком токе максимальная мощность, которую можно потребить от розетки, равна 230∙16 ≈ 3.7 кВт, что вполне достаточно для питания большинства однофазных приборов.

Заключение

Итак, теперь стало понятно, как устроена «последняя миля» системы энергоснабжения и зачем нужен сдвиг по фазе ее питающих напряжений. На самом деле принцип разделения одного мощного процесса на несколько маломощных, но протекающих в разные моменты времени, не является чем-то уникальным. Например, этот же принцип используется в двигателях внутреннего сгорания, в которых цилиндры работают по очереди. По такому же принципу работают многофазные преобразователи постоянного напряжения на материнской плате компьютера, формирующие напряжения для питания процессора и других устройств. Однако использование такого подхода в системах электроснабжения является, на мой взгляд, одним из самых удачных.

Тем не менее, трехфазная система электроснабжения, несмотря на применение многих интересных технических решений, не лишена своих особенностей и недостатков. Например, наличие двух напряжений 230/400 В и возможность одно- и трехфазного подключения, с одной стороны, являются несомненными преимуществами, ведь это позволяет выбрать наиболее оптимальный способ соединения оборудования разной мощности. С другой стороны, при аварии, например, при обрыве нулевого провода, такая система способна вывести из строя все однофазное оборудование и даже стать причиной пожара. Но об этой особенности речь пойдет уже в следующей части цикла.

Сноски

1) Существует ряд схем, например, делители напряжения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, позволяющих изменить величину постоянного напряжения без дополнительных преобразований. Однако эти схемы принципиально не могут увеличить напряжение. Кроме того, их КПД напрямую зависит от соотношения входного и выходного напряжения и может оказаться недопустимо малым.

2) Математическая конструкция «dΦ/dt» означает «первая производная магнитного потока Φ по времени t». Она показывает, на какую величину (dΦ) изменился магнитный поток Φ за время (dt), при условии, что интервал наблюдения стремится к нулю (dt → 0). Если магнитный поток за время dt не изменился (dΦ = 0), то и первая производная будет равна нулю.

3) На самом деле, магнитные процессы в трансформаторе намного сложнее. В частности, магнитный поток Φ не может резко измениться. Поэтому сразу после подключения обмотки трансформатора к источнику постоянного напряжения магнитный поток будет нарастать в течение некоторого времени, что приведет к появлению ЭДС, однако рано или поздно она исчезнет.

4) Мерцание света при освещении вращающихся объектов может привести к стробоскопическому эффекту – когда кажется, что объект неподвижен, в то время как он вращается с большой скоростью. Это явление может быть как полезным (используется, например, в электропроигрывателях для установки скорости вращения диска), так и опасным для жизни (например, при освещении рабочих мест станков).

5) Это справедливо для мощностей больше 1 кВт. При меньших мощностях дешевле использовать однофазные системы.

Постоянный и переменный ток: чем они отличаются?

Постоянный ток (ПТ) — это вид электрического тока, для которого характерно постоянное направление и сила тока. Это значит, что при постоянном токе электроны движутся в цепи в одном направлении.

Постоянный ток обычно производится источниками электроэнергии, такими как батареи или аккумуляторы, и широко используется в электронике, автомобильной промышленности и других областях.

Переменный ток (ПТ) — это вид электрического тока, в котором направление и сила тока меняются с течением времени. Это означает, что электроны движутся в цепи сначала в одном направлении, затем меняют его.

Переменный ток обычно генерируется электростанциями и широко используется в бытовых электроприборах, освещении, промышленности и транспорте.

В чем разница между переменным и постоянным током?

Одним из ключевых отличий между переменным и постоянным током является их напряжение и частота. Постоянный ток имеет постоянное напряжение, которое остается неизменным со временем, в то время как у переменного тока напряжение меняется. Частота переменного тока измеряется в герцах (Гц) и обычно составляет 50 или 60 Гц в зависимости от страны.

Еще одним отличием между переменным и постоянным током является их поведение в цепи и влияние на устройства. Постоянный ток обычно более стабилен и предсказуем, что делает его подходящим для использования в электронных устройствах, требующих постоянного источника энергии. Переменный ток, с другой стороны, можно трансформировать и регулировать с помощью устройств, таких как трансформаторы, и передавать на большие расстояния без больших потерь.

Что такое напряжение

Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий «бокал», заполненный водой.

Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!

А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.

Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

Напряжение тока — что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.

На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.

Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:

Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.

Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения — это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

В современном мире каждый человек с детства сталкивается с электричеством. Первые упоминания об этом природном явлении относятся к временам философов Аристотеля и Фалеса, которые были заинтригованы удивительными и загадочными свойствами электрического тока. Но лишь в 17 веке великие ученые умы начали череду открытий, касающихся электрической энергии, продолжающихся по сей день.

Открытие электрического тока и создание Майклом Фарадеем в 1831 г. первого в мире генератора кардинально изменило жизнь человека. Мы привыкли, что нашу жизнь облегчают приборы, работающие с использованием электрической энергии, но до сих пор у большинства людей нет понимания этого важного явления. Для начала, чтобы понять основные принципы электричества, необходимо изучить два основных определения: электрический ток и напряжение.

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

• сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
• мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
• частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Что такое переменный ток

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Что такое постоянный ток

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

Источники электрического тока

Источником электрического тока обычно называется прибор или устройство, с помощью которого в цепи можно создать электрический ток. Такие устройства могут создавать как переменный ток, так и постоянный. По способу создания электрического тока они подразделяются на механические, световые, тепловые и химические.

Механические источники электрического тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Таким оборудованием являются различного рода генераторы, которые за счет вращения электромагнита вокруг катушки асинхронных двигателей вырабатывают переменный электрический ток.

Световые источники преобразуют энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников при воздействии на них светового потока выдавать напряжение. К такому оборудованию можно отнести солнечные батареи.

Тепловые – преобразуют энергию тепла в электричество за счет разности температур двух пар контактирующих полупроводников – термопар. Величина тока в таких устройствах напрямую связана с разностью температур: чем больше разница – тем больше сила тока. Такие источники применяются, например, в геотермальных электростанциях.

Химический источник тока производит электричество в результате химических реакций. Например, к таким устройствам можно отнести различного рода гальванические батареи и аккумуляторы. Источники тока на основе гальванических элементов обычно применяются в автономных устройствах, автомобилях, технике и являются источниками постоянного тока.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.

Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров. Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.

В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.

Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам. В качестве примера такого устройства можно привести блоки бесперебойного питания, инверторы в автомобилях или, например, в солнечных электростанциях.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Обозначения на электроприборах и схемах

Часто возникает потребность в том, чтобы определить на каком токе работает устройство. Ведь подключение устройства, работающего на постоянном токе в электрическую сеть переменного тока, неминуемо приведет к неприятным последствиям: повреждению прибора, возгоранию, электрическому удару. Для этого в мире существуют общепринятые условные обозначения для таких систем и даже цветовая маркировка проводов.

Условно, на электроприборах, работающих на постоянном токе указывается одна черта, две сплошных черты или сплошная черта вместе с пунктирной, расположенные друг под другом. Также такой ток маркируется обозначением латинскими буквами DC. Электрическая изоляция проводов в системах постоянного тока для положительного провода окрашена в красный цвет, отрицательного в синий или черный цвет.

На электрических аппаратах и машинах переменный ток обозначается английской аббревиатурой AC или волнистой линией. На схемах и в описании устройств его также обозначают двумя линиями: сплошной и волнистой, расположенных друг под другом. Проводники в большинстве случаев обозначаются следующим образом: фаза – коричневым или черным цветом, ноль – синим, а заземление желто-зеленым.

Почему переменный ток используется чаще

Выше мы уже говорили о том, почему переменный ток в настоящее время используется чаще, чем постоянный. И все же, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Споры о том, какой же ток в использовании лучше идет со времен открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как «война токов» — противоборство Томаса Эдисона и Николы Теслы за использование одного из видов тока. Борьба между последователями этих великих ученых просуществовала вплоть до 2007 года, когда город Нью-Йорк перевели на переменный ток с постоянного.

Самая главная причина, по которой переменный ток используется чаще – это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями . Чем больше расстояние между источником тока и конечным потребителем, тем больше сопротивление проводов и тепловые потери на их нагрев.

Для того, чтобы получить максимальную мощность необходимо увеличивать либо толщину проводов (и уменьшать тем самым сопротивление), либо увеличивать напряжение.

В системах переменного тока можно увеличивать напряжение при минимальной толщине проводов тем самым сокращая стоимость электрических линий. Для систем с постоянным током доступных и эффективных способов увеличивать напряжение не существует и поэтому для таких сетей необходимо либо увеличивать толщину проводников, либо строить большое количество мелких электростанций. Оба этих способа являются дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость электроэнергии в сравнении с сетями переменного тока.

При помощи электротрансформаторов напряжение переменного тока эффективно (с КПД до 99%) можно изменять в любую сторону от минимальных до максимальных значений, что тоже является одним из важных преимуществ сетей переменного тока. Применение трехфазной системы переменного тока еще больше увеличивает эффективность, а механизмы, например, двигатели, которые работают в электросетях переменного тока намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и при передаче электрической энергии на большие расстояния, а для точной и эффективной работы электронных приборов и для автономных устройств целесообразно использовать постоянный ток.

Как пользоваться мультиметром – измерение напряжения, силы тока и сопротивления

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Какие существуют виды источников электрического тока?

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Подбор стабилизатора напряжения для жилого помещения: как выбрать подходящее устройство для дома и квартиры

Перевод ампер (А) в ватты (Вт) и ватт (Вт) в амперы (А): подробное руководство