Важно. Добавление трех фаз к существующим трем фазам не увеличивает эффективность или производительность приборов. С точки зрения рациональности, это только увеличивает стоимость приборов при сохранении тех же рабочих параметров.
Чем трехфазное напряжение отличается от однофазного
Многие люди сталкивались с трехфазными линиями электропередач. И если в многоквартирных домах обычно используется напряжение 220 В, то в частном секторе большинство владельцев подключают 380 В. Такие трехфазные линии электропередач позволяют использовать электродвигатели для станков и других устройств, которые невозможно установить в жилище. Подавляющее большинство не знает разницы между фазным и сетевым напряжением, а значит, нужно исправить это упущение. Именно это мы и хотим рассмотреть в сегодняшней статье.
Трехфазные сети питаются от подстанций, которые подают напряжение на четыре проводника: три фазы и ноль. Это один из частных случаев многофазных цепей, где электродвижущие силы действуют по синусоиде и с одинаковой частотой. Они генерируются одним и тем же источником, но имеют фазовый угол 120 градусов (2π/3).
Инженер-электрик М.О. Доливо-Добровольский, изучая асинхронные двигатели, ввел четырехпроводную систему в качестве рабочей системы для привода машин и оборудования этого типа. Каждый провод, образующий отдельную цепь в этой системе, называется «фазой». Структура из трех переменных токов, находящихся вне фазы, называется трехфазным током.
Четырехпроводная схема электропитания
В этой конфигурации фазное напряжение составляет 220 В, измеренное между фазным и нейтральным проводником. Напряжение сети составляет 380 В при измерении между двумя фазными проводниками.
Переменное напряжение и его величины
Напряжение зависит от типа тока: переменный ток и постоянный ток. Переменный ток может принимать различные формы, главная особенность заключается в том, что его знак и величина меняются со временем. При постоянном токе знак всегда имеет одну и ту же полярность, а величина может быть фиксированной или неизменной.
Напряжение в наших розетках — это синусоидальное переменное напряжение. Существует несколько значений, наиболее распространенные из которых — мгновенное, амплитудное и среднеквадратичное. Как следует из названия, мгновенное напряжение — это количество вольт в данный момент времени. Амплитуда — это смещение синусоидальной волны относительно нуля в вольтах, а среднеквадратичное значение — это интеграл функции напряжения по времени. Взаимосвязь между ними заключается в том, что среднеквадратичное значение √2 или в 1,41 раза меньше среднеквадратичного значения. Это показано на диаграмме:
Три фазы в доме: нужны они или можно обойтись?
Спорам о том, какой источник питания лучше — однофазный или трехфазный — нет конца, как вечному спору между добром и злом в «Игре престолов». Существуют десятки аргументов за и против каждого выбора. Вы узнаете о плюсах и минусах трехфазного питания, чтобы принять взвешенное, обоснованное решение.
Каждый дом или квартира перед вводом в эксплуатацию подключается к местной электросети. Эта сеть может быть однофазной или трехфазной. Однофазное подключение состоит из двух проводников, фазы и нейтрали, между которыми 220 В. Трехфазная сеть характеризуется наличием четырех проводников: трех фаз и нейтрали. Напряжение между каждой фазой и нейтральным проводником составляет 220 В, а между самими фазами — 380 В (как показано на рисунке).
Для измерения тока в такой сети необходим трехфазный счетчик, который устанавливается местной электроснабжающей компанией. Типичным примером такого счетчика является INCOTEX Mercury 231 AM-01, который предназначен для активного измерения электроэнергии.
Трехфазное питание: преимущества
Трехфазный счетчик дает множество преимуществ владельцу частного дома или дачи. Вот некоторые из них: Преимущество льготного пользования льготами:
С каждым годом количество бытовых приборов в каждом домохозяйстве увеличивается, а значит, растет их общая мощность и нагрузка, которую они передают в сеть. Сегодня в России местные облэнерго предоставляют возможность заключить договор на 5 кВт потребления для однофазных сетей и 15 кВт для трехфазных.
Допустим, у вас однофазная сеть, и суммарная мощность всех приборов в вашем доме составляет 4 кВт. Но проходит время, и вы решаете купить сварочный аппарат мощностью 3 кВт. Кстати, о том, какой сварочный аппарат лучше купить, вы можете прочитать здесь. В этом случае общая мощность составит 7 кВт, и вы ни при каких обстоятельствах не сможете использовать все приборы одновременно. А если вы планируете в будущем установить насосы или электрическое отопление, то вам следует подумать о подключении трехфазной сети.
- Равномерное распределение нагрузки
Запустив три фазы одновременно, можно равномерно распределить нагрузку между ними, чтобы избежать искажений. Например, если вы регулярно занимаетесь сваркой в гараже, лучше всего делать это на другой фазе, чем телевизор, компьютерное оборудование или лампочки дома. Вы можете рассчитать нагрузку для каждого бытового прибора и пропорционально распределить ее между фазами.
Бывают также случаи, когда из-за перегрузки (не по своей вине) напряжение на некоторых фазах падает до 170 В или ниже. Такое часто случается, когда дом находится далеко от трансформаторной подстанции, а перед домом десятки других потребителей. В этом случае электроприборы можно временно переключить на менее нагруженную фазу, а когда искажение «исчезнет», все вернуть на свои места.
Хотя большинство бытовых приборов работает от напряжения 220 В, существуют также приборы для трехфазных сетей 380 В. Можно выделить следующие типы приборов:
- Насосные станции. Для некоторых глубинных и поверхностных насосных станций требуется 380 В.
- Трансформаторные сварочные аппараты.
- Отопительные котлы. Большинство отопительных электрических котлов имеют номинальную мощность в 7 — 9 кВт — однофазная сеть просто-напросто его бы не потянула. Например, для одноконтурного котла ЭВАН Warmos-IV-9.45 мощностью 9.45 кВт обязательно требуется три фазы.
- Возможность установки автоматов и УЗО с меньшими номинальными значениями
Поскольку каждый фазный проводник в трехфазной системе имеет меньшую нагрузку, чем одна фаза в однофазной системе, можно устанавливать выключатели и УЗО с меньшей токовой нагрузкой. Например, если на каждой фазе должно быть установлено оборудование общей мощностью 3 кВт, то для каждой фазы требуется автоматический выключатель, способный выдержать такую нагрузку:
3000/220 = 13,6 А (нагрузка на фазу).
Ближайший автоматический выключатель рассчитан на 16 A. Однако для однофазного электроснабжения с максимальной мощностью 5 кВт требуется автоматический выключатель большей мощности. То же самое относится и к автоматическим выключателям. Мы уже писали о том, как выбрать УЗО в соответствии с его номиналом, поэтому не будем углубляться в эту тему.
Георгий Ерахтин
Если вы покупаете старый дом или новый, где ведется точечная застройка, а не СНТ, то в основном вам выделяется 10 кВт на дом. В этом случае лучше купить у поставщика электроэнергии до 15 кВт. Это дешево и дает много преимуществ для частного дома.
При трехфазном подключении проблем не возникает. При подключении однофазной сети один из трехфазных кабелей, а также нейтраль и земля берутся из общей электрической линии и подключаются. При подключении трехфазной сети используются все кабели.
В большинстве частных домовладений сама трехфазная сеть состоит из нескольких метров пятиполюсного кабеля, ведущего к котлу, кухне или гаражу и машине. Он не намного дороже трехполюсного кабеля: разница в цене составляет около 20 %.
Оборудование для трехфазной сети стоит дороже, чем для обычной. Самые большие расходы — это установка центрального распределительного щита.
| Щиток для однофазной сети | Щиток для трехфазной сети | ||
| Оборудование | Средняя стоимость | Оборудование | Средняя стоимость |
| Вводной автомат | 500 руб. | Вводной автомат | 1 500 руб. |
| Счетчик простой двухтарифный | 2 000 руб. | Счетчик трехфазный двухтарифный | 4 000 руб. |
| DIN-рейки, комплект | 200 руб. | Дифференциальные автоматы | от 3 шт. по 1 000 руб./шт. |
| УЗО (устройства защитного отключения или автоматы) по 16–25 А | до 5 шт. по 200 руб./шт. | Простые УЗО | 3 шт. по 200 руб./шт. |
| Итого: | 3 700 руб. | Итого: | 9 100 руб. |
Как видите, установка трехфазного распределительного щита обходится в среднем в три раза дороже, чем обычного. Однако не стоит забывать, что нужно учитывать не только стоимость покупки, но и стоимость эксплуатации.
Агрегаты, рассчитанные на 380 В, более мощные и эффективные, чем те, которые работают от однофазной сети. Например, электрический бойлер на 220 вольт нагревает воду в 2-3 раза медленнее и потребляет больше энергии.
Неоценимую роль играет также стабильность подключения, производительность сети, комфорт и общая безопасность проводки.
Схемы трехфазных цепей
При соединении звездой имеется три трехфазных линии. Если нейтральная точка сети и приемник соединены вместе, получается четырехпроводная конфигурация звезды.
На схеме различают промежуточное фазное напряжение, которое находится между фазными проводами (также называемое сетевым напряжением), и фазное напряжение, которое находится между отдельными фазными проводами и N-проводником.
Что такое фазное напряжение, можно определить наиболее четко, построив векторы — это три симметричных вектора U(A), U(B) и U(C). Здесь же можно увидеть, что такое напряжение в сети:
- U(АВ) = U(А) – U(В);
- U(ВС) = U(В) – U(С);
- U(СА) = U(С) – U(А).
Важно! Векторные построения дают представление о сдвиге между соответствующими фазными и межфазными напряжениями — 30°.
Следовательно, напряжение сети для соединения звездой с равномерной нагрузкой можно рассчитать следующим образом:
Uab = 2 x Ua x cos 30° = 2 x Ua x √3/2 = √3 x Ua.
Остальные фазные напряжения определяются аналогичным образом.
При сложении векторных значений всех фаз линейные и фазные напряжения равны нулю:
Если электрический прибор подключен к звезде, сопротивление которой одинаково в каждой фазе:
, то можно рассчитать линейные и фазные токи:
- Ia = Ua/Za;
- Ib = Ub/Zb;
- Ic = Uc/Zc.
Построение векторов в цепи «Y».
В общем случае системы «звезда» линейные токи идентичны фазным.
Обычно предполагается, что источник, питающий нагрузки, сбалансирован, и только импеданс определяет работу цепи.
Поскольку суммарный ток равен нулю (закон Кирхгофа), в случае четырехпроводной системы в нейтральном проводнике ток не течет. Система ведет себя одинаково независимо от наличия или отсутствия нейтрального проводника.
Для активной мощности трехфазного приемника применяется формула:
P = √3 x Uf I x cos φ.
Реактивная мощность:
Q = √3 x Uf I x sin φ.
«Y» при асимметричной нагрузке
Это конфигурация цепи, в которой ток одной фазы отличается от тока другой или фазовые сдвиги токов различны по сравнению с напряжениями. Напряжения между фазами остаются симметричными. Возникновение смещения нулевой точки от центра треугольника определяется векторными диаграммами. Результатом является асимметрия напряжений между фазами и возникновение Uo:
Uo = 1/3 (U(A) + U(B) + U(C)).
Несмотря на несимметричную нагрузку, значение суммарного тока равно нулю.
«Y» без проводника N с несимметричной нагрузкой
Существенно, что функционирование цепи с несимметричной нагрузкой зависит от наличия или отсутствия проводника N.
Это не так, если проводник N подключен с пренебрежимо малым сопротивлением Zo = 0. Нулевые точки источника питания и нагрузки гальванически связаны и имеют одинаковый потенциал. Фазные напряжения разных фаз принимают то же значение, что и ток в проводнике N:
Трехфазный и однофазный ток
Схема «Y» позволяет использовать два различных напряжения для питания бытовых и промышленных потребителей: 220 В и 380 В. Напряжение 220 В достигается за счет использования двух проводников. Один из них является фазным, а другой — N-проводником. Напряжение между ними соответствует фазному напряжению. Если взять 2 проводника, представляющие обе фазы, то напряжение между ними называется внешним и соответствует 380 В. Для подключения используются все 3 фазы.
Распределение напряжения в однофазных и трехфазных системах
Наиболее важные различия между однофазными и трехфазными сетями:
- Однофазный ток предполагает питание через один проводник, трехфазный – через три;
- Для завершения цепи однофазного питания требуется 2 проводника: еще один нейтральный, для трехфазного – 4 (плюс нейтральный);
- Наибольшая мощность передается по трем фазам, в отличие от однофазной системы;
- Однофазная сеть более простая;
- При неисправности фазного провода в однофазной сети питание полностью пропадает, в трехфазной – подается по двум оставшимся фазам.
Интересно. Никола Тесла, первооткрыватель многофазного тока и изобретатель асинхронного двигателя, использовал двухфазный ток с разностью фаз 90°; эта система подходит для создания вращающегося магнитного поля, которое больше однофазного, но меньше трехфазного. Двухфазная система впервые стала популярной в США, но больше не используется.
Сегодня электроснабжение основано почти исключительно на низкочастотном трехфазном токе с параллельным соединением отдельных фаз. Почти все электростанции имеют генераторы, вырабатывающие трехфазный ток. Трансформаторы могут работать с трехфазным или однофазным током. Наличие реактивной мощности в таких сетях требует установки компенсационного оборудования.
