Co je fáze, fázový úhel a fázový posun

Fáze, fázový úhel a fázový posun jsou důležité pojmy v elektrotechnice a energetice. Pochopení těchto pojmů je předpokladem pro kvalifikované elektrotechniky a další odborníky pracující v oboru.

Hrají klíčovou roli v pochopení fungování elektrických systémů a umožňují vysoce kvalitní analýzu a diagnostiku případných poruch.

V tomto článku se podíváme na základní pojmy související s fázemi, fázovými úhly a fázovým posunem a také na jejich aplikaci v elektrotechnice a energetice.

Když mluvíme o střídavém proudu, často používáme termíny jako „fáze“, „fázový úhel“, „fázový posun“. Obvykle se jedná o sinusový střídavý proud nebo pulzující proud (vyrobený usměrněním sinusového proudu).

Protože periodická změna EMF v síti nebo proudu v obvodu je harmonický oscilační proces, pak je funkce popisující tento proces harmonická, tedy sinusová nebo kosinusová, v závislosti na počátečním stavu oscilačního systému.

Argumentem funkce je v tomto případě právě fáze, tedy poloha kmitající veličiny (proud nebo napětí) v každém uvažovaném časovém okamžiku vzhledem k okamžiku, kdy oscilace začínají. A funkce sama nabývá hodnoty kolísavé veličiny ve stejném časovém okamžiku.

Fáze v elektrotechnice označuje vodič, který je pod napětím. Tento vodič vede střídavé elektrické napětí a proud a dodává energii elektrickým zařízením.

Abychom lépe porozuměli významu termínu „fáze“, podívejme se na graf napětí v jednofázové síti AC v závislosti na čase. Zde vidíme, že se napětí mění z určité maximální hodnoty Um na -Um, periodicky prochází nulou.

Během procesu změny nabývá napětí v každém časovém okamžiku mnoho hodnot, periodicky (po časovém období T) se vrací k hodnotě, od které začalo pozorování tohoto napětí.

Můžeme říci, že v každém okamžiku je napětí v určité fázi, která závisí na několika faktorech: na době t, která uplynula od začátku kmitů, na úhlové frekvenci a na počáteční fázi. V závorce je uvedena úplná fáze kmitů v aktuálním časovém okamžiku t. Psi je počáteční fáze.

V třífázových systémech jsou fáze obvykle označeny jako L1, L2 a L3. Fáze je aktivní část elektrického obvodu, která napájí zátěže.

Fázový úhel

Fázový úhel je veličina, která charakterizuje polohu oscilační funkce v určitém časovém bodě vzhledem k počátečnímu stavu. V kontextu elektrických obvodů fázový úhel ukazuje rozdíl mezi napětím a proudem ve střídavém proudu.

Počáteční fáze se v elektrotechnice nazývá počáteční fázový úhel, protože fáze se měří v radiánech nebo stupních, jako všechny běžné geometrické úhly. Limity změny fáze se pohybují od 0 do 360 stupňů nebo od 0 do 2*pi radiánů.

Výše uvedený obrázek ukazuje, že v okamžiku začátku pozorování střídavého napětí U nebyla jeho hodnota nulová, to znamená, že fáze v tomto příkladu se již odchýlila od nuly o určitý úhel Psi, který se rovnal asi 30 stupňům nebo pi/ 6 radiánů – toto je počáteční fázový úhel.

Jako součást argumentu sinusové funkce je Psi konstantní, protože tento úhel je určen na začátku pozorování měnícího se napětí a poté se v zásadě nemění. Jeho přítomnost však určuje celkový posun sinusové křivky vzhledem k počátku.

Jak napětí dále osciluje, mění se aktuální fázový úhel a s ním se mění i napětí.

Pro sinusovou funkci, pokud je celkový fázový úhel (celková fáze s přihlédnutím k počáteční fázi) nula, 180 stupňů (pi radiány) nebo 360 stupňů (2*pi radiány), pak napětí nabývá hodnoty nula a pokud fázový úhel nabývá hodnoty 90 stupňů ( pi/2 radiány) nebo 270 stupňů (3*pi/2 radiány), pak je v takových okamžicích napětí maximálně vychýleno od nuly.

Fázový úhel je důležitý pro určení účiníku a provozní účinnosti zařízení.

Fázový posun

Typicky se během elektrických měření v obvodech střídavého sinusového proudu (napětí) monitoruje současně proud i napětí ve studovaném obvodu. Poté jsou grafy proudu a napětí zobrazeny na společné souřadnicové rovině.

V tomto případě jsou frekvence změn proudu a napětí totožné, ale odlišné, pokud se podíváte na grafy, jejich počáteční fáze. V tomto případě říkají o fázovém posunu mezi proudem a napětím, tedy o rozdílu jejich počátečních fázových úhlů.

Jinými slovy, fázový posun určuje, jak moc je posunuta jedna sinusoida v čase vzhledem k druhé. Fázový posun, stejně jako fázový úhel, se měří ve stupních nebo radiánech. Sinus, jehož perioda začíná dříve, je ve fázi napřed a ten, jehož perioda začíná později, ve fázi zaostává. Fázový posun se obvykle označuje písmenem Phi.

Fázový posun, například mezi napětími na vodičích třífázové sítě střídavého proudu vůči sobě navzájem, je konstantní a rovná se 120 stupňům nebo 2 * pi / 3 radiánům.

Fázový posun ovlivňuje vzájemnou interakci proudu a napětí, což může vést ke ztrátám energie a snížení účinnosti zařízení. Například u indukčních zátěží (jako jsou elektromotory) se proud zpožďuje za napětím, což má za následek negativní fázový posun.

Praktická aplikace

Pochopení pojmů fáze, fázový úhel a fázový posun je klíčem k řešení mnoha praktických problémů v elektrotechnice. Používají se v různých oblastech, jako je výroba energie, automatizace a elektronika.

V elektroenergetice se fáze, fázový úhel a fázový posun používají k určení charakteristik elektrické sítě, včetně posouzení její spolehlivosti a účinnosti. Fázový úhel umožňuje určit synchronizaci proudů v různých fázích a upravit je tak, aby byl zajištěn stabilní provoz systému.

V automatizaci se fázový úhel a fázový posun používají k synchronizaci a řízení procesů, včetně řízení motorů a dalších mechanických zařízení.

V elektronice se fáze, fázový úhel a fázový posun používají k určení charakteristik elektrického signálu a jeho zpracování. Hrají důležitou roli v mnoha elektronických aplikacích, jako je řízení motorů, systémy kódování zvuku a videa, regulace napětí a mnoho dalších.

V řídicích systémech motoru se fáze používají k řízení polohy rotoru a zajištění správného chodu motoru. V systémech kódování zvuku a videa se pro kompresi a dekompresi signálů používá fázový úhel a fázový posun.

V oblasti osvětlení se pro stanovení charakteristik světelných zdrojů a výběr potřebných osvětlovacích prvků využívá fáze, fázový úhel a fázový posun. Například v případě elektronických napájecích zdrojů pro LED lampy může fázový posun ovlivnit kvalitu a jas světla.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Elektřina přišla do našich domovů před více než 100 lety a přinesla s sebou známé pojmy jako fáze, nula a země. Ale slyšet a rozumět tomu, co to je, jsou úplně jiné věci. Pojďme zjistit, jak tyto koncepty aplikovat v praxi.

Elektrický proud – jak to funguje?

Ze školního kurzu fyziky každý ví, že elektrický proud může být konstantní a střídavý. Do domácích zásuvek v bytových prostorách je přiváděn střídavý proud o napětí 220 V.

Elektrický obvod je systém proudových spotřebičů připojených ke zdroji energie ve dvou bodech pomocí vodiče. Jeden vodič vede proud do zařízení a druhý jej vrací zpět. Vodič, kterým proud prochází, se nazývá fáze a výstupní vodič se nazývá nula. Uzemnění je ochranný vodič, který slouží jako svod nouzového napětí.

• Fáze je vodič, kterým je přiváděn proud.
• Nula je vybíjecí vodič, který vyrovnává napětí.
• Zem – zemnění, vodič, který není pod napětím a slouží pro nouzové situace.

Pokud porovnáme vizuálně, představme si nádrž, do které se voda přivádí jednou trubkou k plnění a druhou se vypouští, když je naplněna až po okraj. Přívodní potrubí je srovnatelné s fází, výstupní potrubí je srovnatelné s nulou a nádrž je srovnatelná se spotřebitelským zařízením. Pokud dojde k problému s výtlačným potrubím, nádrž bude nadále přetékat a nakonec praskne. Aby se tomu zabránilo, je v nádrži umístěna třetí trubka, která nouzově odvádí přebytečnou vodu do speciální nádrže. Třetí trubka v tomto případě bude vykonávat funkci uzemnění.

Fáze, nulový vodič a zem v napájení

Napájení spotřebitelů pochází z trafostanice a je přiváděno do elektrického panelu, ze kterého je distribuováno mezi spotřebitele. V bytovém domě se většinou jedná o přístupový rozvaděč, ze kterého je přiváděno napájení do bytových rozvaděčů. Jak tento systém funguje?

Transformátor rozvodny přijímá proud 380 V. Z jeho vinutí zapojených do hvězdy se odebírají 3 fáze a přivádějí se do rozvaděče. Společná nula je připojena k připojovacímu bodu vinutí, kde je připojena k zemní smyčce a rozděluje se na pracovní nulu a ochranný PE vodič (zem).

Všechny moderní bytové domy jsou připojeny k elektrické síti právě tímto pětivodičovým obvodem, který je označen TN-S. Staré sovětské budovy lze propojit pomocí pevného uzemňovacího systému, kde funkce země vykonává nulový vodič. Uzemnění bylo provedeno z transformátoru a z panelu a kabel neměl zemnící vodič.

Standardně se předpokládá, že hodnota napětí ve všech třech fázích přiváděných do přístupového panelu je přibližně stejná. Ve skutečnosti může být objem zatížení, v závislosti na počtu spotřebitelů a jejich výkonu, v každé fázi velmi odlišný. V důsledku toho vzniká potenciální rozdíl mezi nulovým a zemnícím vodičem. Malý nulový průřez tento rozdíl dále prohlubuje, až ke ztrátě spojení s nulou.

Výsledkem jsou havarijní stavy, kdy v přetížených vedeních klesne napětí na minimum a ve zbytku stoupne na 380 V. Proto je oddělení nulového a zemnicího vodiče důležité pro spolehlivý provoz elektrické sítě a bezpečnost lidí.

Jak určit fázi a nulu při provádění bytových elektroinstalací

Při instalaci zásuvek, spínačů a dalších prvků domácího napájecího zdroje se používají indikátory – speciální šroubováky, které identifikují vodič proudu.

Indikátory mohou být 2 typů:

• Jednoduchý čínský indikátor skládající se z hrotu, kontaktní podložky, omezovacího odporu a neonové lampy uvnitř rukojeti. Princip činnosti spočívá ve vytvoření elektrického obvodu využívajícího lidské tělo jako nulu při dotyku fázového vodiče. Mistr se dotkne špičkou jádra a prstem podložky na konci rukojeti, čímž uzavře obvod. Proud prochází klesajícím odporem, stává se bezpečným pro člověka a aktivuje lampu. Kontrolka se rozsvítí – to indikuje fázi. Pokud kontrolka nesvítí, znamená to, že drát je nulový.
• Multifunkční profesionální indikátor. Jeho obvod je postaven na tranzistoru napájeném 3voltovými bateriemi. V takových šroubovácích není žádná kontaktní podložka, takže tento indikátor je považován za spolehlivější a bezpečnější. Když se dotknete fázového vodiče, LED začne svítit.

Je důležité nedotýkat se rukama špičky nebo holé nohy šroubováku, aby nedošlo k úrazu elektrickým proudem.

Pokud je připojen zemnící vodič, lze fázi a nulu určit pomocí voltmetru (multimetru) – multifunkčního měřicího zařízení. Při nastavování kontaktů voltmetru střídavě na fázi, nulu a kostru zařízení zobrazí:

• mezi fází a nulou – 220 V;
• mezi nulou a zemí – 0 V;
• mezi zemí a fází – 220 V.

U zásuvek instalovaných ve starých domech je tato metoda poměrně pochybná, protože zemnící vodič není v takových obvodech zapojen. I s fází bude ukazovat 0 V.

Jak se označují žíly kabelů a proč?

Podle požadavků GOST má třívodičové vedení bytu následující označení jádra:

• fáze – hnědá (černá);
• pracovní nula – světle modrá (modrá);
• uzemnění (ochranná nula) – žlutozelená.

Pokud je použit kabel s jinými barvami, měly by být na spojovacích bodech označeny pomocí cambrics nebo teplem smrštitelného kabelu, natřeny barvami, které odpovídají normám.

Třífázové kabely vstupující do rozvaděče mohou být označeny podle moderních a starých sovětských norem.

Staré značení, které platilo standardně do roku 2011, počítá s označením fází žlutou, zelenou a červenou barvou a nuly modrou barvou. Ochranné uzemnění je označeno žlutozelenou barvou a pracovní uzemnění, které současně plní funkci nuly a země, je označeno kombinací modré izolace se žlutozelenou značkou na konci nebo naopak.

Podle nové GOST musí být fázové vodiče označeny v šedé, hnědé a černé barvě.

Při provádění jakýchkoliv prací na elektrickém vedení je nutné nejprve odpojit síť od napětí. Neopatrné zacházení s elektřinou ohrožuje zdraví a život!

Viz také:

• 220 nebo 230 voltů: jaké by mělo být síťové napětí?
• Které polypropylenové trubky jsou lepší: studium vlastností