Je třífázový střídavý proud lepší než jednofázový?

Výhody třífázového proudu jsou zřejmé pouze elektrotechnickým specialistům. Co je to třífázový proud, je pro běžného člověka velmi vágní. Vyjasněme nejistotu.

Třífázový střídavý proud

Většina lidí, s výjimkou specializovaných elektrikářů, má velmi mlhavou představu o tom, co je takzvaný „třífázový“ střídavý proud, a jsou často zmateni, co se týče síly proudu, napětí a elektrického potenciálu. stejně jako moc.

Zkusme tomu dát počáteční pochopení jednoduchým jazykem. Abychom toho dosáhli, pojďme k analogii. Začněme tím nejjednodušším – tokem stejnosměrného proudu ve vodičích. Dá se to přirovnat k vodnímu toku v přírodě. Voda, jak víme, vždy teče z vyššího bodu na povrchu do nižšího. Vždy volí nejekonomičtější (nejkratší) cestu. Analogie s tokem proudu je kompletní. Navíc množství vody protékající za jednotku času určitým úsekem toku bude podobné síle proudu v elektrickém obvodu. Výška libovolného bodu koryta řeky vzhledem k nulovému bodu – hladině moře – bude odpovídat elektrickému potenciálu kteréhokoli bodu v řetězci. A rozdíl ve výšce libovolných dvou bodů na řece bude odpovídat napětí mezi dvěma body okruhu.

Pomocí této analogie si snadno v duchu představíte zákony toku stejnosměrného elektrického proudu v obvodu. Čím vyšší je napětí – výškový rozdíl, tím větší je rychlost proudění a tím i množství vody protékající řekou za jednotku času.

Vodní tok, stejně jako elektrický proud, zažívá při svém pohybu odpor koryta – po kamenitém korytě bude voda prudce proudit, měnit směr, mírně se ohřívat (bouřlivé toky ani při velkých mrazech nezamrzají kvůli k ohřevu z odporu koryta). V hladkém kanálu nebo potrubí bude voda proudit rychle a v důsledku toho za jednotku času projde kanálem mnohem více vody než klikatým a skalnatým kanálem. Odpor proti proudění vody je přesně stejný jako elektrický odpor v obvodu.

Nyní si představte uzavřenou láhev s trochou vody. Pokud začneme touto lahví otáčet kolem příčné osy, pak voda v ní bude proudit střídavě od hrdla ke dnu a naopak. Tato myšlenka je analogií střídavého proudu. Zdálo by se, že stejná voda teče tam a zpět, tak co? Tento střídavý proud vody je však schopen vykonávat práci.

Kde se vzal koncept střídavého proudu?

Ano, od té doby, co se lidstvo naučilo, že pohyb magnetu v blízkosti vodiče způsobuje elektrický proud ve vodiči. Je to pohyb magnetu, který způsobuje proud, pokud je magnet umístěn vedle drátu a nepohybuje se, nezpůsobí žádný proud ve vodiči. Dále chceme přijímat (generovat) proud ve vodiči, abychom jej v budoucnu mohli použít k nějakému účelu. Za tímto účelem vytvoříme cívku z měděného drátu a začneme v její blízkosti pohybovat magnetem. Magnet lze v blízkosti cívky libovolně posouvat – posouvat s ním po přímce tam a zpět, ale abyste s magnetem nehýbali rukama, je vytvoření takového mechanismu technicky náročnější, než s ním jen začít otáčet v blízkosti cívky, podobně jako otáčení láhve s vodou z předchozího příkladu. Právě tímto způsobem jsme – z technických důvodů – získali sinusový střídavý proud, který se dnes používá všude. Sinusovka je časově rozšířený popis rotace.

Později se ukázalo, že zákony toku střídavého proudu v obvodu se liší od toku stejnosměrného proudu. Například pro tok stejnosměrného proudu se odpor cívky jednoduše rovná ohmickému odporu vodičů. A pro střídavý proud se odpor cívky drátu výrazně zvyšuje v důsledku výskytu takzvané indukční reaktance. Stejnosměrný proud neprochází nabitým kondenzátorem, kondenzátor je otevřený obvod. A střídavý proud je schopen volně protékat kondenzátorem s určitým odporem. Dále bylo zjištěno, že střídavý proud lze pomocí transformátorů přeměnit na střídavý proud jiných napětí nebo proudů. Stejnosměrný proud se k takové transformaci nehodí, a pokud zapneme jakýkoli transformátor do sítě stejnosměrného proudu (což je absolutně nemožné), nevyhnutelně se spálí, protože stejnosměrnému proudu bude vzdorovat pouze ohmický odpor. drátu, který je vyroben co nejmenší, a primárním vinutím poteče v režimu zkratu velký proud.

Všimněte si také, že elektromotory mohou být navrženy tak, aby fungovaly na stejnosměrný i střídavý proud. Rozdíl mezi nimi je však tento: stejnosměrné elektromotory jsou obtížnější na výrobu, ale umožňují plynule měnit rychlost otáčení pomocí konvenčního reostatu, který reguluje sílu proudu. A střídavé elektromotory jsou mnohem jednodušší a levnější na výrobu, ale otáčejí se pouze jednou rychlostí, určenou konstrukcí. Obojí se proto v praxi hojně využívá. Podle účelu. Pro účely řízení a regulace se používají stejnosměrné motory a střídavé motory jako elektrárny.

Dále se návrhová myšlenka vynálezce generátoru posunula přibližně tímto směrem – pokud je nejvhodnější použít rotaci magnetu vedle cívky pro generování proudu, proč místo toho neumístit několik cívek kolem rotujícího magnetu jedné cívky generátoru (tam je kolem tolik místa)?

Okamžitě získáte něco, co vypadá jako několik generátorů poháněných jedním rotujícím magnetem. Kromě toho se střídavý proud v cívkách bude lišit ve fázi – maximální proud v následujících cívkách bude poněkud zpožděn ve srovnání s předchozími. To znamená, že současné sinusoidy, pokud jsou znázorněny graficky, budou jakoby posunuty mezi sebou. Touto důležitou vlastností je fázový posun, o kterém budeme hovořit níže.

Přibližně tímto způsobem vynalezl americký vynálezce Nikola Tesla nejprve střídavý proud a poté systém generování třífázového proudu se šesti dráty. Umístil tři cívky kolem magnetu ve stejných vzdálenostech v úhlech 120 stupňů, pokud je osa rotace magnetu brána jako střed úhlů.

(Počet cívek (fází) může být ve skutečnosti libovolný, ale pro získání všech výhod, které systém generování vícefázového proudu poskytuje, stačí minimálně tři).

Dále ruský elektroinženýr Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolsky vyvinul vynález N. Tesly, nejprve navrhl tří- a čtyřvodičový systém pro přenos třífázového střídavého proudu. Navrhl připojit jeden konec všech tří vinutí generátoru k jednomu bodu a přenášet elektřinu pouze čtyřmi dráty. (Úspory na drahých neželezných kovech jsou značné). Ukázalo se, že při symetrickém zatížení každé fáze (stejný odpor) je proud v tomto společném vodiči nulový. Protože při sečtení (algebraicky, s přihlédnutím ke znaménkům) fázově posunutých proudů o 120 stupňů se navzájem ruší. Tento společný vodič se nazýval neutrální. Protože proud v něm vzniká pouze při nerovnoměrném zatížení fází a numericky je malý, mnohem menší než fázové proudy, bylo možné použít drát menšího průřezu jako „nulový“ drát než pro fázi. dráty.

Ze stejného důvodu (fázový posun o 120 stupňů) se ukázaly třífázové transformátory jako materiálově mnohem méně náročné, protože v magnetickém jádru transformátoru dochází k vzájemné absorpci magnetických toků a lze ji vyrobit s menším příčným sekce.

Dnes je třífázový napájecí systém realizován čtyřmi vodiči, tři z nich se nazývají fáze a jsou označeny latinskými písmeny: u generátoru – A, B a C, u spotřebitele – L1, L2 a L3. Nulový vodič je označen 0.

Napětí mezi nulovým vodičem a kterýmkoli z fázových vodičů se nazývá fáze a ve spotřebitelských sítích je 220 voltů.

Mezi fázovými vodiči je také napětí a mnohem vyšší než fázové napětí. Toto napětí se nazývá lineární a ve spotřebitelských obvodech je 380 voltů. Proč je větší než fáze? Ano, to vše je způsobeno fázovým posunem o 120 stupňů. Pokud je tedy na jednom vodiči například v daném okamžiku potenciál plus 200 voltů, pak na druhém fázovém vodiči ve stejném okamžiku bude potenciál mínus 180 voltů. Napětí je rozdíl potenciálů, to znamená, že bude + 200 – (-180) = +380 V.

Vyvstává otázka: pokud nulovým vodičem neprotéká žádný proud, je možné jej úplně odstranit. Může. A získáme třívodičový napájecí systém. S připojením spotřebitelů v takzvaném „trojúhelníku“ – mezi fázovými vodiči. Je však třeba poznamenat, že při nerovnoměrném zatížení na stranách „trojúhelníku“ bude generátor vystaven destruktivnímu zatížení, takže tento systém lze použít s velkým počtem spotřebitelů, když se nerovnoměrné zatížení vyrovná. Tímto způsobem se provádí přenos elektřiny z velkých elektráren při vysokém fázovém a síťovém napětí (stovky tisíc voltů). Proč se používá tak vysoké napětí? Odpověď je jednoduchá – snížit tepelné ztráty v drátech. Protože ohřev vodičů (ztráta energie) je úměrný druhé mocnině protékajícího proudu, je žádoucí, aby protékající proud byl minimální. Abyste přenášeli požadovaný výkon při minimálním proudu, musíte zvýšit napětí. Takto se označují vedení pro přenos energie (PTL), např. PTL – 500 – jedná se o vedení pro přenos energie o napětí 500 kilovoltů.

Mimochodem, ztráty v drátech elektrického vedení lze dále snížit použitím vysokonapěťového stejnosměrného přenosu (přestane fungovat kapacitní složka ztrát působících mezi dráty), i takové experimenty byly provedeny, ale takový systém nebyl přesto se rozšířily, zřejmě kvůli větším úsporám drátů s třífázovým generovacím systémem.

Závěry: výhody třífázového systému

Na konci článku si shrňme – jaké výhody poskytuje třífázový systém výroby a napájení?

1. Úspora počtu vodičů potřebných k přenosu elektřiny. Vzhledem ke značným vzdálenostem (stovky a tisíce kilometrů) a skutečnosti, že se na dráty používají barevné kovy s nízkým elektrickým odporem, jsou úspory poměrně značné.
2. Třífázové transformátory se stejným výkonem jako jednofázové transformátory mají výrazně menší velikosti magnetického jádra. To vám umožní získat značné úspory.
3. Je velmi důležité, že třífázový elektrický přenosový systém vytváří, když je spotřebič připojen na tři fáze, jakési rotující elektromagnetické pole. Opět kvůli fázovému posunu. Tato vlastnost umožnila vytvořit extrémně jednoduché a spolehlivé třífázové elektromotory, které nemají komutátor a rotor je ve skutečnosti jednoduchý „přířez“ v ložiskách, ke kterému není třeba připojovat žádné vodiče. (Ve skutečnosti má konstrukce rotoru nakrátko své vlastní charakteristiky a vůbec nejde o polotovar) Jedná se o tzv. třífázové asynchronní elektromotory s rotorem nakrátko. Dnes velmi rozšířené jako elektrárny. Pozoruhodnou vlastností takových motorů je schopnost změnit směr otáčení rotoru na opačný směr pouhým přepnutím libovolných dvou fázových vodičů.
4. Možnost získání dvou provozních napětí v třífázových sítích. Jinými slovy, změňte výkon elektromotoru nebo topné instalace pouhým přepnutím přívodních vodičů.
5. Schopnost výrazně omezit blikání a stroboskopický efekt lamp používajících zářivky umístěním tří lamp do lampy, napájených z různých fází.

Díky těmto výhodám se ve světě rozšířily třífázové napájecí systémy.

Elektrický proud jako zdroj energie je široce využíván v každodenním životě, v dopravě, ve výrobě a ve všech ostatních oblastech lidské činnosti. S jeho pomocí se aktivují různé mechanismy, funkce osvětlení, generuje se energie pro všechny typy elektronických loučení atd.

Systém elektrického napájení lze realizovat na bázi stejnosměrného i střídavého napětí. Poněkud snazší je pracovat s konstantním napětím zařízení, která jej využívají, vykazují lepší hmotnostní a rozměrové charakteristiky a nemají problémy s elektromagnetickou kompatibilitou. Navzdory tomu moderní napájecí systémy přenášejí střídavý proud. To se děje ze dvou hlavních důvodů:

1. Při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti je nutné zvýšit napětí zdroje z důvodů minimalizace ztrát; zároveň by měla být při dodávce elektřiny konečnému spotřebiteli snížena na přiměřenou hodnotu; proces konverze je mnohem snazší implementovat na střídavý proud.
2. Mnohem snazší je přeměnit energii střídavého napětí na mechanickou práci, tzn. elektrický motor, který jej používá, má ve srovnání s jeho protějškem jednodušší konstrukci.

Rozdíly mezi AC sítěmi

Při implementaci napájecích systémů se používají jednofázová a třífázová schémata.

Z hlediska mechanického provedení jsou rozdíly mezi jednofázovou sítí a třífázovou sítí mezi sebou omezeny pouze počtem vodičů:

• v prvním případě má nejjednodušší zapojení dva vodiče (nulový a fázový);
• u 3fázového vedení se jejich počet zvyšuje na čtyři: tři stejně fázové vodiče plus jeden nulový vodič (u vysoce kvalitních systémů se praktikuje zařadit i pátý ochranný zemnící vodič).

Fázové vodiče jsou identifikovány:

• vizuálně podle barvy skořápky (žlutá první nebo A; zelená druhá nebo B, červená třetí nebo C);
• pomocí indikátoru na bázi elektroluminiscenční lampy.

Co se týče výstupního napětí:

• pro jednofázovou síť je to 220 V;
• Funkční 3-fázová síť poskytuje napětí 380 V mezi libovolnými dvěma fázemi a 220 V mezi fází a nulou.

Posledně jmenované je základem pro vznik ne zcela správného, ​​ale dobře zapamatovatelného pravidla, že různé systémy mají třífázové napětí 380 V a jednofázové napětí 220 V.

Výhody vícefázového napájecího systému

Rozdíl mezi jednofázovým a třífázovým napětím začíná na konstrukční úrovni generátoru: 3fázové zařízení obsahuje tři vinutí. Napětí z nich odebrané má fázový posun 120°. Takové jednoduché konstrukční řešení určuje poměrně četné výhody třífázového systému oproti jednofázovému. Pokud jde o 3-fázovou verzi:

• Vytvoření elektromotoru je znatelně zjednodušeno, protože Magnetické pole 3-fázového střídavého proudu je ze své podstaty rotující;
• poskytuje výrazně vyšší účinnost elektromotoru;
• při zářivkovém osvětlení je blikání výrazně omezeno a stroboskopický efekt je účinně potlačován;
• v případě kompetentního návrhu lze snadno dosáhnout účinku elektrického vyvážení vedení;
• jsou-li všechny ostatní věci stejné, je proud v každém z třífázových vodičů třikrát snížen, což snižuje ztráty v důsledku kvadratické závislosti elektrického výkonu na proudu.

Z poslední vlastnosti je zřejmé, že třífázové elektrické vedení je třikrát výkonnější než jednofázové sítě

U elektronických zařízení je 3-fázová varianta výhodná v tom, že počítače lze napájet z fáze, která vykazuje nejlepší ukazatele kvality.

Je také důležité, aby bylo možné snadno implementovat 220voltové vedení, pokud je k dispozici 380voltové vedení.

Aplikace

Hlavní rozdíly mezi jednofázovým a třífázovým proudem určují ohniska použití na nich založených napájecích systémů:

• třífázové zapojení je vhodnější pro řešení různých výrobních a technologických problémů, kde je vyžadován vysoký výkon a je instalováno velké množství elektromotorů;
• Pro řešení různých problémů v domácnosti a zajištění funkčnosti různých zařízení s relativně nízkou spotřebou je vhodné použít jednodušší, méně výkonný, méně náročný 220voltový systém na úroveň elektrické ochrany.

Ve skutečnosti to znamená, že jednofázové a třífázové elektrické sítě spolu sousedí, často se doplňují a mají také jasně definované ohniska použití.

Charakteristickým rysem posledních let je rostoucí obliba 3fázových sítí v obytných domech. To je způsobeno masivním vzhledem různých elektrických zařízení s vysokou spotřebou energie. Pro ilustraci tohoto bodu můžeme takové spotřebitele označit jako:

• elektrické sporáky;
• myčky nádobí a pračky;
• některé typy topných systémů.

Dobrým číselným kritériem pro proveditelnost přechodu na 3-fázový design domácího napájecího systému je celkový příkon vyšší než 10 – 15 kW.