Все, что нужно знать об электрических цепях переменного тока: виды, структура и расчеты

Хотя постоянный ток качественнее переменного, в электросетях в основном применяется второй. Причины — удешевление двигателей (генераторов), мизерные потери при транспортировке электричества на большие расстояния и возможность преобразовывать ток трансформированием.

Далее рассмотрим, какими бывают электрические цепи переменного тока и из чего они состоят.

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток, в отличие от постоянного, с определенной периодичностью меняет направление и величину. Генерируется он путем вращения проволочного витка в магнитном поле или, наоборот, магнитного поля при неподвижном витке.

Наводимая ЭДС зависит от синуса угла, на который повернут ротор генератора. Потому все переменные электрические величины являются синусоидальными. Существует два вида цепей переменного тока – одно- и трехфазные.

Параметры переменного тока:

1. амплитуда: максимальное отклонение от нуля. Оно достигается при положении плоскости витка перпендикулярно силовым линиям поля. В момент времени, когда плоскость витка и силовые линии становятся параллельными, ЭДС падает до нуля, затем меняет знак;
2. частота: число полных циклов за секунду (в основном используется ток частотой в 50 Гц);
3. мгновенное значение: величина параметра в данный момент времени;
4. действующее значение (см. ниже).

Недостаток переменного тока: при малых частотах опаснее для живых организмов, чем постоянный.

Однофазные

В однофазной цепи генератор имеет одну обмотка для индукции ЭДС и к ней подключен один проводник. Источников тока может быть и несколько, но они должны работать в одной фазе и на одной частоте.

Трехфазные

В статоре генератора 3-фазной цепи имеется 3 обмотки для индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол в 120 n градусов, где n — число пар полюсов. Соответственно, наводимые в каждой обмотке ЭДС отличаются по фазе на угол в 120 градусов (электрический угол).
При отдельном подключении каждой обмотки для передачи энергии требуется 6 проводов. Систему называют несвязной и сегодня она не применяется ввиду повышенных затрат материалов.

Экономически более целесообразна связанная система, когда обмотки соединены одним из двух способов:

1. «звездой». Обмотки одной стороной замкнуты в одной точке. Это дает возможность применить один нулевой провод, общий для всех фаз, то есть система получается 4-проводной. А если токи в фазах равны (симметричная нагрузка), необходимость в использовании нулевого провода отпадает: токи гасят друг друга (их векторная сумма равна нулю). В этом случае применяется 3-проводная система;
2. «треугольником». Обмотки образуют замкнутый контур: каждая своим концом подключается к началу следующей. В каждой фазе формируется линейное напряжение, равное фазному. Но величина фазного тока окажется в 1,72 раза ниже линейного.

Трехфазная система электроснабжения превосходит однофазную в следующем:

1. требуется меньше материалов для изготовления силовых кабелей;
2. для одной установки доступно два напряжения: фазное (фаза – нейтраль) и линейное (фаза – фаза). То есть при изменении схемы подключения нагрузки со «звезды» на «треугольник», получают два уровня мощности;
3. есть возможность получать вращающееся магнитное поле, чем удешевляется конструкция электродвигателей и других устройств. Для этого в статоре двигателя размещают равноудаленно три обмотки, подключенные к разным фазам;
4. система уравновешена. К примеру, 3-фазные люминесцентные светильники почти не мерцают, в отличие от 1-фазных. В таком светильнике имеется три лампы или группы ламп, подключенных к разным фазам. Когда светимость одной лампы уменьшается, соседняя разгорается. Происходит взаимокомпенсация.

Благодаря уравновешенности одинаково распределяется нагрузка на генератор и тот служит дольше.

Преимущества однофазного подключения

Рассмотрим преимущества однофазного подключения.

Что касается недостатков однофазного подключения, то здесь можно выделить лишь его небольшую мощность и невозможность запитать трехфазных потребителей.

Структура

Электрическая цепь — совокупность устройств и элементов, имеющая целью доставить ток потребителю и преобразовать его в другой вид энергии: тепло, свет или механическую работу.

В цепи различают три части:

1. источник питания;
2. транслирующая часть: провода, выключатели, трансформаторы, стабилизаторы и пр. Все то, что используется для передачи, трансформации электрической энергии и поддержания ее качества на должном уровне;
3. потребители: лампы, электродвигатели, нагреватели и пр.

Источник питания — генератор, аккумулятор, солнечную батарею — называют внутренней частью цепи, остальные компоненты — внешней. Также источник называют активным элементом, прочие — пассивными. Электрическая цепь функционирует только в замкнутом виде, то есть в непрерывном. При размыкании сила тока в ней падает до нуля, хотя участок со стороны генератора или батареи остается под напряжением.

По числу выводов компоненты цепи делятся на два вида:

1. двухполюсные: имеют одну пару выводов. Пример — диод, резистор;
2. многополюсные: имеют более двух выводов. Пример — трансформатор (4 вывода).

Процессы в электрической цепи описываются законами Ома и Кирхгофа.

Компоненты в ней соединяются тремя способами:

• последовательно;
• параллельно;
• комбинированным способом.

Применяют такие термины:

1. ветвь. Участок из последовательно соединенных элементов в параллельной или комбинированной цепи. Законы электротехники гласят: сила тока в пределах ветви одинакова, независимо от величины сопротивления составляющих ее компонентов, а общее сопротивление ветви равно сумме сопротивлений всех ее компонентов. В цепи только с последовательным соединением компонентов, ветвей не выделяют, ее так и называют — неразветвленная цепь;
2. узел. Место, где цепь разветвляется. Принято считать, что сумма токов, сходящихся в узле, равна сумме токов, исходящих из него. Падение напряжения для параллельных ветвей между точками разветвления и схождения — одинаково;
3. контур. Совокупность ветвей, представляющая собой замкнутый путь для тока.

По функциональности отдельные части в структуре электрической цепи делятся на такие виды:

1. силовая. Включает в себя элементы, генерирующие, проводящие, преобразующие и потребляющие электроэнергию;
2. вспомогательная. Различные дополнительные устройства, не относящиеся к силовой части. Например, установки компенсации реактивной мощности, предохранители;
3. измерительная. Относящиеся к этой части приборы позволяют отследить параметры сети и подключенных к ней устройств;
4. управляющая. Оборудование для регулировки параметров устройств либо их включения/отключения.;
5. сигнализирующая. Сообщает путем включения сигнальных устройств об изменениях в параметрах сети.

По сложности электрические цепи делят на:

• простейшие: источник, подключенный к потребителю;
• простые: содержат один контур;
• сложные: насчитывают несколько контуров.

В сложных цепях выделяют:

• многоконтурные;
• многоузловые;
• плоскостные;
• объемные.

Зануление в квартире

Это соединение зануляющего кабеля с нулевым проводником электросети и корпусом прибора. Предполагается, что процедура обеспечивает ускорение отключения устройства от сети при прикосновении к опасному месту, если напряжение выше некоторого порога. Но она сопряжена с дополнительной опасностью: при разрыве нуля все приборы, подключенные в этот момент к сети квартиры, будут на поверхности иметь фазу (а не ноль), что создает существенную угрозу для здоровья жильцов. Поэтому проведение таких монтажных работ жестко регламентируется.

Знать, что именно называется фазой в электросети, и как ее обнаружить, чрезвычайно важно при проведении электромонтажных работ. В противном случае высок риск нанести ущерб здоровью квартирантов или состоянию электроприборов.

Расчет цепи

Основная цель расчета — определение на отдельных участках цепи:

• напряжения;
• силы тока;
• мощности и угла сдвига фаз.

В простых случаях, когда в цепи присутствует только резистивная нагрузка, неудобный для расчетов переменный ток заменяют так называемым действующим значением. Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному, то есть выделяющий то же количество тепла.

Для синусоидальных переменных тока и напряжения, справедливы выражения:

• I = Imax / корень из 2 = Imax / 1.41;
• U = Umax / корень из 2 = Umax / 1.41;
• где I и U — действующие значения, соответственно, тока и напряжения;
• Imax и Umax — амплитуды тока и напряжения, то есть их максимальные отклонения от нуля.

Стандартное напряжение в бытовой электросети 210-230 В — это действующее значение. Реальное значение колеблется в пределах от -296 до 296 В (210 В) или от -324 до 324 В (230 В).

Аналогично, когда говорят, что прибор мощностью 2,2 кВт потребляет ток в 10 А, подразумевают действующее значение, тогда как реальная его величина колеблется в пределах от -14 до 14 А.

График синусоидального переменного тока

Задача усложняется при наличии в комплексе таких элементов:

• катушки индуктивности: возникают ЭДС само- и взаимоиндукции;
• конденсаторы: появляются токи – зарядные и разрядные.

Под влиянием этих процессов напряжение и ток сдвигаются по фазе друг относительно друга, разница составляет 90 градусов, при этом в системах:

• с индуктивностью – U опережает I;
• с конденсаторами – напряжение отстает от тока.

В подобных цепях действуют те же законы, что и в цепях постоянного тока, но заменить переменные напряжения и ток на действующие значения нельзя, существует два пути:

1. оперирование мгновенными значениями переменных величин;
2. запись их в векторной (комплексной) форме.

В первом варианте приходится иметь дело с тригонометрическими уравнениями, поскольку мгновенные значения тока и других параметров выражаются через функцию «sin(ωt)», где ω — угловая частота вращения ротора генератора, t — время. Решение таких уравнений отличается сложностью, потому этот путь непопулярен. Векторными величинами оперировать проще.

Этот метод называют символическим. При составлении уравнений, векторы записывают в виде комплексных чисел, задаваясь условным положительным направлением для тока, напряжения и ЭДС.

В алгебраической форме комплексное число выглядит так A = a + jb, где:

• А — действительная (вещественная) часть;
• j — мнимая единица;
• b — мнимая часть.

Букву, выражающую электрический параметр, в комплексной записи подчеркивают. Для проверки правильности расчета цепи составляют баланс активной и реактивной мощностей.

Вычисление по символическому методу подобно расчету цепи постоянного тока, только все реальные электрические параметры выражаются комплексными числами. Результат расчета — токи и напряжения на участках цепи, также записываются в комплексной форме.

Генерация и трансформация

Принцип генерации электричества прост. Если магнитное поле вращается вдоль стационарного набора катушек из витков проводника или, наоборот, катушка вращается вокруг стационарного магнитного поля, то благодаря явлению электромагнитной индукции на концах обмоток возникает разность потенциалов. С каждым изменением угла поворота в результате описанного кругового движения выходное напряжение также будет меняться как по величине, так и по направлению.

Описанный условный генератор при постоянной угловой скорости вращения вала производит синусоидальный AC с формой волны, ничем не отличающейся от поставляемого в бытовой сети. Реальные генераторы устроены значительно сложнее, но работают на том же принципах электромагнитной индукции.

Эти же законы помогают не только в производстве AC, но и в его передаче и распределении. Преобразования напряжения энергетическим компаниями невозможно осуществить без электрических машин, называемых трансформаторами

Вот почему это изобретение Теслы было так важно для революции в транспортировке электричества

Любой трансформатор состоит из следующих элементов:

• первичной и вторичных обмоток;
• сердечника.

Слово «первичная» применяется для обмотки, на которую подаётся электрическое напряжение, нуждающееся в трансформации. Индуцированное напряжение на вторичной катушке всегда равно приложенному на первичной, умноженному на соотношение витков вторичной к первичной. Трансформатор позволяет пошагово изменять напряжение.

Вывод

Оба варианта электросети являются безопасными только при соблюдении всех необходимых требований при установке.

Как правило, в частном секторе пользователь может выбрать, какой тип электросети ему более приемлем. Но есть основной определяющий фактор – максимально разрешенная мощность, которая указывается в технических условиях на подключение дома к электросети. Например, если в СНТ есть ограничение на 5 кВт мощности (от самого СНТ или питающих сетей), то оно регламентировано исключительно на одну фазу. Как правило, это делается, чтобы было проще все дома СНТ разделить на 3 фазы (например, при 300 участках каждая фаза распределяется на 100 домов), точно зная, что ни один из этих домов не сможет потреблять более 5 кВт и перегружать какую-либо из фаз, вызывая перекос.

Трехфазная сеть позволить получить три фазы, но уже с каждой по 5 кВт, что втрое увеличит возможности (суммарно 15 кВт), и, опять же, каждая фаза остается ограниченной потреблением не более 5 кВт, что не позволит конкретному дому вызывать перекос.

Учитывая все положительные и отрицательные стороны трехфазной сети, её установка в доме необходима лишь в случаях, если планируется подключение:

• большого количества однофазных потребителей;
• мощных трехфазных нагрузок (например, отопительного оборудования или варочной панели);
• трехфазных электроинструментов (например, для организации в доме мастерской).

Если говорить об электрозащите, то как для трехфазной, так и однофазной сети многие пользователи устанавливают стабилизаторы напряжения, которые защищают нагрузку от нестабильного сетевого напряжения. Особенно это актуально для частных домов, коттеджей и дач, где часто встречается некачественное сетевое напряжение. Стабилизатор напряжения становится таким же неотъемлемым элементом электросистемы дома, как вводной автомат, УЗО или электросчетчик.

Система распределения электроэнергии

Исходно напряжение всегда является трехфазным. Под “исходно” я подразумеваю генератор на электростанции (тепловой, газовой, атомной), с которого напряжение в много тысяч вольт поступает на понижающие трансформаторы, которые образуют несколько ступеней напряжения. Последний трансформатор понижает напряжение до уровня 0,4 кВ и подаёт его конечным потребителям – нам с вами, в квартирные дома и в частный жилой сектор.

На крупных предприятиях с потреблением мощности более 100 кВт обычно существуют собственные подстанции 10/0,4 кВ.

Наглядно:

Трехфазное питание – ступени от генератора до потребителя

На рисунке упрощенно показано, как с генератора G напряжение (везде речь идёт про трехфазное) 110 кВ (может быть 220 кВ, 330 кВ или другое) поступает на первую трансформаторную подстанцию ТП1, которая понижает напряжение в первый раз до 10 кВ. Одна такая ТП устанавливается для питания города или района и может иметь мощность порядка от единиц до сотен мегаватт (МВт).

Далее напряжение поступает на трансформатор ТП2 второй ступени, на выходе которого действует напряжение конечного потребителя 0,4 кВ (380В). Мощность трансформаторов ТП2 – от сотен до тысяч кВт. С ТП2 напряжение поступает к нам – на несколько многоквартирных домов, на частный сектор, и т.п.

Такие ступени преобразования уровня напряжения необходимы для того, чтобы уменьшить потери при транспортировке электроэнергии. Подробнее о потерях в кабельных линиях – в другой моей статье.

Схема упрощённая, ступеней может быть несколько, напряжения и мощности могут быть другие, но суть от этого не меняется. Только конечное напряжение потребителей одно – 380 В.

Недостатки трехфазного ввода

У трехфазного подключения есть и свои существенные недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Определение сопротивления петли фаза-ноль

Для обеспечения нормального функционирования электрических приборов и проверки автоматов необходимо периодически проводить замеры сопротивления петли фаза-ноль. Потому как первоочередными причинами поломок осветительных приборов являются перегрузки сети и короткое замыкание. Измерение сопротивления позволяет в кратчайшие сроки выявить неисправность и предотвратить подобную ситуацию.

Далеко не все знают, что представляет собой понятие «петля фаза-ноль». Под этой фразой скрывается контур, образованный в результате соединения нулевого провода, находящегося в заземленной нейтрали. Замыкание этой электрической сети образует петлю фаза-ноль.

Измеряют сопротивление в этом контуре следующими методами:

• падением уровня напряжения в отключенной цепи
• падением уровня напряжения в результате сопротивления возрастающей нагрузки
• использованием профессионального инструмента, интерпретирующего короткое замыкание в цепи

Второй способ используется чаще всего, так как отличается удобством, возможностью быстро измерить сопротивление, а также безопасностью.

Маркировка кабелей по цвету

Это один из наиболее простых методов. Чтобы определить, что такое фаза и ноль по цвету, необходимо четко знать какие оттенки и чему соответствуют. Можно воспользоваться информацией о принятых в стране стандартах.

Не секрет, что каждый провод имеет индивидуальный цвет. Поэтому распознавание нуля не должно составлять особых проблем. Полученные знания позволят легко справиться с монтажом осветительного прибора или установкой розетки. Особенно актуален этот способ для новостроек. Ведь там, как правило, провода протягиваются опытными специалистами, которые четко соблюдают нормы и стандарты. Принятый на территории Российской Федерации в 2004 году стандарт IEC 60446 жестко регламентирует разделение фазы, заземления и нуля по цвету.

Стоит учесть, что:

• если провод имеет синий либо сине-белый оттенок, можно смело говорить о том, что это – рабочий ноль
• защитный ноль представлен кабелями в желто-зеленой оболочке
• другие цвета характерны для фазы. Это могут быть красный, коричневый, белый либо черный. Возможны и другие варианты.

Такое обозначение успешно применяется в большинстве случаев. Но если проводка старая, или есть сомнения в профессионализме электриков, целесообразнее пользоваться дополнительными методами.

Как различить фазу, ноль, землю

Проще всего определить назначение проводников по цветовой маркировке. В соответствие с нормами, фазный проводник может иметь любой цвет, нейтраль – голубую маркировку, земля – желто-зеленого цвета. К сожалению, при монтаже электрики цветовая маркировка соблюдается далеко не всегда. Нельзя забывать и вероятности того, что недобросовестный или неопытный электрик легко может перепутать фазу и ноль или подключить две фазы. По этим причинам всегда лучше воспользоваться более точными способами, чем цветовая маркировка.

Определить фазный и нулевой проводники можно с помощью индикаторной отвертки. При соприкосновении отвертки с фазой загорится индикатор, так как по проводнику проходит электроток. Ноль не имеет напряжения, поэтому индикатор загореться не может.

Отличить ноль от земли можно с помощью прозвонки. Сначала определяется и маркируется фаза, затем щупом прозвонки нужно прикоснуться к одному и проводников и клемме заземления в электрощитке. Ноль звониться не будет. При прикосновении к земле раздастся характерный звуковой сигнал.

Преимущества трехфазного подключения

Отметим основные преимущества трехфазной сети.