Что такое фаза, фазовый угол и сдвиг фаз
Говоря о переменном токе, часто оперируют такими терминами как «фаза», «фазовый угол», «сдвиг фаз». Обычно это касается синусоидального переменного или пульсирующего тока (полученного путем выпрямления синусоидального тока).
Поскольку периодическое изменение ЭДС в сети или тока в цепи — это гармонический колебательный процесс, то и функция, описывающая данный процесс, – гармоническая, то есть синус или косинус, в зависимости от начального состояния колебательной системы.
Аргументом функции в данном случае является как раз фаза, то есть положение колеблющейся величины (тока или напряжения) в каждый рассматриваемый момент времени относительно момента начала колебаний. А сама функция принимает значение колеблющейся величины, в этот же момент времени.
Чтобы лучше понять значения термина «фаза», обратимся к графику зависимости напряжения в однофазной сети переменного тока от времени. Здесь мы видим что, напряжение изменяется от некоторого максимального значения Um до -Um, периодически проходя чрез ноль.
В процессе изменения, напряжение принимает множество значений в каждый момент времени, периодически (спустя период времени Т) возвращаясь к тому значению, с которого начиналось наблюдение за данным напряжением.
Можно сказать, что в любой момент времени напряжение находится в определенной фазе, которая зависит от нескольких факторов: от времени t, прошедшего от начала колебаний, от угловой частоты, и от начальной фазы. То что стоит в скобках — полная фаза колебаний в текущий момент времени t. Пси — начальная фаза.
Начальную фазу называют в электротехнике еще начальным фазовым углом, поскольку фаза измеряется в радианах или в градусах, как и все обычные геометрические углы. Пределы изменения фазы лежат в интервале от 0 до 360 градусов или от 0 до 2*пи радиан.
На приведенном выше рисунке видно, что в момент начала наблюдения за переменным напряжением U, его значение не было нулем, то есть фаза уже успела в данном примере отклониться от нуля на некоторый угол Пси, равный около 30 градусов или пи/6 радиан — это и есть начальный фазовый угол.
В составе аргумента синусоидальной функции, Пси является константной, поскольку данный угол определяется в начале наблюдения за изменяющимся напряжением, и потом уже в принципе не изменяется. Однако его наличие определяет общий сдвиг синусоидальной кривой относительно начала координат.
По ходу дальнейшего колебания напряжения, текущий фазовый угол изменяется, вместе с ним изменяется и напряжение.
Для синусоидальной функции, если полный фазовый угол (полная фаза с учетом начальной фазы) равен нулю, 180 градусам (пи радиан) или 360 градусам (2*пи радиан), то напряжение принимает нулевое значение, а если фазовый угол принимает значение 90 градусов (пи/2 радиан) или 270 градусов (3*пи/2 радиан) то в такие моменты напряжение максимально отклонено от нуля.
Обычно в ходе электротехнических измерений в цепях переменного синусоидального тока (напряжения), наблюдение ведут одновременно и за током и за напряжением в исследуемой цепи. Тогда графики тока и напряжения изображают на общей координатной плоскости.
В этом случае частота изменения тока и напряжения идентичны, но различны, если смотреть на графики, их начальные фазы. В этом случае говорят о фазовом сдвиге между током и напряжением, то есть о разности их начальных фазовых углов.
Иными словами фазовый сдвиг определяет то, на сколько одна синусоида смещена во времени относительно другой. Фазовый сдвиг, как и фазовый угол, измеряется в градусах или радианах. По фазе опережает тот синус, период которого начинается раньше, а отстает по фазе тот, чей период начинается позже. Фазовый сдвиг обозначают обычно буквой Фи.
Фазовый сдвиг, например, между напряжениями на проводах трехфазной сети переменного тока относительно друг друга является константой и равен 120 градусов или 2*пи/3 радиан.
Что такое фаза тока?
Практически все новички и собственники домов часто сталкиваются с проблемой: что же такое фаза тока в обычной электрической проводке? Такие вопросы возникают чаще всего в процессе ремонта каких-то электроприборов.
При возникновении такой ситуации, в первую очередь, нужно думать и соблюдать технику безопасности. А знания и умения должны отойти на второй план. Глубокие познания об самых простых законах образования тока и различных процессов, которые происходят непосредственно в бытовых приборах. Эти знания не только могут помочь найти решение проблем множества неисправностей, которые возникают в электроприборах, но и решить их самым простым и надежным способом.
Практически все конструкторы и инженеры работают над тем, чтобы сократить количество несчастных случаев в процессе ремонтных работ с электросетью либо электроприборами. Основная цель потребителей – соблюдать четко прописанные нормы и стандарты.
Давайте детальнее поговорим о токе:
- однофазном;
- двухфазном;
- трехфазном.
Однофазный ток.
Под однофазным током подразумевают – переменный ток, образующийся в процессе вращательных действий в области магнитного поля проводника либо целой совокупности проводников, которые объединяются общий поток.
Как вы уже знаете, однофазный ток передается с помощью двух проводов. Эти провода называют:
1.Один провод это, непосредственно, фаза;
2.Второй – ноль.
В этих проводах напряжение 220 В.
Однофазное электропитание можно охарактеризовать множеством способов. Ни для кого не секрет, что однофазный ток поступает к потребителю с помощью:
1.Двух проводов;
2.Трех проводов.
Первый вариант подачи однофазного тока – двухпроводной использует два провода, как это понятно уже исходя из названия. Один провод передает фазу, а второй предназначается для нулевого напряжения. На использовании такой системы ориентировались практически всегда при строительстве домостроений в СССР.
Использование второго предусматривает добавление еще одного провода. Он применяется для заземления. Основное предназначение такого провода – исключение варианта поражения людей электрическим током. Так же он нужен для отвода тока при утечке и исключение неполадок электроприборов.
Двухфазный ток.
Под понятием двухфазный электрический ток все понимают – слияние двух однофазных токов, которые имеют сдвиг по фазе друг к другу. Угол сдвига может быть Pi2 либо 90 °.
Рассмотреть образование двухфазного тока можно на примере. Необходимо взять две индуктивные катушки и разместить их в пространстветак, чтобы оси этих катушек были перпендикулярны друг у другу. Затем нужно подключить обе катушки к двухфазному току. В итоге мы будем иметь систему, в которой образовалось 2 обособленных магнитных поля. В результирующем магнитном поле вектор будет вращатьсяс одной и той же скоростью и под одинаковым углом. В результате такого вращения и образуется магнитное поле. Ротор с обмотками, которые произведены в форме короткозамкнутого «беличьего колеса» либо металлического цилиндра на валу, будут вращаться и тем самымприводить в движение различные частицы.
Передача двухфазного тока осуществляется при помощью двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.
Трехфазный ток.
Под трехфазной системой электрических цепей – принято понимать систему, состоящую из трех цепей. В этих цепях имеются переменные, ЭДС с одинаковой частотой, которые одинаково сдвинуты по фазе и по отношению друг к другу на 1/3 периода(=2/3). Каждый отдельный кусочек такой цепи можно смело назвать его фазой. А совокупную систему принято считать трехфазным током. Трехфазный ток без особого труда можно передавать на достаточно большие расстояния. Паре фазных проводов свойственно напряжение 380В. Если в паре фаза и ноль – 220В.
Распределить трехфазный ток по домостроениям можно такими способами:
Четырехпроводное подключение – происходит с использованием трех фаз и одного нулевого провода. Такая система до распределительного щитка, после используют два стандартных провода – фазу и ноль, чтобы иметь напряжение 220В.
При пятипроводном подключении трехфазного тока к уже привычной схеме нужно добавить еще провод, который обеспечивает защиту и заземление. В трехфазной сети все фазы имеют одинаковую нагрузку, чтобы избежать перекоса фаз. От используемой в домостроении проводки зависит и возможность подключения к сети тех или иных электроприборов. Например, заземление просто необходимо если в сеть планируют включать достаточно мощные электроприборы, такие как холодильник, печь, обогреватель, компьютер, телевизор, джакузи, душевая кабинка. Трехфазный ток применяют как источник электропитания двигателей, которые пользуются большой популярностью у потребителей.
Как устроена бытовая проводка
Изначально электроэнергию получают на электростанциях. Потом с помощью промышленной электросети ее передают на трансформаторную подстанцию, а там уже и происходит преобразование напряжения в 380В. Обмотки понижающего трансформатора соединены по принципу «звезда»: все три контакта необходимо подключить к точке «0», а оставшиеся контакты к клеммам «A», «B» и «C».
Все контакты «0», которые были объединены необходимо подключить к заземленному проводу на подстанции. Именно на территории подстанции и происходит расщепление ноля на:
1.Рабочий ноль;
2.PE-проводник, который выполняет защитную функцию.
После выхода из понижающего трансформатора все нули и фазы тока поступают в распределительный щиток домостроения. В результате получается трехфазная система, которая распределяется по всем щиткам многоэтажки. К конечному потребителю попадает напряжение 220В, проводник РЕ выполняет именно эту защитную функцию.
Теперь давайте более детально рассмотрим, что же представляет собой ноль и фаза тока? Нулем принято считать проводник тока, который подключают к контуру заземления в понижающем трансформаторе. Он предназначен для образования нагрузки фазы тока. Присоединять проводник необходимо к обмотке трансформатора. Так же есть такое понятие «защитный ноль» – это именно РЕ-контакт, который мы описывали ранее. Основное его предназначение – отвод тока в случае возникновения поломок либо неисправностей в цепи.
Такой метод пользуется огромной популярностью при подключении к электросети многоэтажных домов. Пользуются им уже много десятилетий. Случаются случаи, когда в системе возникают неисправности. В основном, причиной этому служит низкое качество соединения в цепи либо порыв на линии.
Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.
Обрывы на линии достаточно часто возникают по вине мастеров – они забывают подключить фазу либо ноль. Такие поломки достаточно распространены. Так же довольно часто происходит процесс отгорания нуля на подъездном щитке например, из-за высокой нагрузки в системе.
Если происходит порыв на любом участке цепи, то прекращает функционировать вся цепь, т.к. она размыкается. В таких ситуациях совершенно не важно, какой провод поврежден – фаза или ноль.
То же самое случается и при порыве между распределительным щитом многоэтажки и щитком в подъезде. При таком порыве все потребители, которые были подключены к данному щитку, будут без электроэнергии.
Все ситуации, которые мы попытались описать выше, имеют место быть. Они могут показаться сложными, но не несут никакой опасности для человечества. Ведь обрыв произошел только одного провода, поэтому это совершенно не опасно.
Очень тревожная ситуация – когда пропадает контакт между контуром заземления на подстанции и средним пунктом, к которому поступает все напряжение внутридомового щитка.
Именно в таком варианте электрический ток движется по контурам AB, BC, CA. Совокупное напряжение этих контуров 380В. Именно по этой причине и возникает достаточно опасная ситуация – один щиток может вообще не иметь напряжения, потому что хозяин отключит все электроприборы, а на другом образуется очень высокий уровень напряжения, около 380В. Это может способствовать выходу из строя многих приборов, потому что для них необходимо напряжение в 220В.
Естественно, появление данной ситуации можно избежать. Имеется масса недорогого/дорогостоящего оборудования, которое защитит вашу технику от скачков напряжения.
К такому оборудованию относится и стабилизатор напряжения. Различают такие виды стабилизаторов:
Как же определить фаза это или ноль?
Для определения ноль это либо фаза рекомендуют пользоваться специальным оборудованием – отверткой-тестером.
Функционирует этот прибор по принципу проведения тока с низким напряжением через тело человека, который его использует. Отвертка имеет такие составляющие:
1.Наконечник, с помощью которого есть возможность подключаться к фазе в розетке;
2.Резистор, который снижает разницу электротока до достижения им безопасного уровня;
3.Светодиод, который загорается, если это фаза;
4.Плоский контакт, который способствует возникновению сети с участием тела оператора.
Помимо отверток-тестеров имеются и иные варианты определения какой именно из контактов в розетке имеет поломку. С помощью такого оборудования электрики и определяют фазу и ноль в розетке. Кому-то привычнее использовать более точный тестер, который функционирует как вольтметр.
По показателям вольтметра можно сказать:
1.О наличии напряжения 220В между нулем и фазой;
2.О напряжении между нулем и землей либо его отсутствии;
3.О напряжении между нулем и фазой либо его отсутствии.
Фаза тока.
У новичков в мире электрики и домовладельцев иногда возникает вопрос: что такое фаза тока в бытовой электропроводке. Связано это с необходимостью починить какой-либо электроприбор.
В возникшей ситуации наиболее приоритетной задачей мастера должно стать соблюдение правил техники безопасности, а не проявление прикладных навыков и умений. Знание элементарных законов функционирования тока и процессов, проходящих внутри бытовых электроприборов не только поможет справиться с большинством неисправностей, возникающих в них, но и сделает этот процесс наиболее безопасным.
Конструкторы и инженеры делают все возможное, чтобы предотвратить несчастный случай при работе с электричеством в быту. Задача потребителя сводится к соблюдению предписанных норм.
Далее мы рассмотрим:
- однофазный ток;
- двухфазный ток;
- трехфазный ток.
Однофазный ток.
Переменный ток, который получают при помощи вращения в магнитном потоке проводника или системы проводников, соединенных в одну катушку, называется однофазным переменным током.
Как правило, для передачи однофазного тока используют 2 провода. Называются они фазным и нулевым соответственно. Напряжение между этими проводами составляет 220 В.
Однофазное электропитание. Однофазный ток можно подвести к потребителю двумя различными способами: 2-проводным и 3-проводным. При первом (двухпроводном), для подведения однофазного тока используют два провода. По одному протекает фазный ток, другой предназначен для нулевого провода. Таким образом электропитание подведено почти во все, построенные в бывшем СССР, дома. При втором способе для подведения однофазного тока — добавляют ещё один провод. Называется такой провод заземлением (РЕ). Он предназначен для предотвращения поражения человека электрическим током, а так же для отвода токов утечки и предотвращения приборов от поломки.
Двухфазный ток.
Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол Pi2 или на 90 °.
Наглядный пример образования двухфазного тока. Возьмем две катушки индуктивности и расположим их в пространстве таким образом, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны, после чего запитаем систему катушек двухфазным током, как результат получим в системе два магнитных потока. Вектор результирующего магнитного поля будет вращаться с постоянной угловой скоростью, как следствие, возникает вращающееся магнитное поле. Ротор с обмотками, изготовленными в виде короткозамкнутого «беличьего колеса» или представляющий собой металлический цилиндр на валу, будет вращаться, приводя в движение механизмы.
Передают двухфазные токи при помощи двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.
Трехфазный ток.
Трехфазной системой электрических цепей называется система, которая состоит из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода(φ=2π/3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током. Трехфазный ток легко передаётся на дальние расстояния. Любая пара фазных проводов имеет напряжение 380 В. Пара – фазный провод и нуль — имеет напряжение 220 В.
Распределение трёхфазного тока по жилым домам выполняется двумя способами: 4-проводным и 5-проводным. Четырёхпроводное подключение выполняется тремя фазными и одним нулевым проводом. После распределительного щита для питания розеток и выключателей используют два провода — одну из фаз и нуль. Напряжение между этими проводами будет составлять 220В.
Пятипроводное подключение трехфазного тока — в схему добавляется защитный, заземляющий провод (РЕ). В трёхфазной сети фазы должны нагружаться максимально равномерно, в противном случае может произойти перекос фаз. От того, какая электропроводка используется в доме, зависит какое электрооборудование можно в неё включать. К примеру, заземление обязательно, если в сеть включаются приборы с большой мощностью — холодильники, печи, обогреватели, электронные бытовые приборы — компьютеры, телевизоры, устройства, связанные с водой — джакузи, душевые кабины (вода проводник тока). Трехфазный ток необходим для электропитания двигателей (актуальных для частного дома).
Устройство бытовой электропроводки.
Вначале электроэнергия вырабатывается на электростанции. Затем через промышленную электросеть она попадает на трансформаторную подстанцию, где напряжение преобразуется в 380 вольт. Соединение вторичных обмоток понижающего трансформатора выполнено по схеме «звезда»: три контакта подключены к общей точке «0», а три оставшихся присоединены к клеммам «A», «B» и «C» соответственно. Для наглядности приводится картинка.
Объединенные контакты «0» подсоединяются к заземлительному контуру подстанции. Также здесь ноль расщепляется на:
- Рабочий ноль (на картинке изображен синим)
- PE-проводник, выполняющий защитную функцию (линия желто-зеленого цвета)
Нули и фазы тока с выхода понижающего трансформатора подводятся к распределительному щитку жилого дома. Полученная трехфазная система разводится по щиткам в подъездах. В конечном итоге, в квартиру попадает фазовое напряжение 220 В и проводник PE, выполняющий защитную функцию.
Итак, что же такое фаза тока и ноль? Нулем называют проводник тока, присоединенный к заземлительному контуру понижающего трансформатора и служащий для создания нагрузки от фазы тока, подсоединенной к противоположному концу обмотки трансформатора. Кроме того, существует так называемый «защитный ноль» – это PE-контакт, описанный ранее. Он служит для отвода токов при возникновении технической неисправности в цепи.
Этот метод подключения жилых домов к городской электросети отработан десятилетиями, но все же он не идеален. Иногда в вышеописанной системе появляются неисправности. Чаще всего, они связаны с низким качеством соединения на определенном участке цепи или полным обрывом электрического провода.
Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.
Обрыв электрического провода часто обусловлен элементарной рассеянностью мастера – забыть присоединить к определенному прибору в доме фазу тока или ноль – проще простого. Кроме того, нередки случаи отгорания нуля на подъездном щитке в связи с высокой нагрузкой на систему.
В случае обрыва соединения любого электроприбора в доме со щитком, этот прибор перестает работать – ведь цепь не замкнута. При этом не имеет значения, какой именно провод разорван – ноль или фаза тока.
Аналогичная ситуация происходит, когда разрыв наблюдается между распределительным щитком многоквартирного дома и щитом конкретного подъезда – все квартиры, подключенные к щиту подъезда, окажутся обесточены.
Вышеописанные ситуации не вызывают серьезных сложностей и не представляют опасности. Они связаны с обрывом лишь одного проводника и не несут в себе угрозы безопасности электроприборов или людей, находящихся в квартире.
Самая опасная ситуация – исчезновение соединения между заземлительным контуром подстанции и средней точкой, к которой подключена нагрузка внутридомового электрощита.
В этом случае электрический ток пойдет по контурам AB, BC, CA, а общее напряжение на этих контурах – 380 В. В связи с этим возникнет очень неприятная и опасная ситуация – на одном электрощитке может вовсе не быть напряжения, так как хозяин квартиры посчитал нужным отключить электроприборы, а на другом возникнет высокое напряжение близкое к 380 вольтам. Это вызовет выход из строя большинства электроприборов, ведь номинальное напряжение работы для них – 240 вольт.
Конечно, такие ситуации можно предотвратить – существуют достаточно дорогостоящие решения для защиты от скачков напряжения. Некоторые производитель встраивают их в свои приборы.
Как определить ноль и фазу собственными силами.
Для определения нуля и фазы тока существуют специальные отвертки-тестеры.
Она работает по принципу прохождения тока низкого напряжения через тело человека, использующего ее. Отвертка состоит из следующих частей:
- Наконечник для подключения к фазовому потенциалу розетки;
- Резистор, снижающий амплитуду электротока до безопасных пределов;
- Светодиод, загорающийся при наличии потенциала фазы тока в цепи;
- Плоский контакт для создания цепи сквозь тело оператора.
Принцип работы с отверткой-тестером показан на картинке ниже.
Кроме тестовых отверток, существуют и другие способы определить, к какому контакту розетки подключена фаза тока, а к какому – ноль. Некоторые электрики предпочитают пользоваться более точным тестером, используя его в режиме вольтметра.
Показания стрелки вольтметра означают:
1. Наличие напряжения 220 В между фазой и нулем
2. Отсутствие напряжения между землей и нулем
3. Отсутствие напряжения между фазой и нулем
Вообще-то, в последнем случае стрелка должна показывать 220 В, но в данном конкретном случае центральный контакт розетки не подключен к потенциалу земли.