Почему между фазой и нулем 220 В, а между фазами 380 В?

В трёхфазных системах электроснабжения используются четыре провода — три фазы и нейтраль, причём величина напряжения зависит от того, между какими проводами оно было измерено.

Людям, мало знакомым с теорией электротехники не всегда понятно, если между двумя фазами 380 В, то почему между фазой и нулем 220 В, а не 190В.

Схемы звезда и треугольник в трехфазной сети

Современные электромашины имеют три группы обмоток, которые могут соединяться двумя способами. Своё название они получили от изображений на принципиальной электросхеме:

• Звезда. В этой схеме концы катушек соединяются между собой, а питание подаётся на начала обмоток. Средняя точка звезды теоретически обладает нулевым потенциалом, но при неравномерной нагрузке к ней подключается нейтраль для протекания уравнительного тока и предотвращения перекоса по напряжению
• Треугольник. При таком соединении начало одной обмотки подключается к концу следующей.

Таким образом могут подключаться не только катушки электродвигателей, но и ТЭНы в электропечах или котлах электро отопления. При этом меняется напряжение на каждом из нагревателей.

Если выбрана схема подключения «треугольник», то на каждую катушку или ТЭН поступает напряжение между фазами, которое составляет 380В. При соединении в «звезду» на обмотки и нагреватели подаётся напряжение между фазой и нулем 220В.

Квартиры в многоквартирных домах или отдельные коттеджи так же подключаются к трёхфазной сети по схеме «звезда». Они присоединяются к разным фазным проводам и к общему нулевому проводнику.

При этом потребители распределяются по фазам максимально равномерно, что уменьшает уравнительный ток в нейтральном проводе и необходимое сечение питающих кабелей.

Разница в напряжении при соединении обмоток различными способами применяется для пуска трёхфазных электродвигателей напряжением 660 В в сети 380 В. В начале процесса запуска обмотки электромашин соединяются в «звезду», а после разгона переключаются на «треугольник». Таким образом, пуск двигателя происходит при пониженном напряжении, что уменьшает пусковой ток и делает процесс разгона более плавным.

Что такое фазное и линейное напряжения

Причиной того, почему между фазой и нулем 220 В при напряжении в проводах 380В, является то, что для выработки электроэнергии используются трехфазные генераторы. Обмотки в этих аппаратах расположены со сдвигом в 120° и соединены в «звезду», к которой подключен четырёхжильный кабель.

Средняя точка соединена с нейтралью, имеющей обозначение N, а вывода с линейными проводами, которые обозначаются А, В и С.

Соответственно, в трёхфазной сети имеются два напряжения:

• Линейное. Между двумя линейными или фазными проводами и обозначается на схемах и в формулах Uab, Ubc и Uca. Может также обозначаться Ul или Uл и в бытовых сетях составляет 380 В, а по новому ГОСТу 400 В.
• Фазное. Измеряется между любым из фазных проводников и нейтралью, на схемах и в формулах обозначается Ua, Ub и Uc, может использоваться обозначение Uf или Uф. Используется в квартирной проводке и составляет 220 В или 230 В.

Если между фазой и нулем 220, почему между фазами не 440 В

Разные фазы в трёхфазной сети находятся не в противофазе, а сдвинуты на 120°, что видно на векторной диаграмме. Поэтому напряжения не складываются арифметически и результат равен 380 В, а не 440 В.

Изображение напряжения на векторной диаграмме

Электроэнергия, поступающая по проводам к жилым домам и предприятиям, производится на электростанциях при помощи синхронных генераторов, имеющих три группы обмоток.

Напряжение, вырабатываемое этими устройствами, имеет синусоидальную форму и сдвинуто относительно друг друга на те же 120° и на векторной диаграмме изображается тремя лучами, исходящими из общего центра. На ней нейтраль расположена в центре, а фазные клеммы находятся на концах отходящих векторов.

По этой диаграмме видно, что фазное и линейное напряжение измеряются по-разному — фазное от центра до конца вектора, а линейное между их концами. Соответственно получается, что 440 В может быть только в двухфазной сети, в которой напряжение в разных фазах сдвинуто на 180°, а вектора направлены в противоположные стороны.

В этом случае величины линейного и фазного напряжений связаны между собой формулой Uл=2Uф, но в трёхфазной сети соотношение напряжений определяется формулой Uл=√3Uф.

Откуда взялся √3 (квадратный корень из 3-х)

В формуле, которой связаны величина линейного и фазного напряжения, используется константа √3. Так как векторная диаграмма представляет собой чертёж, то она определяется по законам геометрии.

На диаграмме две разноимённые фазы изображаются векторами Ua и Ub, имеющими одинаковый модуль (длину) и составляющих две стороны треугольника с углом 120°.

Третьей стороной треугольника (основанием) является вектор линейного напряжения Uab. Зная угол между равными сторонами и их длину, основание треугольника определяется по простой формуле Uab=Ua√(2-2cos120°)=Ua√(2-(2*-0,5))=Ua√3.

Это совпадает с результатами измерений Uab/Ua=380/220=1,73.

Вывод

Главной причиной того, почему между фазой и нулем 220 В, является использование для электроснабжения трёх фаз со сдвигом между ними 120°.

Из-за этого напряжение в них складываются не арифметически, а по законам геометрии, что видно на векторной диаграмме.

В результате в сети 0,4 кВ одновременно имеются два напряжения – линейное 380 В между двумя любыми фазами и фазное 220 В между любой из фаз и нейтралью.