Житель сучасного міста давно вже не мислить своє життя без електрики. Воно оточує нас всюди, ми навіть не помічаємо його повсюдного присутності, згадуємо про те, як воно нам необхідно лише тоді, коли на електропідстанції трапляються аварії.
Не дивно, що максимум, що може згадати про електрику середній неспеціаліст - це те, що "воно вимірюється в вольтах", що в звичайній пальчикової батарейки - півтора вольта, що це зовсім мало і безпечно. В автомобільному акумуляторі - 12 вольт, це вже помітно більше, але все ще безпечно. А ось у побутовій електророзетки - 220в, це вже немало, необережне поводження може скінчитися сумно. Однак, таке висока напруга необхідно для того, щоб приводити в дію всю побутову техніку, яка споживає значну потужність.
Ті, кому доводилося мати справу з промислової технікою, знають, що на виробництві прийнятий стандарт 380в, адже для роботи промислового устаткування потрібно ще більша потужність, ніж в побуті.
Але багато хто помічав, що на шильдиках або в паспортах значення напруги живлення часто позначається через дріб 220 / 380в:
Це вже викликає подив - так яке ж напруга підходить до даним електричному щиту або необхідно для живлення даного електричного приладу? Чому обидва значення стоять поруч? У чому різниця між тим і іншим значенням?
Що показує електричну напругу
Зі шкільного курсу фізики відомо, що електричне поле - це особливий вид матерії, який виникає навколо електричних зарядів. Його можна спостерігати, створивши заряд, наприклад, за допомогою тертя - після розчісування гребінець починає притягувати дрібні шматочки паперу. Якщо заряджені частинки будуть рухатися по провіднику - то в провіднику виникне струм, а навколо провідника - магнітне поле, за допомогою якого можна буде робити корисну роботу. Це явище лежить в основі роботи електродвигунів. І навпаки - якщо рухати магніт поруч з провідником (або всередині провідної котушки) - то в провіднику виникне електричний струм - на цьому явищі засновані електрогенератори.
Створити рух заряджених частинок по провіднику можна також за допомогою особливих хімічних реакцій - на цьому явищі базуються хімічні джерела струму - батареї і акумулятори.
"Сила", з якої заряди будуть рухатися по провіднику, називається електричною напругою, одиниця виміру - вольт. А кількість цих зарядів, що рухаються по провіднику - електричним струмом, одиниця виміру - ампер.
Звичайною батарейки досить для запалювання ліхтарика, але для здійснення великої роботи необхідно набагато більшу напругу, яке створюється спеціальними генераторами великих розмірів.
Постійний і змінний струм
Але є ще одна дуже важлива різниця між електрикою з батарейки і з побутової розетки.
Заряди, створювані батарейкою, завжди виходять з одного полюса, і приходять до іншого. Провідники з'єднують полюса через якусь навантаження, заряди течуть по ним в одну сторону, виконуючи корисну роботу. Такий струм називається постійним.
Однак, це не єдиний варіант руху зарядів по провіднику. Частинки, що несуть заряди (як правило, це електрони), можуть змінювати напрямок свого руху. Спершу переміститися в одну сторону, а потім - в іншу, а потім назад, і так далі. Причому, робити це дуже часто (для російських ліній - 50 раз в секунду). Фактично, при цьому заряд не рухаються, а лише коливаються навколо якогось середнього положення. Однак, при цьому вони також можуть робити корисну роботу. Такий струм називається змінним.
Його напруга також вимірюється вольтами, але, при цьому мається на увазі середнє значення, яке за дією було б так само дії постійного струму такого ж напруги. У моменти найбільшої сили миттєве напруга мережі 220 досягає 310в!
Змінний струм має ряд дуже важливих особливостей, які зумовили його широке застосування в житті людини. Найбільш важливими є дві:
- Можливість легкого перетворення за допомогою трансформатора.
- Простота і дешевизна двигунів змінного струму.
Остання особливість має ключове значення. Для обертання електродвигуна необхідно створити обертове магнітне поле. Якщо подавати на двигун постійний струм - то обертове магнітне поле доведеться створювати конструктивними елементами самого двигуна. Раніше це робилося за допомогою спеціального щітково-колекторного вузла, який у міру повороту ротора двигуна перемикав його обмотки так, щоб магнітне поле поверталося на необхідний кут. Сучасні двигуни постійного струму застосовують для цього спеціальні електронні схеми, але суть їх роботи не змінюється - вони повертають магнітне поле в міру повороту ротора.
Фази змінного струму
Щітково-колекторний вузол або електронне урядування - це досить складні і дорогі пристрої. Але, існує інша можливість, набагато простіше. На двигун можна відразу подавати електрику так, щоб в ньому створювалося обертається поле. І змінний струм для цього підходить якнайкраще. Тільки треба подавати його особливим чином - "по черзі", за допомогою декількох ліній, які називаються фазами. А двигун буде містити кілька обмоток, на кожну лінію - своя.
Вийде дуже зручно - по одній лінії заряди рухаються з максимальною швидкістю, і ця лінія створює в своїй обмотці найбільше магнітне поле, ротор двигуна буде максимально притягатися до неї. В цей час по інших лініях заряди рухаються повільніше, і магнітне поле, створюване ними, менше. А за той час, поки ротор повернеться до першої обмотці, максимальна швидкість руху зарядів (і найбільше магнітне поле) буде в наступній обмотці, ротор почне притягатися до неї. Коли ротор повернеться далі, найбільше магнітне поле виникне в наступній обмотці - і так по колу, ротор постійно буде притягатися до обмотці з найбільшим магнітним полем, яке постійно виникатиме в наступній, по ходу обертання, обмотці.
Для організації такого, постійно зрушується по колу, магнітного поля необхідно кілька ліній. Якщо їх дві, то виникає невизначеність напрямку обертання - кут між обмотками в обидва напрямки дорівнює 180⁰. При трьох обмотках такої невизначеності немає, кут між обмотками складе 120⁰. Такий змінний струм називається трифазним.
При цьому виявляється зручно з'єднати обмотки разом однією стороною, отримавши з'єднання "зірка".
Якщо виміряти напругу між центром "зірки" і кінцем кожній із обмоток - ми отримаємо ті самі 220в, які підходять до звичайних побутових розеток. Фактично, два полюси штекера електричної розетки - це і є центр і одна з фаз промислової "зірки" змінного струму.
380 вольт з 220
А звідки ж цифра 380в? Згадаймо, що змінний струм передається так, щоб найбільше значення постійно переходило від чергової лінії до наступної. При цьому виявляється, що в той час, як заряди по одному дроту рухаються з максимальною швидкістю вперед, за іншими - вони в цей час вже рухаються назад, тим самим їх швидкість складається. Якби фази було тільки дві, то максимальної швидкості зарядів по одній лінії відповідала б максимальна швидкість руху зарядів в протилежну сторону по інший, і напруга між ними було б дорівнює подвоєному (440В). У трифазному випадку ситуація складніша. У момент найбільшої швидкості руху зарядів по одній лінії, в інших - заряди рухаються в протилежну сторону, але вже не з найбільшою швидкістю. В результаті напруга між фазами стає рівним 380в.
Загальна і відмінність
Таким чином, напруга 380 вольт - це напруга між будь-якими двома з трьох фаз. При цьому між загальною точкою і кожної з фаз напруга дорівнює 220 вольт. У звичайної побутової розетки є саме таку напругу.
Як правило, до великих багатоповерхових будинків підходять чотирипровідні лінії - три фази плюс загальний провід. А всередині центрального будинкового щита споживачі розподіляються за фазами так, щоб навантаження на всі три фази була приблизно однаковою.Для промислових же підприємств використовуються всі три фази відразу. Промислові електродвигуни мають і використовують їх все.
Коли мова йде про "мережі 220в" - мається на увазі, як правило, побутова електрична мережа, яка представляє собою тільки одну фазу. Коли ж мова йде про "мережі 380в" - завжди мається на увазі всі три фази, і чотири лінії. При цьому в будь-який 380-вольтової лінії завжди є 220вольт - для отримання такого напруження досить під'єднатися до однієї з фаз, і до спільної точки.
