Питающее напряжение 220 В однофазное и 380 В трехфазное в РФ. 50Гц. Почему так. Жаргон электриков и здравый смысл.

Житель современного города давно уже не мыслит свою жизнь без электричества. Оно окружает нас повсюду, мы даже не замечаем его повсеместного присутствия, вспоминаем о том, как оно нам необходимо лишь тогда, когда на электроподстанциях случаются аварии.

Неудивительно, что максимум, что может вспомнить про электричество средний неспециалист – это то, что «оно измеряется в вольтах», что в обычной пальчиковой батарейке – полтора вольта, что это совсем мало и безопасно. В автомобильном аккумуляторе – 12 вольт, это уже заметно больше, но все еще безопасно. А вот в бытовой электророзетке – 220в, это уже немало, неосторожное обращение может кончиться печально. Однако, такое высокое напряжение необходимо для того, чтобы приводить в действие всю бытовую технику, которая потребляет значительную мощность.

Те, кому приходилось иметь дело с промышленной техникой, знают, что на производстве принят стандарт 380в, ведь для работы промышленного оборудования требуется еще большая мощность, чем в быту.

Но многие замечали, что на шильдиках или в паспортах значение питающего напряжения зачастую обозначается через дробь 220/380в:

Это уже вызывает удивление – так какое же напряжение подходит к данному электрическому щиту или необходимо для питания данного электрического прибора? Почему оба значения стоят рядом? В чем разница между тем и другим значением?

Что показывает электрическое напряжение

Из школьного курса физики известно, что электрическое поле – это особый вид материи, который возникает вокруг электрических зарядов. Его можно наблюдать, создав заряд, например, с помощью трения – после расчесывания расческа начинает притягивать мелкие кусочки бумаги. Если заряженные частицы будут двигаться по проводнику – то в проводнике возникнет ток, а вокруг проводника – магнитное поле, с помощью которого можно будет совершать полезную работу. Это явление лежит в основе работы электродвигателей. И наоборот – если двигать магнит рядом с проводником (или внутри проводящей катушки) – то в проводнике возникнет электрический ток – на этом явлении основаны электрогенераторы.

Создать движение заряженных частиц по проводнику можно также с помощью особых химических реакций – на этом явлении базируются химические источники тока — батареи и аккумуляторы.

«Сила», с которой заряды будут двигаться по проводнику, называется электрическим напряжением, единица измерения — вольт. А количество этих зарядов, движущихся по проводнику – электрическим током, единица измерения — ампер.

Обычной батарейки достаточно для зажигания фонарика, но для совершения большой работы необходимо гораздо большее напряжение, которое создается специальными генераторами больших размеров.

Энергия в физике

Кинетическая энергия тела массой m

, движущегося со скоростьюv равна работе, выполняемой силой, чтобы придать телу скоростьv . Работа здесь определяется как мера действия силы, которая перемещает тело на расстояниеs . Другими словами, это энергия движущегося тела. Если же тело находится в состоянии покоя, то энергия такого тела называется потенциальной энергией. Это энергия, необходимая, чтобы поддерживать тело в этом состоянии.

Гидроэлектростанция имени сэра Адама Бэка. Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада.

Например, когда теннисный мяч в полете ударяется об ракетку, он на мгновение останавливается. Это происходит потому, что силы отталкивания и земного притяжения заставляют мяч застыть в воздухе. В этот момент у мяча есть потенциальная, но нет кинетической энергии. Когда мяч отскакивает от ракетки и улетает, у него, наоборот, появляется кинетическая энергия. У движущегося тела есть и потенциальная и кинетическая энергия, и один вид энергии преобразуется в другой. Если, к примеру, подбросить вверх камень, он начнет замедлять скорость во время полета. По мере этого замедления, кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Это преобразование происходит до тех пор, пока запас кинетической энергии не иссякнет. В этот момент камень остановится и потенциальная энергия достигнет максимальной величины. После этого он начнет падать вниз с ускорением, и преобразование энергии произойдет в обратном порядке. Кинетическая энергия достигнет максимума, при столкновении камня с Землей.

Закон сохранения энергии гласит, что суммарная энергия в замкнутой системе сохраняется. Энергия камня в предыдущем примере переходит из одной формы в другую, и поэтому, несмотря на то, что количество потенциальной и кинетической энергии меняется в течение полета и падения, общая сумма этих двух энергий остается постоянной.

Постоянный и переменный ток

Но есть еще одна очень важная разница между электричеством из батарейки и из бытовой розетки.

Заряды, создаваемые батарейкой, всегда выходят из одного полюса, и приходят к другому. Проводники соединяют полюса через какую-то нагрузку, заряды текут по ним в одну сторону, выполняя полезную работу. Такой ток называется постоянным.

Однако, это не единственный вариант движения зарядов по проводнику. Частицы, несущие заряды (как правило, это электроны), могут менять направление своего движения. Сперва переместиться в одну сторону, а потом – в другую, а потом обратно, и так далее. Причем, делать это очень часто (для российских линий – 50 раз в секунду). Фактически, при этом заряды не движутся, а лишь колеблются вокруг какого-то среднего положения. Однако, при этом они также могут совершать полезную работу. Такой ток называется переменным.

Его напряжение также измеряется вольтами, но, при этом имеется ввиду среднее значение, которое по действию было бы равно действию постоянного тока такого же напряжения. В моменты наибольшей силы мгновенное напряжение сети 220 достигает 310в!

Переменный ток имеет ряд очень важных особенностей, которые обусловили его широкое применение в жизни человека. Наиболее важными являются две:

• Возможность легкого преобразования с помощью трансформатора.
• Простота и дешевизна двигателей переменного тока.

Последняя особенность имеет ключевое значение. Для вращения электродвигателя необходимо создать вращающееся магнитное поле. Если подавать на двигатель постоянный ток – то вращающееся магнитное поле придется создавать конструктивными элементами самого двигателя. Раньше это делалось с помощью специального щеточно-коллекторного узла, который по мере поворота ротора двигателя переключал его обмотки так, чтобы магнитное поле поворачивалось на необходимый угол. Современные двигатели постоянного тока применяют для этого специальные электронные схемы, но суть их работы не меняется – они поворачивают магнитное поле по мере поворота ротора.

Какое напряжение в сети

С 2003 года в розетках наших квартир и частных домов должно было появиться стандартное напряжение 230В. Но на протяжении уже 17 лет этот переход никак не может завершиться.

С 30.09.2014 г. вместо ГОСТа 29322-92 был принят ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), устанавливающий, каким должно быть стандартное напряжение в России. Теперь его величина составляет 230 В (±10 %) при частоте 50Гц (±0,2). Но всё еще довольно часто в электросети присутствует 220 В вместо ожидаемых 230 В.

Номинальные параметры электросетей переменного тока до 1000 В указаны в таблице, приведенной в ГОСТ 29322-2014.

В первой и второй колонке меньшие величины – это напряжение между фазой и нейтралью (фазные), большие – между фазами (линейные). Если указана одна величина, то это напряжение между фазами трехфазной трехпроводной системы.

Стандартное напряжение 230/400 В появилось в результате эволюции системы 220/360 В и 240/415 В. В настоящее время система 220/360 уже не используется в Европе и других странах, но 220/380 В и 240/415 В до сих пор активно применяется.

Изменение стандартов было вызвано необходимостью приведения электроэнергии в полное соответствие с европейскими параметрами, для облегчения экспорта и импорта электроэнергии и электротехнических устройств.

Фазы переменного тока

Щеточно-коллекторный узел или электронное управление — это достаточно сложные и дорогие устройства. Но, существует другая возможность, гораздо проще. На двигатель можно сразу подавать электричество так, чтобы в нем создавалось вращающееся поле. И переменный ток для этого подходит как нельзя лучше. Только надо подавать его особым образом – «по очереди», с помощью нескольких линий, которые называются фазами. А двигатель будет содержать несколько обмоток, на каждую линию – своя.

Получится очень удобно – по одной линии заряды движутся с максимальной скоростью, и эта линия создает в своей обмотке наибольшее магнитное поле, ротор двигателя будет максимально притягиваться к ней. В это время по другим линиям заряды движутся медленнее, и магнитное поле, создаваемое ими, меньше. А за то время, пока ротор повернется к первой обмотке, наибольшая скорость движения зарядов (и наибольшее магнитное поле) будет в следующей обмотке, ротор начнет притягиваться к ней. Когда ротор повернется дальше, наибольшее магнитное поле возникнет в следующей обмотке – и так по кругу, ротор постоянно будет притягиваться к обмотке с наибольшим магнитным полем, которое постоянно будет возникать в следующей, по ходу вращения, обмотке.

Для организации такого, постоянно сдвигающегося по кругу, магнитного поля необходимо несколько линий. Если их две, то возникает неопределенность направления вращения – угол между обмотками в оба направления равен 180⁰. При трех обмотках такой неопределенности нет, угол между обмотками составит 120⁰. Такой переменный ток называется трехфазным.

При этом оказывается удобно соединить обмотки вместе одной стороной, получив соединение «звезда».

Если измерить напряжение между и концом любой из обмоток – мы получим те самые 220в, которые подходят к обычным бытовым розеткам. Фактически, два полюса штекера электрической розетки – это и есть центр и одна из фаз промышленной «звезды» переменного тока.

В чем разница между постоянным и переменным током

Ток – это движение электронов в определенном направлении. Оно нужно, чтобы в наших устройствах тоже двигались электроны. Откуда берется ток в розетке? Электростанция преобразует кинетическую энергию электронов в электрическую. То есть, гидроэлектростанция использует проточную воду для вращения турбины. Пропеллер турбины вращает клубок меди между двух магнитов. Магниты заставляют электроны в меди двигаться, из-за этого начинают двигаться электроны в проводах, которые присоединены к клубку меди — получается ток.

Генератор — как насос для воды, а провод — как шланг. Генератор-насос качает электроны-воду через провода-шланги.

Переменный ток — это тот ток, который у нас в розетке. Он называется переменным, потому что направление движения электронов постоянно меняется. У переменного тока из розеток бывает разная частота и электрическое напряжение. Что это значит? В российских розетках частота 50 герц и напряжение 220 вольт. Получается, что за секунду поток электронов 50 раз меняет направление движения электронов и заряд с положительного на отрицательный. Смену направлений можно заметить в флуоресцентных лампах, когда их включаешь. Пока электроны разгоняются, она несколько раз мигает — это и есть смена направлений движения. А 220 вольт — это максимально возможный «напор», с которым движутся электроны в этой сети.

В переменном токе постоянно меняется заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Если бы напряжение было 100% постоянно, то понадобился бы провод огромного диаметра, а с меняющимся зарядом провода могут быть тоньше. Это удобно. По небольшому проводу электростанция может отправить миллионы вольт, потом трансформатор для отдельного дома забирает, например 10000 вольт, и в каждую розетку выдает по 220.

Постоянный ток — это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.

Общее и различие

Таким образом, напряжение 380 вольт – это напряжение между любыми двумя из трех фаз. При этом между общей точкой и каждой из фаз напряжение равно 220 вольт. В обычной бытовой электророзетке имеется именно такое напряжение.

Как правило, к большим многоэтажным домам подходят четырехпроводные линии – три фазы плюс общий провод. А внутри центрального домового щита потребители распределяются по фазам так, чтобы нагрузка на все три фазы была примерно одинаковой.

Для промышленных же предприятий используются все три фазы сразу. Промышленные электродвигатели имеют и используют их все.

Когда речь идет о «сети 220в» — имеется ввиду, как правило, бытовая электрическая сеть, которая представляет собой только одну фазу. Когда же речь идет о «сети 380в» — всегда имеется ввиду все три фазы, и четыре линии. При этом в любой 380-вольтной линии всегда имеется 220вольт – для получения такого напряжения достаточно подсоединиться к одной из фаз, и к общей точке.