1. Генератор
2. Екскурс в історію
3. Чому саме змінну напругу?
4. Передача електричного струму на далекі відстані
5. Напруга 220 Вольт
6. Фаза і нуль
7. Які процеси відбуваються на фазі?
8. резюме

Так, всі знають що це електричний струм в розетці повинен бути 220 вольт ». Але тих, хто представляє хоча б приблизно як він утворюється і передається споживачеві, хто може сказати «в побутової електромережі однофазная лінія змінного струму 220 вольт частотою 50 Герц» зовсім небагато і, швидше за все, це будуть спеціально навчені люди, які теж часом не замислюються про те, чому саме 220 вольт? Чому змінний струм, чому частота мережі саме 50 Герц? А дійсно, чому склалося саме так? Варіантів-то було безліч. І до речі, заходячи вперед, варто повідомити що перераховане вище не еталон стандарт для всієї планети. Хтось пішов і іншим шляхом в зведенні електро-інфраструктури. На ці та деякі інші питання ми спробуємо дати відповіді в даній статті.

Генератор

Щоб подати електрику в розетку, необхідно його якось згенерувати. Для вироблення електроенергії до сих пір в більшості застосовуються технології кінця 19 століття - електромагнітна індукція, що перетворює механічну енергію в електричну. Простіше кажучи - генератори. Різниця генераторів лише в тому, яким чином подають механічну енергію. Раніше це були громіздкі парові машини. Згодом додалися гідротурбіни для проточної води (гідроелектростанції), двигуни внутрішнього згоряння, ядерні реактори.

Принцип дії генератора заснований на магнітної індукції. Обертальний рух генератора перетворюється в електричний струм. Тобто можна сказати, що генератор - це той же самий електродвигун, але зворотної дії. Якщо на електродвигун подати напругу, то він почне обертатися. Генератор працює навпаки. Обертальний рух вала генератора перетворюється в електричний струм. Тому, щоб обертати вал генератора, нам буде потрібно будь-яка енергія ззовні. Це може бути пар, який розкручує турбіну, а вона в свою чергу розкручує вал генератора

Принцип роботи ТЕС

або це може бути сила потоку води, яка за допомогою гідротурбіни розкручує вал генератора, а він в свою чергу також виробляє електричний струм

Принцип роботи ГЕС

Ну або це може бути навіть вітряк

вітряна електростанція

Коротше кажучи, принцип скрізь один і той же.

До речі, ядерний реактор не здатний самостійно виробити енергію. По суті, атомна енергоустановки є тим же самим примітивним паровим котлом, де робочим тілом є звичайний пар. Так, нині існують інші способи генерації електрики, на кшталт тих же самих сонячних елементів, бетагальваніческіх і ізотопних ядерних батарей, «міфічні» токомаків. Однак, вищеперелічений «хайтек» має суттєві обмеження - позамежна вартість матеріалів, монтажу та наладки, габарити і малий ККД. Тому, всерйоз розглядати все це як повноцінної електростанції великої потужності не варто (принаймні в найближчі пару десятків років).

Екскурс в історію

Отже, генератор на нашій електростанції перетворює механічну енергію в електричну. А що далі? У якому вигляді і як саме передавати енергію споживачеві? Як уникнути колосальних втрат при передачі?

Вражаюче, але подібна ситуація існувала насправді! У тій же Російській Імперії аж до початку 20 століття була повна плутанина. Поруч з кожним «великим» споживачем електроенергії (фабрика, подвір'я процвітаючого купця або готель для осіб благородних кровей) будували окрему електростанцію. Було безліч конкуруючих фірм, що надають послуги електрифікації і, в подальшому, своє електричне обладнання заточене тільки під свою мережу. Кожен постачальник електроенергії ставив власні параметри електромережі - напруга, частоту. Були навіть електромережі з постійним струмом! Людина, що купив, наприклад, електролампочки в «Товаристві електричного освітлення Лодигін і Ко» зміг би використовувати їх лише в електромережі цієї ж компанії. При підключенні до мережі «Дженерал електрик» ця лампочка тут же вийшла б з ладу - напруга мережі цієї фірми було значно вище необхідного, не кажучи вже про інші параметри.

Лише в 1913 році імперські інженери зважилися передавати електроенергію на великі відстані по повітряних провідних лініях, позбавивши від необхідності побудови електростанцій «у кожної розетки». Напередодні майбутньої великої війни і нахлинуло патріотизму влада задумалася про імпортозаміщення. Ну прям як в наш час, після кризи 2014 року). Були фінансово і юридично задавлені багато невеликих західні фірми (крім німецьких і французьких), преференції і пільги давалися лише вітчизняним товариствам і підприємствам. У підсумку, це призвело до монополізму на ринку постачальника електроенергії і, мимоволі, стандартизації параметрів електричної мережі.

Так як Берлін і Париж були вже електрифіковані єдиною енергосистемою зі змінним напругою мережі 220 вольт, вітчизняні компанії також взяли цей стандарт. Людям було зручніше використовувати електричні прилади єдиного типу, не турбуючись що їх новомодний електричний пилосос згорить на новому місці проживання через інших параметрів енергомережі. Сталося повне витіснення багатьох невеликих фірм - ніхто вже не хотів користуватися їх послугами і їх приладами, хоча вони вимушено підлаштувалися під єдиний стандарт електромережі. Ті самі 220 вольт змінного струму.

Чому саме змінну напругу?

Не так давно за історичними мірками у людства виникла дилема: який струм краще? Змінний або постійний? Цей період часу був відомий, як "війна струмів". Насправді були суперечки між Ніколою Тесла і Едісоном - самими великими вченими-винахідниками того часу. Едісон був за постійний струм, а Нікола Тесла - за змінний. Це боротьба тривало понад 100 років, навіть після смерті цих великих учених! Але все-таки в 2007 році остаточну перемогу здобув змінний струм.

Справа вся в тому, що постійний струм при передачі на великі відстані втрачає свою енергію на нагрівання проводів. Тут у всьому винен закон Джоуля-Ленца

Q = I2Rt

де

Q - кількість тепла, що виділяється (Джоуль)

I - сила струму, що протікає через провідник (ампери)

R - опір провідника (Оми)

t - час проходження струму через провідник (Секунди)

Неважко здогадатися, що чим більше сила струму буде протікати по дротах, і чим довше будуть дроти, тим більше вони будуть нагріватися, так як опір проводу виражається формулою:

опір проводу формула

Другою причиною було те, що в генераторі постійного струму треба було використовувати спеціальну конструкцію, яка б дозволяла знімати електричний струм з рухомих обмоток. Для цього на валу двигуна кріпився так званий колектор, до якого припаювалися обмотки генератора. Колектор весь час знаходився в русі, так як він закріплений на самому валу генератора. З колектора за допомогою графітових щіток знімалася напруга. Той же самий принцип досі використовується в генераторах і двигунах постійного струму.

Принцип роботи генератора постійного струму

Мінусом такої конструкції є те, що з часом щітки і колектор зношуються. Тому, такий генератор треба часто обслуговувати, вчасно замінювати щітки і чистити колектор. Найчастіше такий генератор має два дроти: плюс і мінус. Чим більше колекторних пластин (ламелей) на такому генераторі, тим чистіше буде постійний струм з такого генератора. Якщо такий генератор має безліч ламелей і крутиться з однаковою швидкістю, то на осцилографі можна побачити приблизно таку картину постійного струму

осциллограмма постійного струму

Таких недоліків позбавлений генератор змінного напруги. Принцип його дії показаний нижче

Принцип роботи генератора змінного струму

В даний час в ньому використовуються три обмотки, рознесені один від одного на 120 градусів. Один кінець кожної обмотки з'єднується один з одним, утворюючи так званий "нуль". У нашій країні такі генератори на ТЕС чи ГЕС намагаються крутити зі швидкістю 50 обертів / сек. Ну або 3000 оборотів / хвилину. Непогана така швидкість). В Америці ж їх крутять під 60 оборотів / сек. А що таке обороти в секунду? Це і є частота. А частота, як ви пам'ятаєте, виражається в Герцах (Гц). Тому, у нас в розетках частота 50 Гц, в Америці 60 Гц.

Такі генератори називають трифазними, так як вони мають три фази: A, B, C. У англо-мовної літературі можна побачити позначення R, S, T або L1, L2, L3. Точка, де з'єднується кінець всіх обмоток позначається буквою N (нуль).

Генератор змінного струму

Тобто по суті з генератора виходить 4 дроти: фази A, B, С і 0, він же нейтраль N, який з'єднує один кінець кожної з трьох обмоток.

Обмотки генератора змінного струму

При обертанні ротора-магніту в кожній обмотці створюється електричний струм. Якщо за допомогою осцилографа вивести осцилограми відразу трьох обмоток, то можна побачити щось типу цього:

Осцилограми трифазного напруги

Передача електричного струму на далекі відстані

Отже, електричний струм ми отримали. Тепер треба якось передати його на далекі відстані, не забуваючи про закон Джоуля-Ленца: Q = I2Rt. Тобто нам треба якимось дивом зменшити силу струму , Яка буде текти по проводах, так як в основному через неї відбуваються великі втрати.

Для цих цілей ідеально підійде трансформатор , Але не простий, а трифазний. Тут використовується чудова властивість трансформатора: якщо підвищуємо напруга, то знижуємо силу струму, і навпаки, знижуємо напруга, збільшуємо силу струму. Тому, для того, щоб передати отриману електроенергію на далекі відстані, нам потрібно збільшити в кілька разів напруга, тим самим ми в цей же число раз зменшимо силу струму. Нижче на малюнку схема передачі електроенергії від генератора ГЕС і до кінцевого споживача, тобто для заводів, для електротранспорту і для нас з вами.

Передача електроенергії від генератора до кінцевого споживача

З ГЕС напругу підвищують до декількох кіловольт, найчастіше до 110 кВ. Все це досягається за допомогою трифазного високовольтного трансформатора (2).

Трифазний високовольтний трансформатор

Далі високовольтна напруга йде по високовольтної лінії (3) і доходить до будь-якого міста, або райцентру.

Високовольтна лінія передачі електроенергії

У кожному райцентрі або місті є своя підстанція, де є вже свій високовольтний понижуючий трансформатор (4), який перетворює напругу 110 кВ в 10 кВ, або в 6 кВ (5).

Чому не можна було відразу тягнути дроти з генератора? Навіщо треба було підвищувати, а потім знову знижувати напругу? Все знову ж через закону Джоуля-Ленца. Так як ГЕС знаходиться на дуже великій відстані від споживачів електроенергії, доводиться підвищувати напругу, щоб мінімізувати втрати на нагрів проводів. Як ми вже говорили, трансформатор підвищує напругу, але при цьому зменшує в стільки ж разів силу струму, тому втрати в проводах на далекі відстані скорочуються в рази, виходячи з формули Джоуля-Ленца Q = I2Rt.

Потім вже з підстанції напруга розходиться по трансформаторних "будок", які можна вже помітити в кожному районі.

Трансформатор 6 кВ в 380 В

Від цих "будок" виходить після перетворення приблизно 380 Вольт. Але тут є один нюанс. Скрізь використовується три дроти, а до нас в будинку заходять найчастіше два дроти. У чому ж справа? А справа якраз в тому, що є таке поняття як лінійне і фазну напругу. Лінійна напруга змиритися між 3 проводами, за якими йдуть 380 В. Вони називаються фазами. Тобто грубо кажучи - це ті ж самі дроти, які вийшли з генератора ще де-небудь на ГЕС. Але якщо взяти будь-яку з фаз і заміряти напругу щодо нульового провідника, тобто щодо нуля, то у нас буде фазна напруга 220 В. Виходить, до нас в будинок заходить ОДНА фаза і НУЛЬ. Куди діваються інші фази? Вони рівномірно розподіляються між мешканцями будинку або вашого району. Тобто до вашого сусіда може прийти інша фаза, але той же самий нуль.

Трифазне лінія передачі електроенергії

Напруга 220 Вольт

Дуже багато питань в рунеті саме по напрузі "з розетки". Самий часто задається питання виглядає так:

- Який струм в розетці?

Тут питання, звичайно ж, поставлений неправильно. Струмом найчастіше називають саме силу струму . Правильніше було б задати питання: "Яка напруга в розетці?"

У нас в Росії в домашній мережі змінна напруга з частотою в 50 Герц, максимальною амплітудою приблизно в 310 Вольт і чинним напругою в 220 Вольт. Думаю, це буде самий розгорнуту відповідь.

Отже, тепер давайте розбиратися що до чого.

Як же виглядає цей "ток з розетки" на осциллографе ? Ну приблизно ось так:

По вертикалі у нас одна клітинка дорівнює 100 вольт. Отже, максимальна амплітуда Umax буде дорівнює десь 330 Вольт

амплітудне значення напруги

За ідеєю повинно бути 310 Вольт. Хоча воно й не дивно. Напруга в мережі рідко коли буває стабільним. Все, звичайно ж, залежить від споживачів і трансформатора на електростанції, який їх живить.

Коли я був ще зовсім маленьким, поруч з телевізором у нас стояло дуже цікавий пристрій. На ньому була шкала, і ми ввечері підкручували крутилку, щоб шкала показувала рівно 220 Вольт, інакше телевізор відмовлявся працювати. З віком я зрозумів, що це був ручний стабілізатор напруги, так як саме ввечері всі сусіди починали "жерти" електрику і тому в мережі було вольт 190-200. Це вже зараз у всіх телевізорах та інших побутових приладах ці стабілізатори вбудовані прямо всередині приладу, і тому потреба в стабілізаторах різко відпала.

Фаза і нуль

До вас 220 Вольт приходить по двом проводам . Іноді з ними буває в зв'язці ще і третій дріт жовто-зеленого кольору - це земля. Цей провід використовується для забезпечення безпеки. У старих будинках такого проводу немає. Земля в 90% випадків позначається як жовто-зелений провід. Інші дроти можуть мати різне забарвлення, але частіше за все намагаються нуль маркувати синім проводом, а фазу - яскравим кольором. Наприклад, червоним.

Позначення фази, нуля і землі на дроті

Отже, по одному дроту тече фаза, по іншому - нуль. Нуль - це провід для знімання електричного струму з фази. Нуль не представляє небезпеки для людини, але краще все-таки не експериментувати! У фазі напруга дуже швидко змінюється спочатку від якогось максимального значення (для 220 Вольт це значення дорівнює 310 Вольт), потім падає до нуля, і потім йде в мінус і досягає значення в -310 Вольт і потім знову до нуля і знову до 310 вольт. Отже, за секунду він встигає виконати цю операцію 50 разів, так як генератор на ГЕС, ТЕС або АЕС крутиться саме з такою швидкістю.

осциллограмма 220 В

Які процеси відбуваються на фазі?

У якийсь момент часу фаза буває більше за напругою, ніж нуль. У якийсь момент часу вона стає дорівнює нулю. А в якийсь момент часу стає менше ніж нуль. Або, інакше кажучи, нуль стає більше по напрузі, ніж фаза). Потім фаза знову стає дорівнює нулю, а потім знову більше нуля і все це повторюється до тих пір, поки працює генератор на електростанції.

Хочете дізнатися, як все це виглядає на графіку? Так будь ласка ;-)

фаза і нуль на осциллограмме

Як я вже сказав, фаза без нуля - ніщо! І якщо навіть встати на діелектричний килимок, тобто повністю ізолювати себе від контакту з землею, то можна навіть і помацати фазу без шкоди для здоров'я. АЛЕ! не здумайте перевіряти це вдома! Так надходять тільки досвідчені електрики і у них є в наявності ці діелектричні килимки та інші прибамбаси.

Але ніколи, чуєте, НІКОЛИ! Намагайтеся не торкатися голими руками відразу до двох проводів, тим більше взявши їх по одному в руки! Ви будете провідником, який з'єднує ланцюг 220 Вольт. Або просто кажучи, вас вдарить електричним струмом. Думаю, деякі до цих пір пам'ятають ці "приємні" відчуття. А як бадьорить відразу! Уууухх)))

Напруга в розетці - це чинне напруга і обчислюється воно за формулою:

де

UД - це діюча напруга, В

Umax - максимальне напруження, В

отже,

що ми і бачили на осциллограмме.

Так що знайте, що в електроніці і в електриці якщо вам кажуть, що напруга змінного струму, припустимо, 24 Вольта - це діюча напруга. Максимальним значенням змінної напруги ніхто не користується.

резюме

У наших розетках електричний струм виробляють генератори змінного струму, які знаходяться за багато кілометрів від нас. Вал таких генераторів розганяють турбіни, які перетворять енергію падаючої води або гарячої пари в обертовий рух.

Електричний струм кілька разів трансформується в різні величини напруги, поки йде до кінцевого споживача.

У промисловості використовуються інші значення електричного струму, такі як 10 кВ, 6 кВ, 380 В по три фази. Для простого обивателя, типу мене і вас, електричний струм йде по двох проводах, званим фазою і нулем.