Dlaczego układ trójfazowy nazywamy siłą? – cz.1

Gdy powstawała idea tego bloga, stworzona została również lista tematów o których wstępnie zamierzałem napisać. Jednym z tych tematów było tytułowe „Dlaczego obwód trójfazowy nazywamy siłą?”. Nie pamiętam już ile maili i ponagleń otrzymałem, aby założenia stały się rzeczywistością. Dziękuję za to wszystkim czytelnikom oraz za… cierpliwość. 🙂

Odpowiedzi na to pytanie nie da się zawrzeć w jednym lub w kilku zdaniach. Zacznijmy od tego, że byłoby bardzo wskazane, jeśli zapoznasz się lub odświeżysz sobie wiedzę w temacie napięcia 230V. Polecam w tym miejscu artykuł: Co drzemie w naszych gniazdkach czyli napięcie 230V bez tajemnic

Przeczytałeś? Świetnie!
To teraz możemy przejść do układu trójfazowego. Chciałbym w tym artykule wyjaśnić kilka spraw:

• Jak wygląda i skąd się wziął przebieg napięcia w układzie trójfazowym?
• W jaki sposób wykorzystujemy układ trójfazowy w domowych rozwiązaniach?
• Skąd bierze się napięcie 400V?

To wszystko w I części artykułu. Zaczynamy!

O czym my w ogóle rozmawiamy?

Zacznijmy od wykresu (przebiegu) napięcia przedstawionego w artykule o 230V.

W idealnych warunkach takie coś powinniśmy mieć w gniazdku, gdy sprawdzimy napięcie pomiędzy przewodem fazowym, a przewodem neutralnym. Innymi słowy szybko zmienna wartość (50 razy na sekundę 325V, i 50 razy na sekundę -325V).
Multimetr oczywiście to sobie przeliczy i wyświetli przyswajalny dla człowieka wynik w postaci  wartości skutecznej napięcia na poziomie 230V.

W ramach instalacji trójfazowej, zamiast jednego przewodu otrzymujemy 3 w których znajduje się potencjał elektryczny o kształcie i wartości identycznej jak to przedstawiono powyżej. Różnica jednak istnieje i jest… subtelna.

Jak widać na powyższych wykresach w każdym przewodzie jest ten sam przebieg napięcia z tym, że każdy z nich jest nieco przesunięty w porównaniu do kolejnego. Ok, zgodzę się, może lepiej będzie widoczne jak pokażę wykres obejmujący dłuższy – powiedzmy dwukrotnie – wycinek czasu.

Teraz lepiej? Jeśli nałożymy na siebie te wykresy otrzymamy:

To przesunięcie bierze się z zasady działania prądnicy w zakładzie energetycznym, która obracając się ze stałą prędkością generuje potencjał elektryczny raz na jednym, po chwili na drugim i na trzecim przewodzie i tak w kółko. W równych odstępach czasu. Fachowo mówimy, że przebiegi te są przesunięte względem siebie w fazie.

Ok wszystko fajnie, ale…

… jakie to ma dla nas znaczenie?

Przeskoczmy teraz do czegoś bardziej namacalnego. Budujesz dom, ze skrzynki w której będzie zamontowany licznik energii, do przyszłej rozdzielnicy znajdującej się w domu prowadzisz kabel zasilający. Posiada on 5 żył.

Dla przypomnienia:

• Przewód czarny – fazowy – L1
• Przewód brązowy – fazowy – L2
• Przewód szary – fazowy – L3
• Przewód niebieski – neutralny – N
• Przewód żółtozielony – ochronny – PE

Wprowadzasz ten kabel do rozdzielnicy i poprzez główne zabezpieczenia, wyłączniki różnicowo-prądowe i ostatecznie wyłączniki nadprądowe, podajesz napięcie na wybrany obwód.
Pytanie brzmi, którą fazę należy podpiąć do danego obwodu? Trzeba tutaj na pewne rzeczy zwracać uwagę, natomiast z punktu widzenia gniazd w obwodzie czy innych jednofazowych urządzeń, nie ma to znaczenia czy są zasilone fazą L1, L2 czy L3. W końcu napięcie skuteczne pomiędzy każdą z tych faz, a przewodem neutralnym jest 230V i to jest jedynie  urządzeniom jednofazowym do szczęścia (działania) potrzebne.

Do czego więc nam potrzebny podział na 3 fazy? I gdzie jest ta mistyczna „siła”?

Wszystkie trzy fazy naraz wykorzystujemy głównie do zasilenia:

• Gniazd trójfazowych
• Płyt grzewczych / indukcyjnych
• Trójfazowych przepływowych ogrzewaczów wody itp.

Dochodzimy w tym miejscu do pytania…

Gdzie jest to 400V?

No tak, do tej pory kręciliśmy się wokół napięcia 230V nawet w obwodzie trójfazowym. Ale przecież na pewno słyszałeś, że gdy mówimy o gniazdach trójfazowych, mamy na myśli 400V, prawda? W końcu ma być siła i moc…

Otóż, cały czas rozpatrywaliśmy napięcie czyli różnicę potencjałów pomiędzy przewodem fazowym np. L1, a przewodem neutralnym N.
W niektórych momentach to napięcie wynosiło 100V, w niektórych 200V, czasem 0V, a maksymalnie 325V. Suma summarum ustaliliśmy, że napięcie skuteczne wynosi tutaj (nudne) 230V.

A co jeśli zamiast przewodu neutralnego podłączylibyśmy drugi przewód fazowy. Jaka byłaby różnica potencjałów?

W takim przypadku różnicę potencjałów nie stanowi „odległość” od linii 0V do danego punktu na wykresie tylko „odległość” od jednego punktu przebiegu do drugiego. Generalnie wartości napięć są większe i wynoszą maksymalnie ok. 563V. Zróbmy tą różnicę potencjałów (L1 – L2) punkt po punkcie i wrzućmy to na wykres.

Wykres wygląda dość podobnie w porównaniu do jednofazowego przebiegu, jednak jak już ustaliliśmy wartości napięć są większe. Napięcie wynosi 0V w chwili przecięcia się przebiegów dwóch faz. Wartość skuteczna takiego przebiegu napięcia wynosi (niemal) 400V.
Nie wykonuję tutaj żadnych dowodów matematycznych na powyższe twierdzenie. Jeśli o to Ci chodzi, znajdziesz ich pełno w czeluściach internetu.

Dla utrwalenia, w układach trójfazowych spotykamy się z dwoma rodzajami napięć:

• Napięcie fazowe $U_f$ – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a przewodem neutralnym (w domowych aplikacjach jest to 230V)
• Napięcie międzyfazowe (przewodowe) $U_m$ – napięcie między jednym, a drugim przewodem fazowym (w domowych aplikacjach jest to 400V)

W tego typu (symetrycznym) układzie trójfazowym matematycznie napięcie międzyfazowe jest uzależnione od fazowego w taki sposób, że:

${U_m} = \sqrt{3} \cdot {U_f} = \sqrt{3} \cdot {230V} = 398V$

I to jest dokładna wartość naszego napięcia 400V 🙂 .
Ten pierwiastek będzie nas trochę prześladował w kolejnym artykule, dlatego warto było o nim już teraz wspomnieć.

Podsumowanie

W tym wpisie po nitce do kłębka ustaliliśmy skąd wzięła się wartość napięcia 400V.
Czy odpowiedzieliśmy sobie zatem na tytułowe pytanie? Czy 400V zamiast 230V to jest ta „siła”?
Po części tak ale nie do końca. Powiedzmy, że… jest to jej cząstka 🙂 .

W kolejnej części oprócz odpowiedzi na pytanie główne, zajmiemy się:

• Połączeniami gwiazda / trójkąt – czym są, jak się je wykonuje i co je charakteryzuje
• Niuansami typu: jak to jest, że w układzie trójfazowym w zasilającym przewodzie neutralnym może w ogóle nie płynąć prąd.

Już dzisiaj, zapraszam!

Zdjęcie główne: Jani Brumat