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 электроподстанциях трапляються аварії.

Не дивно, що максимум, що може згадати про електрику середній неспеціаліст – це те, що «воно вимірюється у вольтах», що у звичайної пальчикової батарейки – півтора вольта, що це зовсім мало, і безпечно. В автомобільному акумулятора – 12 вольт, це вже помітно більше, але все ще безпечно. А ось у побутовій електророзетки – 220в, це вже немало, необережне поводження може закінчитися сумно. Однак, таку високу напругу 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 потрібна ще більша потужність, ніж в побуті.

Але багато хто помічав, що на шильдиках або в паспортах значення живлячої напруги найчастіше позначається через дріб 220/380в:

Це вже викликає подив – так яке ж напруга підходить до даного електричного щита або необхідно для живлення даного електричного приладу? Чому обидва значення стоять поруч? У чому різниця між тим і іншим значенням?

Що показує електрична напруга

Зі шкільного курсу фізики відомо, що електричне поле – це особливий вид матерії, який виникає навколо електричних зарядів. Його можна спостерігати, створивши заряд, наприклад, з допомогою тертя – після розчісування гребінець починає притягувати дрібні шматочки паперу. Якщо заряджені частки будуть рухатися по провіднику у 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 усередині провідної котушки) – то в провіднику виникне електричний струм – на цьому явищі засновані електрогенератори.

Створити рух заряджених частинок у провіднику можна також за допомогою особливих хімічних реакцій – на цьому явищі базуються хімічні джерела струму — батареї та акумулятори.

«Сила», з якої заряди будуть рухатись по провіднику, називається електричною напругою, одиниця виміру — вольт. А кількість цих зарядів, що рухаються по провіднику – електричним струмом, одиниця виміру — ампер.

Звичайної батарейки достатньо для запалювання ліхтарика, але для здійснення великої роботи необхідно набагато більше напруження, 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 полюси 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 разів на секунду). Фактично, при цьому заряди 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 одно дії постійного струму такої ж напруги. У моменти найбільшої сили миттєве напруга мережі 220 досягає 310в!

Змінний струм має низку дуже важливих особливостей, які зумовили його широке застосування в житті людини. Найбільш важливими є дві:

• Можливість легкого перетворення з допомогою трансформатора.
• Простота та 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 управління — це достатньо складні і дорогі пристрої. Але, існує інша можливість, набагато простіше. На двигун можна відразу подавати електрику так, щоб у ньому створювалося обертове 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 у своїй обмотці найбільшу 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 обмотки, найбільша швидкість руху зарядів (і найбільше магнітне поле) буде в наступній обмотці, ротор почне тягнутися 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 буде виникати в наступній, по ходу обертання, обмотці.

Для організації такого, постійно сдвигающегося по колу, магнітного поля необхідно кілька ліній. Якщо їх два, то виникає невизначеність напрямку обертання – кут між обмотками в обидва напрямки дорівнює 180⁰. При трьох обмотках такої невизначеності немає, кут між обмотками складе 120 ⁰ . 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 будь-якої з 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 за іншою, 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 у протилежний бік, але вже не з найбільшою швидкістю. В результаті напруга між фазами стає рівним 380в.

Спільне 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 електророзетки є саме таку напругу.

Як правило, до великих багатоповерховим будинкам 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 підприємств використовуються всі три фази відразу. Промислові електродвигуни мають і використовують їх всі.

Коли мова йде про «мережі 220в» — мається на увазі, як правило, побутова електрична мережа, яка являє собою лише одну фазу. Коли ж мова йде про «мережі 380в» — завжди мається на увазі всі три фази, і чотири лінії. При цьому в будь-380-вольтної лінії завжди є 220вольт – для отримання такої напруги досить приєднатися до однієї з фаз, і до загальної точки.