воляет по-разному соединять и использовать отдельные её фазы, и это порой даёт весьма ощутимый выигрыш.
Особо широкое распространение получили трёхфазные системы переменного тока, они лежат в основе практически всей современной индустрии производства, передачи и использования электрической энергии. Трёхфазный генератор упрощённо можно представить себе как вращающиеся в общем магнитном поле три рамки, равномерно распределённые по окружности, каждая рамка смещена по отношению к соседней на угол 120°. Каждая рамка — это фаза трёхфазного генератора, она выходит во внешний мир через свою пару контактных колец со скользящими отводами. Фазы могли бы работать самостоятельно, как три однофазных генератора, но никакого выигрыша это не даст.
Выигрыш, и немалый, можно получить, соединив фазы внутри генератора, причём есть два варианта соединений — звезда и треугольник (Р-92.4, Р-92.5). От всей системы трёх вращающихся рамок при соединении звездой достаточно четырёх выводов, при соединении треугольником — трёх. В случае звезды общий для всех трёх фаз провод называется нулевым, или нейтральным. Причём в генераторе и у потребителя фазы могут быть соединены по-разному, например, в генераторе звездой, а в нагрузке треугольником. Но в любом случае к потребителю от генератора отправляются три напряжения, сдвинутых по фазе на 120°. Здесь слово «фаза» уже относится к измерению времени, а сдвиги по времени появляются потому, что рамки пересекают магнитное поле последовательно, одна за другой, с запаздыванием на третью часть своего полного оборота, то есть на третью часть периода, на 120°.
ВК-195.На рисунке показаны два варианта передачи электрической мощности на большие расстояния. В первом случае (слева) без каких-либо преобразований передаётся полученная с электростанции мощность 400 Вт при напряжении 200 В. Во втором случае (справа) передаётся та же мощность, но перед отправкой напряжение повышают до 2000 В, а при передаче потребителю понижают примерно до 200 В. И вот вам результат: во втором случае потребитель из 400 Вт получил 396 Вт, а в первом случае всего 40.
В создании и использовании трёхфазных систем энергоснабжения есть немало важных особенностей и тонкостей, о некоторых нельзя не сказать несколько слов.
В больших электрических сетях у генератора или (и) у промежуточного мощного трансформатора, фазы, как правило, соединены звездой, и к потребителю приходят четыре провода — три основных, как их называют, линейных провода и нулевой провод (Р-93). При этом потребителю можно доставлять электроэнергию в полном, в трёхфазном варианте, а можно подвести к нему только одну фазу, что, как правило, и получаем мы с вами — в наши квартиры приходят лишь два провода, нулевой и один из линейных. То есть из трёх фазовых напряжений мы получаем одно, одну фазу, две другие, но тоже по одной, получают соседние подъезды или соседние дома. Таким образом, все три фазы по возможности равномерно нагружены.
От источника электроэнергии (генератор, трансформатор), соединённого звездой, можно получить и другое напряжение, оно называется линейным и снимается с двух линейных проводов, то есть с выводов соседних фаз. Фактически линейное напряжение Uл есть сумма двух фазовых напряжений Uф, но поскольку они сдвинуты по фазе на 120°, то при их суммировании напряжение Uф не удваивается. Линейное напряжение в 1,7 раза больше фазового, то есть в сети, где Uф = 127 В, линейное напряжение Uл = 220 В, в самых распространённых сетях, где Uф = 220 В, линейное напряжение Uл = 380 В, это цифры, узаконенные стандартами многих стран. В квартиры линейное напряжение обычно не вводят, его используют большей частью на производстве, где легче контролировать соблюдение правил безопасности и где мощности нужны побольше.
Важная характеристика трёхфазной цепи — её симметричность, равномерность нагрузки для всех трёх фаз. Она снижает потери в линиях электропередачи, а при идеально одинаковой нагрузке ток в нулевом проводе равен нулю, и провод этот вообще не нужен. Существенная неравномерность нагрузки заметно повышает потери, а в аварийной ситуации — при коротком замыкании одной из фаз — два других фазовых напряжения могут подскочить до уровня линейных. То есть в сети 220 В напряжение может подняться до 380 В, что, конечно, иначе чем катастрофой не назовёшь. К счастью, до неё, как правило, не доходит, автоматы мгновенно разрывают короткозамкнутую цепь, а если нужно, снимают напряжение с двух нормальных фаз.
ВК-196.Каждый из нас слышал об огромной скорости электрического тока — из Владивостока в Москву телеграфный сигнал приходит за 0,03 секунды. Поэтому очень странное впечатление производят сообщения о том, что электроны, создающие ток, проходят лишь несколько миллиметров в секунду. Вместе с тем это верно и никак не противоречит первой цифре. При включении электрической цепи электрическое поле вдоль неё мчится со скоростью света, и медленные электроны начинают двигаться сразу во всей цепи.
Т-167. Магнитное поле быстро вращается, перемещается по кругу, наполняя силой электрические мускулы планеты. Почти в одно время с изобретением трёхфазных систем, то есть более ста лет назад, был придуман способ создания с их помощью вращающегося магнитного поля. От трёх фаз трёхфазного генератора к трём электромагнитам статора подводят сдвинутые по времени три тока. Электромагниты равномерно расположены по кругу, то есть со смещением на угол 120° (Р-74). Каждая катушка электромагнита получает, так сказать, свой фазовый ток, и во время амплитуды этих своих фазовых токов электромагниты будут поочередно, один за другим, создавать своё максимальное магнитное поле. В итоге это максимально сильное поле будет перемещаться по кругу, будет вращаться.
Если в такое вращающееся магнитное поле поместить короткозамкнутую рамку, то в ней наведётся ток, он создаст своё магнитное поле, это поле будет схвачено (Т-8) внешним, вращающимся полем, и рамка начнёт вращаться вместе с ним. Эта маленькая хитрость открыла путь к созданию очень простых, надежных и эффективных асинхронных двигателей переменного тока, во всём мире они стали основным электрическим работником и выпускаются миллионными тиражами. Уже одного этого достаточно, чтобы назвать многофазные системы невидимым миру великим изобретением.
ВК-197.Диспетчерская, управляющая электрическими сетями, большое и сложно устроенное предприятие. Измерительные приборы сообщают дежурным о токах и напряжениях на различных участках сети, о состоянии оборудования, о мощности, потребляемой на отдельных участках. Система широко использует вычислительную технику и автоматы, подающие предупредительные сигналы. Есть автоматы, которые в бесспорной ситуации сами производят отключения, предупреждая аварийное развитие событий.
Т-168. Электричество — незаменимый посредник. Известная поговорка «Земля — кормилица» напоминает: всё, что мы употребляем в пищу, в итоге даёт нам земля. На ней произрастают зерновые культуры, фрукты, овощи, она даёт мясные и молочные продукты, поскольку на земле выращиваются корма. И только не знающий жизни новоприбывший марсианин может понять приведённую выше поговорку в том смысле, что мы кормимся непосредственно землёй, именно её употребляем в пищу.
Если задуматься о существе дела, то окажется, что земля — особого рода посредник, она собирает различные химические вещества, влагу и передаёт их растениям, помогая им набирать массу и превращаться в хлеб, сахар, любительскую колбасу, клубничное мороженое. Всё это чем-то напоминает роль электричества — оно тоже своего рода посредник, при содействии которого в бригаду человека собираются машины-помощники. Электрическую энергию получают в огромных количествах из других видов энергии — тепловой, химической, световой, из механической работы. Но никогда (или, скажем более аккуратно, почти никогда) полученную электрическую энергию не используют в чистом виде, например, в виде электрического поля или магнитного. Электричество в итоге превращают в то, что непосредственно нужно человеку, главным образом в световую и тепловую энергию и, конечно, в очень нужную, как мы её называем, механическую работу.
ВК-198.В странах, имеющих большое протяжение с востока на запад, а также в группах стран, по высоковольтным линиям передаются большие мощности. С их помощью можно, не строя новых станций, удовлетворять пиковую нагрузку, например в утренние и вечерние часы. При этом в какой-либо регион в период высокой нагрузки передают большую мощность из региона, где этот период только что прошёл. Там уже наступила глубокая ночь со сравнительно небольшим потреблением электроэнергии.
Типичная схема участия электричества в нашей жизни очень проста. На электростанции в топках паровых котлов сжигают уголь, газ или мазут, пар высокого давления вращает паровую турбину, она приводит в движение ротор электрогенератора, генератор вырабатывает электрическую энергию, которая по проводам приходит к потребителю и вращает моторы станков в заводском цехе или накаливает добела нити многих тысяч электролампочек, освещающих наши квартиры и улицы ночного города. Таким образом, электричество и выполняет роль посредника в системе тепло-электричество-тепло, или тепло-электричество-свет, или тепло-электричество-механическая работа.
Но зачем, спрашивается, нужен этот посредник? Зачем эта громоздкая и дорогая система электростанций и линий электропередачи? Для чего мириться с потерями энергии, неизбежными при любом её преобразовании, например, при преобразовании тепла в электричество или электричества в тепло? Почему нельзя без электричества на месте получать тепло и свет, сжигая тот же газ? Почему бы не получать на месте механическую работу без электричества, используя, например, бензиновые двигатели разной мощности?