Эта глава будет интересна тем, кто хочет знать, что такое смещение нейтрали (на непрофессиональном языке - "перекос фаз"), как графически строятся три фазы и почему напряжение в общей точке при соединении "звездой" и симметричной нагрузке на всех фазах - равно нулю. На рис.1 различными цветами графически представлены синусоидальные напряжения всех трех фаз. Как выглядит синусоидальное напряжение и изменяется его значение в нашей сети рассматривалось в главе "Про переменный ток и напряжение" Теперь далее. В любой один и тот же момент времени величины этих фаз различаются на так называемые 120 градусов. Это как окружность (а ее величина составляет 360 градусов) разделить на три части. Любой угол будет равен 120 градусов(см. рис.2). И в любой момент времени их суммарное напряжение равно нулю - это легко просчитать по графику. Например,в момент включения, когда время еще не пошло, напряжение первой фазы(красная) равно нулю - 0В, второй(коричневая) равно плюс 380В, а третьей(синяя) - минус 380В(0 +380 - 380) = 0. А, например в момент времени t = 0.007c напряжения равны: U1 = 248В, U2 = - 279В, U3 = + 31В. Общее напряжение U = 248 + -279 +31 = 0В. И так в любой момент времени. Можно увеличить рисунок, нажав на него, и просчитать напряжение для любого промежутка времени. Всегда будет ноль. Это важно научиться складывать ,чтобы потом уметь складывать токи. Соответственно, как видно из рисунков - свои максимальные, средние, нулевые значения все три фазы проходят в разное время.
А теперь возьмем любую фазу и посмотрим, как будет меняться ток через нагрузку. Сразу надо оговориться, что нагрузка бывает:

1) активная нагрузка - это резисторы. Примером могут служить утюги, лампы накаливания, электрочайники;
2)индуктивная нагрузка - содержащая катушки. Это, например, электродвигатели;
3)реактивная нагрузка - включающая конденсаторы;
4) комплексная нагрузка - включающая в себя содержание всех выше рассмотренных в любых сочетаниях. Это телевизоры, компьютеры, сберегающие лампы. Все, что угодно.
Рассмотрим простейший случай, например, утюг.

Любое активное сопротивление не вносит изменений в форму тока, а значит, изменяется он в такт, если можно так сказать, напряжению. Единственно что надо учесть - это тот факт, что величина тока будет меньше величины напряжения в R раз согласно закона Ома,где R - сопротивление утюга. Примем его сопротивление, к примеру 50Ом. Изменение тока будет выглядеть согласно рис.2а. Несложно зрительно заметить, что ток и напряжение будут иметь нулевые, максимальные, средние значения в одно и тоже время (для этого увеличьте нажатием рис.1 и рис.2а и сравните красные графики для напряжения на рис.1 и для тока на рис.2а), т.е. все меняется синхронно.
А теперь рассмотрим вопрос о смещении нейтрали. Возьмем любую многоэтажку и ее лестничную клетку, содержащую три квартиры. Вполне логично предположить, что каждую квартиру запитают от отдельной фазы. Обозначив нагрузку каждой из квартир как R1, R2, R3 представим упрощенную монтажную и электрическую схемы питания. Это показано в верхней части рис.3.
ВАЖНО! В нейтральном проводе 4-х проводной осветительной магистрали запрещена установка предохранителей или выключателей, т.к. при отключении нейтрального провода фазные напряжения могут стать неровными. В результате в одних фазах(или одной фазе)может наблюдаться недокал, а в других фазах(или одной фазе) - перекал и быстрое перегорание ламп(или бытовой техники). Это и будет явлением смещения нейтрали . Рассмотрим это явление. Посмотрим на верхнюю часть рис.3. При нормальной работе каждая квартира получает питание от фазы и нуля, а токи со всех трех фаз складываются (по правилу сложения векторов) в общей точке и текут далее по нулевому проводнику. Если мысленно порвать нулевой провод (отсоединить провод N в верхней части рис.3), то квартиры не обесточатся - схема окажется включенной звездой, как двигатель. Однако, у двигателя все три обмотки имеют равные параметры, поэтому в общей точке - нулевой потенциал, как мы рассматривали на рис.1. Но с квартирами такой номер не пройдет. В одной горят лампы и включен холодильник, в другой - домашний кинотеатр и пылесос с заряжающимся телефоном, в третьей, к примеру, - фен и СВЧ-печь. То есть нагрузки-то везде разные. И в общей точке возникнет некоторый потенциал. Его величина определяется специальной формулой, приведенной ниже, где U с индексами - фазные напряжения источника питания(генератора), а Y с индексами - проводимости нагрузок фаз(понятие проводимости в разделе "Про сопротивление". Пример такого рассчета можно найти в разделе . Правда, для этого необходимо быть знакомым с комплексными числами. А здесь мы "на пальцах", т.е. графически, покажем, что произойдет. Посмотрим на рис.4. Для удобства обозначим фазы как А, В и С - по старинке.

Линейные напряжения (т.е. напряжения между каждыми из двух фаз попарно) АВ, ВС и АС образуют равносторонний треугольник, где каждая сторона равна 380В. Фазные напряжения (т.е. напряжения между нулем N и любой из трех фаз А,В и С) равны по 220В. При смещении нейтрали точка N может переместиться в любое место треугольника (это как если зацепиться за нее и переместить в произвольное место). Фактически это место зависит, как мы оговаривали, от того, какие потребители, где и в каком количестве включены. Может возникнуть такая ситуация, когда при смещении нейтрали одно из фазных напряжений будет сильно завышено - тогда могут сгореть некоторые включеные приборы. Соответственно, общая нагрузка изменится и это приведет к смещению нейтрали в другую точку и возрастания фазного напряжения в другой квартире. При выходе из строя некоторых потребителей там - снова произойдет ее перерасчет и перемещение. И так до тех пор, пока вся оставшаяся нагрузка не сможет держать то напряжение, которое в итоге всего этого на нее будет подано.

формула определения напряжения смещения

в схеме треугольник:
1)линейные токи генератора IA, IB, IC не равны фазным токам нагрузки IAB, IBC, IAC. А вот линейные напряжения генератора будут равны фазным напряжениям нагрузки. И для генератора и для нагрузки это будут напряжения UAB, UBC, UAC.

читать далее...

Построение векторной диаграммы

Этот пункт данной главы предназначен тем, кто уже ознакомился с разделом "Решение задач", а точнее с задачей №8. Здесь для особо любопытных покажем, как по графику складывать токи(действительные значения)в фазах и считать суммарный ток в нейтральном проводе(его действительную величину). А также расскажем о построении векторной диаграммы токов и напряжений, как это было обещано в задаче №8.
Глядя на рис.6, можно ток в нейтрали и сразу найти, так так он показан коричневой линией. Например, для t = 0,01с он равен 1,47А, а при t = 0,016с составит 5,2А. Однако, надо уметь проверять и вручную.
Поэтому возьмем для примера два разных промежутка времени t = 0,01с и t = 0,016с и найдем для каждого из них значение тока в нейтральном проводе. Имеем при t = 0,01с следующие токи в фазах(см. на график): IA = 1.96A; IB = 0.49A; IC = -0.98A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: IN= 1.96+0.48-0.98=1.47A.
Для t = 0,016с имеем: IA = -2,45A; IB = 5,2A; IC = 2,45A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: IN= -2,45+5,2+2,45=5,2A.
Теперь о векторной диаграмме. Берем произвольную точку N. Рисуем вертикальную ось действительных значений и горизонтальную ось мнимых значений, обозначенную как j. Откладываем по вертикальной оси в выбранном масштабе значение фазного напряжения фазы А. Если масштаб 1Вольт/мм, значит длиною 127мм. Далее с разносом в 120градусов в обе стороны откладываем два других фазных напряжения той же длины. Соединяем все вершины и получаем треугольник, идентичный на рис.4. Его стороны будут являться междуфазными, т.е. линейными напряжениями. Токи в каждой из фаз также строятся с учетом масштаба. Угол между напряжением и током откладывается согласно полученного значения. Например, мы получили

Откладываем по транспортиру угол величиною в -53градуса вправо от отрезка UфА. А величина IфА при масштабе 1А/см будет 2,5см. Для фазы В мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфВ уже имеет угол -120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфВ недостающие 53градуса(173-120)вправо и обозначаем на диаграмме как угол фВ. Для фазы С мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфС уже имеет угол 120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфС недостающие 36градусов(156-120)влево и обозначаем на диаграмме как угол фС. В заключение необходимо правильно построить ток нейтрали. Для этого необходимо сложить все токи по правилу сложения векторов. Для этого переносим параллельно вправо длину отрезка, изображающего ток IфВ (он красный) и "присоединяем" его к концу отрезка, изображающего ток IфА. Затем также переносим вниз отрезок тока IфС(тоже сделаем его красным)и "присоединяем" его к концу красного отрезка, изображающего ток IфВ. Соединяем точку N и конец последнего отрезка. Полученный синий отрезок будет током нейтрали, а его длина будет равна действительному значению тока нейтрали с учетом выбранного масштаба. Все, как говорится, просто и элементарно.