Что такое фаза, фазовый угол и сдвиг фаз

Что такое фаза, фазовый угол и сдвиг фаз

Говоря о переменном токе, часто оперируют такими терминами как «фаза», «фазовый угол», «сдвиг фаз». Обычно это касается синусоидального переменного или пульсирующего тока (полученного путем выпрямления синусоидального тока).

Поскольку периодическое изменение ЭДС в сети или тока в цепи — это гармонический колебательный процесс, то и функция, описывающая данный процесс, – гармоническая, то есть синус или косинус, в зависимости от начального состояния колебательной системы.

Аргументом функции в данном случае является как раз фаза, то есть положение колеблющейся величины (тока или напряжения) в каждый рассматриваемый момент времени относительно момента начала колебаний. А сама функция принимает значение колеблющейся величины, в этот же момент времени.

Чтобы лучше понять значения термина «фаза», обратимся к графику зависимости напряжения в однофазной сети переменного тока от времени. Здесь мы видим что, напряжение изменяется от некоторого максимального значения Um до -Um, периодически проходя чрез ноль.

В процессе изменения, напряжение принимает множество значений в каждый момент времени, периодически (спустя период времени Т) возвращаясь к тому значению, с которого начиналось наблюдение за данным напряжением.

Можно сказать, что в любой момент времени напряжение находится в определенной фазе, которая зависит от нескольких факторов: от времени t, прошедшего от начала колебаний, от угловой частоты, и от начальной фазы. То что стоит в скобках — полная фаза колебаний в текущий момент времени t. Пси — начальная фаза.

Фазовый угол

Начальную фазу называют в электротехнике еще начальным фазовым углом, поскольку фаза измеряется в радианах или в градусах, как и все обычные геометрические углы. Пределы изменения фазы лежат в интервале от 0 до 360 градусов или от 0 до 2*пи радиан.

На приведенном выше рисунке видно, что в момент начала наблюдения за переменным напряжением U, его значение не было нулем, то есть фаза уже успела в данном примере отклониться от нуля на некоторый угол Пси, равный около 30 градусов или пи/6 радиан — это и есть начальный фазовый угол.

В составе аргумента синусоидальной функции, Пси является константной, поскольку данный угол определяется в начале наблюдения за изменяющимся напряжением, и потом уже в принципе не изменяется. Однако его наличие определяет общий сдвиг синусоидальной кривой относительно начала координат.

По ходу дальнейшего колебания напряжения, текущий фазовый угол изменяется, вместе с ним изменяется и напряжение.

Для синусоидальной функции, если полный фазовый угол (полная фаза с учетом начальной фазы) равен нулю, 180 градусам (пи радиан) или 360 градусам (2*пи радиан), то напряжение принимает нулевое значение, а если фазовый угол принимает значение 90 градусов (пи/2 радиан) или 270 градусов (3*пи/2 радиан) то в такие моменты напряжение максимально отклонено от нуля.

Фазовый сдвиг

Обычно в ходе электротехнических измерений в цепях переменного синусоидального тока (напряжения), наблюдение ведут одновременно и за током и за напряжением в исследуемой цепи. Тогда графики тока и напряжения изображают на общей координатной плоскости.

В этом случае частота изменения тока и напряжения идентичны, но различны, если смотреть на графики, их начальные фазы. В этом случае говорят о фазовом сдвиге между током и напряжением, то есть о разности их начальных фазовых углов.

Иными словами фазовый сдвиг определяет то, на сколько одна синусоида смещена во времени относительно другой. Фазовый сдвиг, как и фазовый угол, измеряется в градусах или радианах. По фазе опережает тот синус, период которого начинается раньше, а отстает по фазе тот, чей период начинается позже. Фазовый сдвиг обозначают обычно буквой Фи.

Фазовый сдвиг, например, между напряжениями на проводах трехфазной сети переменного тока относительно друг друга является константой и равен 120 градусов или 2*пи/3 радиан.

Что такое фаза и ноль в электрике

Все мы конечно слышали такие слова как фаза и ноль в электрике. Многие из нас даже знают что фазовый провод ни в коем случае нельзя трогать- может и током шарахнуть.

А вот что это такое- фаза и ноль знают далеко не все.
Этакая аксиома (выражение не требующее доказательств): все знают что это есть, но не все знают что это такое.

Давайте попробуем разобраться: по определению фазой или фазовым смещением называют параметр отставания во времени. Применительно к электрическим машинам получается так: допустим мы имеем генератор переменного тока с двумя выводами.
Если ни один из этих выводов не заземлен то на них будет присутствовать переменное напряжение, причем значения потенциалов на выводах будут противоположны.

Не совсем понятно? Тогда немного по другому: переменное напряжение потому и называют переменным потому что оно постоянно меняет полярность. Ну то есть изменяется во времени от положительного потенциала к отрицательному и наоборот. Причем такие колебания происходят очень быстро- 50 раз в секунду (в некоторых странах 60 раз в секунду).
Возьмем, к примеру, самый обычный трансформатор (для простоты будем считать что он имеет всего лишь одну вторичную обмотку): если его включить в сеть переменного тока то на вторичной обмотке появится напряжение. Так вот: напряжение будет присутствовать на обеих концах вторичной обмотки, но потенциалы будут прямо-противоположны: когда на одном выводе “+”, то на другом будет “-” и наоборот.
Вот это как раз и называется смещение по фазе.

Нетрудно догадаться что понятие фаза приемлемо лишь по отношению к переменному току.

Читайте также:  Расцветка проводов в электрике

Поехали дальше.
Если на электрической машине один из выводов заземлить, то напряжение останется лишь на одном проводе и будет оно изменяться уже относительно земли. Вот как раз такой провод в электрике и назвали фаза.

Что будет если вдруг мы коснемся фазы? Получится что образуется электрическая цепь между вами и землей и вы в этом случае будете нагрузкой!
Думаю нет нужды говорить что это опасно для жизни , поэтому при работе с промышленной сетью нужно уметь определить фазу.

Как определить фазу

Самый простой способ определить фазовый провод это конечно пробник. Промышленность всегда выпускала такие пробники а в наше время, благодаря китайским производителям, стоимость у них просто смешная.
Выглядит такой пробник как обыкновенная отвертка, но он прозрачный и имеет внутри неоновую лампочку. Его, кстати, так и называют- индикаторная отвертка

Для того чтобы определить фазу при помощи такой индикаторной отвертки нужно просто прикоснуться ею к проводу, но при этом еще необходимо держать палец на металлической верхушке индикатора. Включаясь таким образом мы создаем электрическую цепь между фазой и землей, но при этом мы не пострадаем так как индикаторная отвертка имеет внутри высокоомный ограничительный резистор.
Наличие фазы можно будет определить по свечению неоновой лампочки внутри индикатора.

Чуть выше я не зря упомянул о китайских производителях: пользоваться индикатором как отверткой нельзя- слишком хрупкий материал.

Второй способ определить определить фазу это при помощи мультиметра.

Как определить фазу мультиметром

Фазовый провод можно определить и мультиметром.
Делается это так: ставим мультиметр в режим проверки переменного напряжения.
Затем: к одному из щупов прикасаемся пальцем а вторым щупом- к проверяемому проводу. При наличие фазы на этом проводе на дисплее мультиметра будет показано напряжение:


Что делать если вдруг под рукою нет ни индикаторной отвертки ни мультиметра но фазу определить просто необходимо?

Можно определить фазу при помощи лампочки.
Потребуется немного: самая обыкновенная лампа накаливания, патрон и пара проводов.
Один из проводов нужно заземлить. В квартире для этой цели можно использовать батарею центрального отопления.
Заземлив один провод вторым касаемся к проверяемой цепи. Свечение лампочки укажет на присутствие фазы.

Примечание: изображения и основная часть материала взята с сайта Практическая электроника

Что такое фаза тока?

Практически все новички и собственники домов часто сталкиваются с проблемой: что же такое фаза тока в обычной электрической проводке? Такие вопросы возникают чаще всего в процессе ремонта каких-то электроприборов.

При возникновении такой ситуации, в первую очередь, нужно думать и соблюдать технику безопасности. А знания и умения должны отойти на второй план. Глубокие познания об самых простых законах образования тока и различных процессов, которые происходят непосредственно в бытовых приборах. Эти знания не только могут помочь найти решение проблем множества неисправностей, которые возникают в электроприборах, но и решить их самым простым и надежным способом.

Практически все конструкторы и инженеры работают над тем, чтобы сократить количество несчастных случаев в процессе ремонтных работ с электросетью либо электроприборами. Основная цель потребителей – соблюдать четко прописанные нормы и стандарты.

Давайте детальнее поговорим о токе:

  • однофазном;
  • двухфазном;
  • трехфазном.

Однофазный ток.

Под однофазным током подразумевают – переменный ток, образующийся в процессе вращательных действий в области магнитного поля проводника либо целой совокупности проводников, которые объединяются общий поток.

Как вы уже знаете, однофазный ток передается с помощью двух проводов. Эти провода называют:

1.Один провод это, непосредственно, фаза;
2.Второй – ноль.

В этих проводах напряжение 220 В.

Однофазное электропитание можно охарактеризовать множеством способов. Ни для кого не секрет, что однофазный ток поступает к потребителю с помощью:

1.Двух проводов;
2.Трех проводов.

Первый вариант подачи однофазного тока – двухпроводной использует два провода, как это понятно уже исходя из названия. Один провод передает фазу, а второй предназначается для нулевого напряжения. На использовании такой системы ориентировались практически всегда при строительстве домостроений в СССР.

Использование второго предусматривает добавление еще одного провода. Он применяется для заземления. Основное предназначение такого провода – исключение варианта поражения людей электрическим током. Так же он нужен для отвода тока при утечке и исключение неполадок электроприборов.

Двухфазный ток.

Под понятием двухфазный электрический ток все понимают – слияние двух однофазных токов, которые имеют сдвиг по фазе друг к другу. Угол сдвига может быть Pi2 либо 90 °.

Рассмотреть образование двухфазного тока можно на примере. Необходимо взять две индуктивные катушки и разместить их в пространстветак, чтобы оси этих катушек были перпендикулярны друг у другу. Затем нужно подключить обе катушки к двухфазному току. В итоге мы будем иметь систему, в которой образовалось 2 обособленных магнитных поля. В результирующем магнитном поле вектор будет вращатьсяс одной и той же скоростью и под одинаковым углом. В результате такого вращения и образуется магнитное поле. Ротор с обмотками, которые произведены в форме короткозамкнутого «беличьего колеса» либо металлического цилиндра на валу, будут вращаться и тем самымприводить в движение различные частицы.
Передача двухфазного тока осуществляется при помощью двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.

Трехфазный ток.

Под трехфазной системой электрических цепей – принято понимать систему, состоящую из трех цепей. В этих цепях имеются переменные, ЭДС с одинаковой частотой, которые одинаково сдвинуты по фазе и по отношению друг к другу на 1/3 периода(=2/3). Каждый отдельный кусочек такой цепи можно смело назвать его фазой. А совокупную систему принято считать трехфазным током. Трехфазный ток без особого труда можно передавать на достаточно большие расстояния. Паре фазных проводов свойственно напряжение 380В. Если в паре фаза и ноль – 220В.

Читайте также:  Монтаж скрытых электропроводок

Распределить трехфазный ток по домостроениям можно такими способами:

Четырехпроводное подключение – происходит с использованием трех фаз и одного нулевого провода. Такая система до распределительного щитка, после используют два стандартных провода – фазу и ноль, чтобы иметь напряжение 220В.

При пятипроводном подключении трехфазного тока к уже привычной схеме нужно добавить еще провод, который обеспечивает защиту и заземление. В трехфазной сети все фазы имеют одинаковую нагрузку, чтобы избежать перекоса фаз. От используемой в домостроении проводки зависит и возможность подключения к сети тех или иных электроприборов. Например, заземление просто необходимо если в сеть планируют включать достаточно мощные электроприборы, такие как холодильник, печь, обогреватель, компьютер, телевизор, джакузи, душевая кабинка. Трехфазный ток применяют как источник электропитания двигателей, которые пользуются большой популярностью у потребителей.

Как устроена бытовая проводка

Изначально электроэнергию получают на электростанциях. Потом с помощью промышленной электросети ее передают на трансформаторную подстанцию, а там уже и происходит преобразование напряжения в 380В. Обмотки понижающего трансформатора соединены по принципу «звезда»: все три контакта необходимо подключить к точке «0», а оставшиеся контакты к клеммам «A», «B» и «C».

Все контакты «0», которые были объединены необходимо подключить к заземленному проводу на подстанции. Именно на территории подстанции и происходит расщепление ноля на:

1.Рабочий ноль;
2.PE-проводник, который выполняет защитную функцию.

После выхода из понижающего трансформатора все нули и фазы тока поступают в распределительный щиток домостроения. В результате получается трехфазная система, которая распределяется по всем щиткам многоэтажки. К конечному потребителю попадает напряжение 220В, проводник РЕ выполняет именно эту защитную функцию.

Теперь давайте более детально рассмотрим, что же представляет собой ноль и фаза тока? Нулем принято считать проводник тока, который подключают к контуру заземления в понижающем трансформаторе. Он предназначен для образования нагрузки фазы тока. Присоединять проводник необходимо к обмотке трансформатора. Так же есть такое понятие «защитный ноль» – это именно РЕ-контакт, который мы описывали ранее. Основное его предназначение – отвод тока в случае возникновения поломок либо неисправностей в цепи.

Такой метод пользуется огромной популярностью при подключении к электросети многоэтажных домов. Пользуются им уже много десятилетий. Случаются случаи, когда в системе возникают неисправности. В основном, причиной этому служит низкое качество соединения в цепи либо порыв на линии.

Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.

Обрывы на линии достаточно часто возникают по вине мастеров – они забывают подключить фазу либо ноль. Такие поломки достаточно распространены. Так же довольно часто происходит процесс отгорания нуля на подъездном щитке например, из-за высокой нагрузки в системе.

Если происходит порыв на любом участке цепи, то прекращает функционировать вся цепь, т.к. она размыкается. В таких ситуациях совершенно не важно, какой провод поврежден – фаза или ноль.

То же самое случается и при порыве между распределительным щитом многоэтажки и щитком в подъезде. При таком порыве все потребители, которые были подключены к данному щитку, будут без электроэнергии.

Все ситуации, которые мы попытались описать выше, имеют место быть. Они могут показаться сложными, но не несут никакой опасности для человечества. Ведь обрыв произошел только одного провода, поэтому это совершенно не опасно.

Очень тревожная ситуация – когда пропадает контакт между контуром заземления на подстанции и средним пунктом, к которому поступает все напряжение внутридомового щитка.

Именно в таком варианте электрический ток движется по контурам AB, BC, CA. Совокупное напряжение этих контуров 380В. Именно по этой причине и возникает достаточно опасная ситуация – один щиток может вообще не иметь напряжения, потому что хозяин отключит все электроприборы, а на другом образуется очень высокий уровень напряжения, около 380В. Это может способствовать выходу из строя многих приборов, потому что для них необходимо напряжение в 220В.

Естественно, появление данной ситуации можно избежать. Имеется масса недорогого/дорогостоящего оборудования, которое защитит вашу технику от скачков напряжения.

К такому оборудованию относится и стабилизатор напряжения. Различают такие виды стабилизаторов:

Как же определить фаза это или ноль?

Для определения ноль это либо фаза рекомендуют пользоваться специальным оборудованием – отверткой-тестером.

Функционирует этот прибор по принципу проведения тока с низким напряжением через тело человека, который его использует. Отвертка имеет такие составляющие:

1.Наконечник, с помощью которого есть возможность подключаться к фазе в розетке;
2.Резистор, который снижает разницу электротока до достижения им безопасного уровня;
3.Светодиод, который загорается, если это фаза;
4.Плоский контакт, который способствует возникновению сети с участием тела оператора.

Помимо отверток-тестеров имеются и иные варианты определения какой именно из контактов в розетке имеет поломку. С помощью такого оборудования электрики и определяют фазу и ноль в розетке. Кому-то привычнее использовать более точный тестер, который функционирует как вольтметр.

По показателям вольтметра можно сказать:

1.О наличии напряжения 220В между нулем и фазой;
2.О напряжении между нулем и землей либо его отсутствии;
3.О напряжении между нулем и фазой либо его отсутствии.

Определение фаз электрического тока от нуля до заземления

Фазы — это этапы, периоды, особенные состояния чего-либо. Определение, заимствованное из древнегреческого языка, получило широкое распространение в разных, не связанных напрямую между собой сферах жизни. Известны, например, фазы луны, сна. Прижилось оно и в физике, экономике, социологии, электротехнике.

  • Области использования понятия
  • Применение принципа фазности
  • Секреты домашней электрической разводки
  • Способы нахождения фазы и нуля
Читайте также:  Узип что это такое

Области использования понятия

Фазой называется не только определенное состояние в физике. Это понятие используется крайне широко. И если присмотреться к явлениям, в описании которых она применяется, в них можно найти немало общего. Таковым в ряде случаев можно признать волновой эффект.

Определение используется, в частности, в таких сферах:

  1. Физика. Фаза здесь — этап в каком-либо цикле колебания (в том числе как раз в движении волн). А также — состояние вещества, которое может изменяться в зависимости от внешних условий.
  2. Астрономия. Степень видимости с Земли небесных тел. Еще — нахождение их по отношению к другим объектам (это используется и в астрологии).
  3. Экономика. Цикл времени, когда система определенным образом реагирует активностью (пассивностью) на изменение условий либо проходит точки падения или роста.
  4. Социология. Почти как в экономике, только исследуемой областью этой науки является реакция общества, тенденции его развития.

И все же наиболее известна фаза в электротехнике. Именно в этой области с ней сталкивается большая часть людей. Свет в доме важнее особенностей прохождения Луны через очередное созвездие.

Применение принципа фазности

Интересно, что выражение «электрическая фаза» — это, даже как определение, применяется в трех случаях. Во-первых, как часть устройства, которая включается в общую систему цепей. Во-вторых, — жила, которая находится под напряжением. Этим состоянием она и отличается от второго провода, замкнутого на массу, являющегося заземленным и называемого нулевым. В-третьих, выражение имеет отношение непосредственно к переменному току.

Построенная на принципе фазности система работает так:

  1. Магнит вертится в катушке и таким образом вырабатывается ток, который делается переменным. Подобная система используется и на электростанциях. Движение ее частей обеспечивается потоком воды или пара.
  2. Для получения необходимого результата в устройстве устанавливают по три катушки, которые расположены под углом относительно друг друга. Параметры тока в них одинаковы, но на каждую замкнута своя цепь.
  3. Такой трехфазный ток и идет в промышленные здания и жилые дома по системам ЛЭП.
  4. На входе любой объект запитывается по принципу катушки. Одна жила сразу заземляется, вторая разводится по розеткам. В них также предусматривается заземление.
  5. Оно делается для безопасности объектов для людей. Каким бы ни был надежным ток, обращаться с ним необходимо осторожно. Системы заземления снижают риски токопоражения.

Что касается понятия «фаза тока» относительно его колебаний, то нужно знать, что он постоянно меняет значение от нуля до максимума и обратно. Этот волновой процесс непрерывен. А любая точка его времени и называется фазой.

Секреты домашней электрической разводки

В домашних условиях люди в основном имеют дело с переменным током. Обычная цепь имеет три жилы. По рабочей электричество поступает в сеть, по второй — возвращается обратно. Третья служит для заземления.

Даже для пользования домашней сетью нужно понимать некоторые основы:

  1. Жила заземления не имеет нагрузки. Она выполняет функции предохранителя от удара током. Также она отводит «лишнее» электричество.
  2. Обратная жила называется нулевой. Если система смонтирована правильно, на этом проводе тоже нет напряжения. Но при ошибках в прокладке проводки исключать его появления нельзя.
  3. Рабочий провод особенно опасен при обращении. С ним даже при отключенной сети нужно быть предельно аккуратным.
  4. Бытовые приборы (кроме тех, что работают от батареек) включаются только тогда, когда правильно замкнута вся цепь. Поэтому и необходимо при монтаже для каждой точки определять нужный кабель.

Сети в современных многоквартирных домах сейчас довольно надежны. Но и в таких условиях легко ответить на вопрос о том, зачем знать о тонкостях работы с проводкой, — это пригодится как при проблемах с бытовыми приборами, так и при проведении серьезного ремонта.

Способы нахождения фазы и нуля

При работе с электропроводкой, установке и подключении электроприборов, начиная с элементарных люстр, важно четкое определение фазы и ноля. Сделать это можно как подручными средствами, так и специальными (даже элементарными) приспособлениями. При этом следует соблюдать меры предосторожности.

Определить, какая жила находится под напряжением, а какая является нейтральной, можно так:

  1. По цвету провода. При соблюдении правил монтажа синий или голубой должен соответствовать нулю, желто-зеленый или зеленый — земле, а черный, серый, белый, коричневый — фазе. Но стопроцентно ориентироваться лишь на это нельзя — на практике назначение жил может не соответствовать цветам.
  2. С помощью «контрольки». Это обычная лампочка, вкрученная в патрон. Один провод следует замкнуть, например, на батарею отопления, а вторым коснуться жилы. Лампа загорится на контакте с проводом, который находится под напряжением. Кажется, что это просто, но на самом деле этот способ может безопасно применить только опытный электрик.
  3. Отверткой-индикатором. Самый надежный способ при условии исправности инструмента. Он начинен лампочкой или светодиодом. Если иглой устройства дотронуться до рабочей жилы, индикатор подаст световой сигнал. Купить такой прибор можно за 50 рублей.

Даже в домашней сети напряжение составляет 220 В. Поэтому и важно не путать разные по назначению жилы. К большой беде может привести даже простейшее короткое замыкание.

Индикатором, кстати, можно определять и исправность самой цепи. Если он не среагирует ни на одно прикосновение к жилам — время обращаться к специалистам. А в обычных условиях этот автоматический определитель поможет, например, подключить фазу к выключателю, а нулевку подвести напрямую к лампам люстры.