Háromfázisú rendszerben hogyan folyik az áram a nulla nélkül?

A háztartási elektromos rendszerek váltakozó árammal működnek. Magyarországon az alapértelmezett feszültség 230 volt, frekvenciája 50 Hz. A háromfázisú hálózat nagyobb terhelést képes elviselni - három külön ágon keresztül lehet elosztani a terhelést.

A kérdés gyakran így hangzik: ha egy háromfázisú motorhoz csak a három fázisvezetőt csatlakoztatjuk, nulla vezető nélkül, akkor merre folyik az áram? A válasz az, hogy az áram a fázisvezetők között folyik, és nincs szüksége a nullavezetőre ahhoz, hogy zárt áramkör alakuljon ki.

Mi történik váltakozó áram esetén?

Az áramirány váltakozó áramnál váltakozik. Azért váltakozó áram. :-) Vannak nagyon rövid pillanatok, mikor nincs feszültség különbség. A két vezeték (nulla, fázis) teljesen egyenértékű ebből a szempontból. Mikor annak idején feltalálták az áramot, akkor pár bácsi, mivel kevés ismeretük volt a dologról, arra gondolt, hogy elég lenne egy dróttal vinni az áramot, a másik drót legyen a Föld bolygó.

Szóval a váltakozó áramnál egyszer az egyik drót a pozitívabb, másszor a másik. Az áram mindig a pozitívtól a negatív felé folyik. Technikailag. A valóságban fordítva persze, mivel elektronok áramlanak, azok meg negatívok. :-) De nem szeretnék összezavarni senkit, maradjunk a technikai áramiránynál.

Hát végülis az egy fázison is oda-vissza folyik az áram, nem? Egyszer a fázisból a 0-ba, majd a 0-ból a fázisba. Ez a váltakozó áram természetéből következik: az áram iránya időben változik, ugyanazon a vezetőn is.

A három fázis helyzete

A háromfázisú hálózat motorja a három fázisvezető, ezeken érkezik be az energia. Gondolj a fázisokra úgy, mint három futóra egy körpályán, akik egymástól pontosan 120 fokos távolságra követik egymást. Ez a tökéletesen összehangolt, eltolt mozgás adja a rendszer folyamatos és kiegyensúlyozott energiáját.

A fázisok egymáshoz képesti feszültsége 400 Volt effektív. Fáziskülönbségük 120 fok. Viszont mindhárom fázis nullához képesti effektív feszültsége 230V.

Az összes drót között pillanatonként változik, hogy melyik a pozitívabb. Mindegy, hogy fázis, vagy nulla, vagy két fázis. Ezért az áram iránya is pillanatonként változik.

Hogyan záródik az áramkör nulla nélkül?

Ha egy csillagba vagy deltába kötött villanymotort kapcsolunk a 3 fázisra, akkor ehhez nem kell nulla. Pl. ha egy csillagba vagy deltába kötött villanymotort kapcsolunk a 3 fázisra akkor ehhez nem kell nulla.

Motoroknál, mikor csak a 3 fázis van bekötve, akkor azt hívják delta kapcsolásnak. A legtöbb 380-as motor így van bekötve. Lehetőség is csak a nagy teljesítményeknél van csillag kapcsolásra.

A háromfázisú motor tekercsei a fázisvezetők között kapcsolódnak egymáshoz. Az egyik fázisból a másik fázisba, illetve a pillanatnyi feszültségviszonyoktól függően a másik fázisból az egyikbe folyik az áram. A harmadik fázis szintén részt vesz az áramkör pillanatnyi állapotában.

Ezért a motor működéséhez nincs szükség külön nullavezetőre: a tekercsek egymással alkotják meg a zárt áramutat. A nulla vezető elsősorban akkor szükséges, amikor a terhelés valamelyik fázis és a nulla közé csatlakozik.

„Viszont nem értem, hogy ha egy 3 fázisú motor nulla nélkül, tehát tisztán 3 fázissal megy, akkor merre folyik az áram?”

„Azt hiszem az egyik fázisból a másik fázis(ok)ba. Aztán a másik(ok)ból az egyikbe. Váltakozó áram.”

Csillag- és deltakapcsolás

Deltakapcsolás

Deltakapcsolásban a motor tekercsei zárt háromszöget alkotnak, és az egyes tekercsek a fázisok közötti feszültséget kapják. A motor így közvetlenül a három fázisvezetőre kapcsolható, nullavezető nélkül.

Csillagkapcsolás

Csillagkapcsolásnál a három tekercs egyik vége közös csillagpontot alkot. Ha a terhelés szimmetrikus, ehhez a csillagponthoz nincs szükség külső nullavezetőre, mert a három fázis árama kiegyenlíti egymást.

A háromfázison átfolyó áram eredője nulla lesz, és így a relé nem kapcsol le. Ha egy csillagba vagy deltába kötött villanymotort kapcsolunk a 3 fázisra, akkor ehhez nem kell nulla.

Ohmos fogyasztónál, például elektromos főzőlapnál vagy bojlernél, a bekötés módja a készülék kialakításától függ. Forgó motoroknál viszont a fázissorrend is lényeges.

A fázissorrend jelentősége

A háromfázisú rendszerekben a fázisvezetők sorrendje nem szentírás, de bizonyos esetekben életbevágó. Különösen igaz ez a forgó motoroknál, mint amilyenek a szivattyúk, ipari gépek vagy a műhelyben a kompresszor.

Egy háromfázisú villanymotor esetén két fázis felcserélése megfordítja a motor forgásirányát. Egy rosszul bekötött szivattyú vagy szalagfűrész simán elindulhat fordítva, ami azonnali meghibásodáshoz vagy komoly balesethez vezethet.

Fázissorrend-mérő: Forgógépek, motorok bekötésénél gyakorlatilag kötelező.

A nullavezető és a védővezető szerepe

Helyesebb, ha védőföld helyett védővezetőről beszélünk. A közcélú hálózaton több helyen le van földelve. Pl. Becsatlakozásnál nem lehetőség, hanem kötelező előírás a nulla vagyis PEN vezető leföldelése.

A fázisvezetők mellett van két másik szín, amelyek szerepe talán még szigorúbb. A nullavezető feladata, hogy zárja az áramkört, és a fogyasztótól visszavezesse az áramot. Erre a célra van fenntartva a kék szín.

A zöld-sárga csíkos vezeték a védővezető (vagy köznyelven a földelés) összetéveszthetetlen jele. Neki egyetlen feladata van: ha valami meghibásodik - például testzárlatos lesz egy gép -, akkor ezen keresztül vezeti el a veszélyes feszültséget a földbe, megvédve ezzel az embert az áramütéstől, a berendezést pedig a további károsodástól.

A különbség a ház belsejében a két ér (nulla/védőföld között) az lesz, hogy míg a nullán üzemszerűen folyhat áram, míg a védőföldön üzemszerűen nem.

A zöld-sárga színkombináció az egész világon a védővezető (PE) számára van fenntartva. Ha valaki ezt a vezetéket fázisnak vagy nullának köti be, egy időzített bombát, egy láthatatlan, életveszélyes csapdát készít.

A háromfázisú FI-relé működése

Az áramvédő-kapcsoló működési elve az egy áramváltón átfűzött vezetők egymást kioltó mágneses hatásán alapul.

Gondolom a három fázison plusz a nullán folyó áramok előjeles összegének kell 0-nak lenni. Ez esetben kíváncsi lennék, hogy akkor mi alapján észleli elfolyó áramot a 3fázisú FI-relé.

A FI-relé az összes aktív vezetőt együtt érzékeli. Ha a három fázison és a nullavezetőn folyó áramok vektoriális összege nulla, akkor az áramkörön belül nincs érzékelhető elfolyás. Ha valamelyik áram egy része a védővezetőn, a földön vagy egy személyen keresztül tér vissza, az összeg már nem nulla, és a készülék lekapcsol.

Ezért működhet ugyanarról az áramvédő-kapcsolóról háromfázisú motor és egyfázisú fogyasztó is, feltéve, hogy a vezetők megfelelően, az előírások szerint haladnak át az áramváltón.

Miért nem folyik háromszoros áram a nullavezetőn?

Három fázis esetén a nullán nem folyik háromszoros áram, még akkor sem, ha egyfázisú fogyasztók vannak rákapcsolva. Ha szimmetrikus az elosztás (csillag kapcsolás), tehát mind a háromfázisban azonos teljesítményű fogyasztók vannak, akkor a nulla közös szakaszán szinte nem is folyik áram.

Lineáris terhelésnél az egyes fázisok szinuszáramai közötti 120°-os fáziseltolódás biztosítja, hogy vektorösszegük minimális legyen, és egy tökéletesen kiegyensúlyozott rendszerben az összeg akár nulla is lehet.

Ez azt jelenti, hogy a nullavezető árama vagy kicsi, vagy nem létezik, lehetővé téve, hogy a nullavezető mérete megegyezzen a fázisvezetőkéval a túlterhelés veszélye nélkül.

Ha a fogyasztók nem egyenletesen oszlanak el a három fázis között, akkor a terhelési különbség megjelenik a nullavezetőben. Ez azonban nem jelenti automatikusan azt, hogy a nullavezetőben a három fázis áramának összege folyik; a pillanatnyi áramok vektoriális összege határozza meg a nullavezető áramát.

A 3. harmonikus áramok hatása

Ez a forgatókönyv azonban drasztikusan megváltozik, ha nemlineáris terheléseket vezetnek be. A nemlineáris terhelések, például a számítógépekben és monitorokban használt kapcsolóüzemű tápegységek (SMPS) által tápláltak, eltérően viselkednek.

Ezek a terhelések szűk impulzusokban veszik fel az áramot, nem pedig folyamatos hullámformában. Pontosabban, ezek az impulzusok szélessége kisebb, mint 60 fok, ami azt jelenti, hogy amikor az egyik fázis áramot vesz fel, a másik két fázis nem.

Ez azt eredményezi, hogy a nullavezetőben nem szűnik meg az áram, így minden egyes fázis impulzusa közvetlenül a nulla vezeték impulzusává alakul át.

Még ha a nemlineáris terhelések, például az SMPS fázisáramok kiegyensúlyozottak is az RMS (Root Mean Square) amperben, a nullaáram RMS értéke továbbra is a fázisáram RMS értékének √3-szorosa lehet.

Ez azért van így, mert háromszor annyi áramimpulzus van a nullában, mint bármely egyetlen fázisban. Ha ezek az impulzusok szélességükben meghaladják a 60 fokot és átfedik egymást, akkor előfordulhat némi törlés, de a semleges áram továbbra is jelentős lesz a magasabb frekvenciájú összetevők, különösen a 3. harmonikus miatt.

A harmadik harmonikus szerepe

A 3. harmonikus áram különösen zavaró ezekben a rendszerekben. Az alapfrekvencia háromszorosán fordul elő - 180 Hz egy 60 Hz-es rendszerben.

Ez a 3. harmonikus áram összeadódik a nullavezetőben, ami túlmelegedéshez és túlterheléshez vezethet, ha a nullavezető nem megfelelő. Ez a probléma különösen hangsúlyos a régebbi épületekben, ahol az infrastruktúrát nem úgy tervezték, hogy kezelje ilyen magas szintű harmonikus áramokat.

Tudtommal a kompaktfénycsöves világítótestek, nagy mennyiségben, több felharmonikust termelnek, mint 5-6 számítógép.

Elvileg az EU-ban eladott tápoknak tudniuk kellene a PFC-t. A PFC csökkenti a felharmonikusokat a hálózat felé.

Arra figyelj majd, hogy az aktív PFC-s tápok nem szeretik a kvázi-szinuszos szünetmenteseket, míg a passzívnak ez nem gond, de nem is olyan hatékony, mint az aktív.

Hogyan kezelhetők a harmonikus áramok?

Az új konstrukciókban ezt a problémát gyakran enyhítik a nullavezető ampacitásának megduplázásával. A meglévő létesítményekben azonban az elektromos rendszer utólagos felszerelése a nullavezető méretének növelése érdekében gyakran nem praktikus és költséges.

Ez az a hely, ahol az Active Power Filters (APF-ek) rendkívül hatékony megoldást jelent.

APF-einket úgy tervezték, hogy valós időben észleljék és ellensúlyozzák a harmonikus áramokat. Az áram hullámformájának folyamatos figyelésével APF-eink olyan kompenzáló áramot fecskendezhetnek be, amely kioltja a nemlineáris terhelések által keltett harmonikusokat.

Ez a folyamat jelentősen csökkenti a 3. harmonikus áramot a nullavezetőben, megelőzve a túlterhelést és javítva az energiarendszer általános stabilitását.

• Valós idejű harmonikus elnyomás: APF-eink dinamikusan alkalmazkodnak az aktuális feltételekhez, azonnali csillapítást biztosítva az áramharmonikusoknak, beleértve a zavaró 3. harmonikust is.
• Megnövelt rendszermegbízhatóság: A nullavezető harmonikus tartalmának csökkentésével APF-eink megvédik az elektromos infrastruktúrát a túlmelegedéstől és az esetleges meghibásodásoktól.
• Költséghatékony megoldás: Az APF-eink beszerelése sokkal gazdaságosabb és kevésbé zavaró megoldás, mint a teljes elektromos rendszer korszerűsítése a nagyobb semleges áramok kezelésére.
• Fokozott energiahatékonyság: Csökkentett harmonikus áramokkal az elektromos rendszer általános hatékonysága javul, ami alacsonyabb energiafogyasztást és alacsonyabb működési költségeket eredményez.

Egyfázisú fogyasztók háromfázisú hálózaton

Ugyanarról az áramvédő-kapcsolóról üzemeltethetünk 1 fázisú fogyasztókat is.

Ha kizárólag egyfázisú fogyasztók lesznek, például 2 dugalj áramkör 16-16A kismegszakítóval, még egy dugalj áramkör 10A kismegszakítóval, és kb. 200W világítás 6A kismegszakítóval, akkor különösen fontos a terhelések megfelelő elosztása a három fázis között.

Az egyfázisú rendszer kisebb teljesítményre képes (általában 1×16 A vagy 1×25 A), míg a háromfázisú hálózat nagyobb terhelést képes elviselni - három külön ágon keresztül lehet elosztani a terhelést.

Ha új ház épül, vagy meglévő otthonban komolyabb elektromos terhelés jelenik meg - például hőszivattyú, elektromos fűtés, garázsban lévő műhely, vagy autótöltő -, felmerül a kérdés: elég az egyfázisú csatlakozás, vagy három fázisra van szükség?

Teljesítményigény bejelentése az áramszolgáltatónál, például 1×25 A ≈ 5,7 kW maximális teljesítmény.

A háromfázisú hálózat nem luxus, hanem sok esetben szükséges előfeltétele a stabil és biztonságos energiaellátásnak. Ha új ház épül, vagy meglévő rendszert bővítenél, érdemes előre gondolkodni és megfelelő teljesítményt igényelni.

Vezeték-keresztmetszet és terhelés

Olvastam neten valahol, hogy jelentősen csökkenhet a számítógépek által okozott felharmonikusok hatása, ha a dugaljakat nem 1,5 mm2, hanem pl. 2,5mm2 vezetékkel szerelem.

A vezeték és felharmonikus viszonyra annyit, hogy nem tudom, miért lenne jobb a vastagabb vezeték, hiszen a magasabb frekik a vezeték felületén terjednek, és minél nagyobb a felület, annál jobban.

A vezeték-keresztmetszetet nem szabad pusztán a jelenlegi fogyasztók alapján megválasztani. Egy számítógép nem úgy működik, hogy bekapcsolod és maximumon terhel, hanem akkor terhel maximumon, ha az alkatrészei, például a CPU vagy a GPU, maximumon mennek.

Arról nem beszélve, ha valaki külön lézernyomtatót használ a hálózati helyett, az plusz terhelés, nem is kicsi, annak külön konnektor is ajánlott.

Tehát nem tervezheted a jelen állapotra a villamos hálózatot, hogy éppen elvigye. Most a trend a számítógép-CPU-k körében a csökkenő fogyasztás, de nem biztos, hogy mindig így lesz, főleg ha az AMD kiesik, és az Intel megint gyártja a kazánjait.

Méretezés alapján a betápra 10 mm2 jött ki, ránézésre számolás alapján tényleg megfelelő.

A lakáselosztó és a mérőelosztó között, illetve a méretlen fővezeték keresztmetszete minimum 6 mm2 Cu.

A tényleges keresztmetszetet azonban a terhelés, a fektetési mód, a vezeték hossza, a megengedett feszültségesés, a védelem és az alkalmazandó szabványok alapján kell meghatározni.

Vezetékszínek háromfázisú rendszerekben

Amikor egy villanytűzhelyet, egy komolyabb műhelygépet vagy bármilyen nagyobb teljesítményű eszközt kell bekötni, szinte biztos, hogy három fázissal fogsz találkozni.

Ilyenkor a vezetékek színei nem csak dizájnelemek - ezek életet menthetnek. Mellettük ott a kék a nullavezető (N) számára, és a mindenki által jól ismert zöld-sárga a védőföldelésnek (PE).

A modern háromfázisú rendszerekben minden egyes vezetéknek megvan a maga pontos szerepe és a hozzá tartozó, egyedi szín.

Gondoljunk csak bele: a Magyarországon is kötelező MSZ HD 308 S2 szabványt pontosan azért hozták létre, hogy Európa-szerte felszámolják a korábbi, országonként eltérő jelölésekből adódó káoszt és veszélyforrásokat.

A biztonság mindenekelőtt: Megakadályozza, hogy véletlenül összekeverjük a fázisokat a nullával vagy a földeléssel. Gyors és hatékony munkavégzés: Egyértelművé teszi a hibakeresést és a karbantartást.

Régi hálózatok vezetékszínei

Aki már dolgozott régebbi épületben, biztosan belefutott a jelenségbe. A falból nem a megszokott barna, fekete és szürke drótok lógnak ki, hanem egy komplett színkavalkád: piros, sárga, kék, vagy éppen három tök egyforma fekete szál.

A 20. században Európa-szerte, és persze itthon is, több különböző színkódolás futott párhuzamosan. Ez a harmonizáció teljes hiánya komoly fejtörést okozott a villanyszerelőknek, hiszen sokszor még országon belül is eltérő gyakorlatokkal lehetett találkozni.

Éppen ezért van az, hogy egy régi ingatlannál a 3 fázis színek terén sosem bízhatunk a szemünknek.

A táblázatból azonnal látszik a lényeg: régen egy kék vagy szürke vezeték simán lehetett fázis, ami ma már teljesen elképzelhetetlen.

Régi épületeknél, ipari környezetben nem ritka, hogy a vezetékek szigetelése az évek során teljesen kifakult, vagy eleve azonos színű - például három fekete - ereket használtak a telepítéskor.

Fázisceruza: A legegyszerűbb eszköz, amivel megállapíthatjuk, hogy egy vezetéken van-e feszültség. Ha a hegyét a vezetőhöz érintjük, a benne lévő kis lámpa világít. De vigyázat!

Kétpólusú feszültségvizsgáló, például Duspol: Ez már egy sokkal komolyabb, profi szerszám. Nemcsak azt jelzi, hogy van-e feszültség, hanem a nagyságát is mutatja.

Mérj! Egy kétpólusú feszültségmérővel, feszültség alatt, óvatosan mérd ki a vezetékek közti feszültségeket. A fázisok között kb. 400V-ot, a fázisok és a nulla között pedig kb. 230V-ot kell mérni.

Biztonságos munkavégzés

Mielőtt bármihez is hozzányúlnánk, 100%-ig biztosnak kell lennünk, hogy melyik vezeték micsoda. Hol van a három fázis, hol a nulla, és hol a földelés.

Ahogy látszik, a szemrevételezés csak az első lépés. Bármilyen villanyszerelési munkába is fogunk, az alábbi lépések kihagyhatatlanok.

1. Feszültségmentesítés: Mindig, de mindig ez az első.
2. Visszakapcsolás elleni biztosítás: Gondoskodjunk róla, hogy senki ne tudja véletlenül visszakapcsolni az áramot, amíg dolgozunk.
3. Feszültségmentesség ellenőrzése: Egy megbízható, kétpólusú feszültségvizsgálóval győződjünk meg róla, hogy a munkaterület valóban feszültségmentes.
4. Megfelelő szerszámok és védőfelszerelés: Kizárólag VDE minősítéssel rendelkező, szigetelt szerszámokat, csavarhúzót és fogót használjunk.

Feszültség alatti munkához 1000V-ra szigetelt szerszámok vannak. Kábelcsupaszító kés is létezik.

A szabályok aprólékos betartása nem felesleges óvatoskodás, hanem a túlélés záloga.

Ha régi hálózathoz kell nyúlni, a biztonságos azonosítás feszültségmentesítéssel és ellenőrzéssel kezdődik. Vizuális felmérés során át kell nézni a vezetékek állapotát és a szigetelés épségét.

Vezetékek beazonosítása méréssel: Feszültség alá helyezés után, rendkívüli óvatossággal, multiméterrel vagy kétpólusú feszültségvizsgálóval azonosítsuk be a fázisvezetőket.

Nulla- és védővezető ellenőrzése: A nullavezetőt és a védővezetőt a fázisokhoz képest mért feszültséggel, kb. 230V, illetve egymáshoz viszonyítva, itt 0V-ot kell mérnünk, tudjuk beazonosítani.

Felújításkor gyakori helyzet, hogy a régi hálózat egy részét meg kell hagyni, és ezt kell összekötni egy új, már a harmonizált szabvány szerint szerelt szakasszal.

Soha, semmilyen körülmények között ne használjuk a zöld-sárga védővezetőt fázis- vagy nullavezetőként.

A nullavezető szakadásának kockázata

Ismét az ősmumus, azaz az N szakadás.

Háromfázisú, nullavezetőt is használó rendszerben a nullavezető szakadása különösen veszélyes lehet, ha a fázisok között egyenlőtlen egyfázisú terhelések vannak.

A különböző fogyasztók ilyenkor nem feltétlenül maradnak a névleges 230 V-os feszültségen, hanem a terhelések és az impedanciák arányától függően eltérő feszültségeket kaphatnak.

Ezért a nullavezető kötéseinek megbízhatósága, a megfelelő védelmi készülékek és a szakszerű ellenőrzés alapvető fontosságú.

Az N-vezető szakadásának lehetőségét nem szabad figyelmen kívül hagyni, még akkor sem, ha korszerű kötőelemekkel készült a szerelés.

Háromfázisú csatlakozás bővítése

Mellesleg egy 15 amperes biztosíték van az órában, ezt fel lehet bővíttetni 30 amperre?

Első körben azt kell megvizsgálni, hogy az oszloptól az óráig menő vezeték elbírná-e a megnövekedett terhelést, ezt pedig csak a helyi villamos művek tudja neked megmondani, mint ahogy azt is, hogy az oszlop előtti gerinc elbírja-e a megnövekedett igényedet, vagy esetleg azt is cserélni kell.

A teljesítménybővítéshez ezért nem elegendő pusztán nagyobb biztosítékot felszerelni. Ellenőrizni kell a csatlakozóvezetéket, a mérőhelyet, a fővezetéket, a hálózat terhelhetőségét és az alkalmazott védelmi rendszert.

Egy jó villanyszerelő ebben is tud segíteni.

tags: #harom #fazisnal #a #nullan #atfolyo