Faza prądu (φ) to położenie przebiegu prądu przemiennego w danym momencie okresu. Mówi, w którym miejscu sinusoidy znajduje się prąd: czy właśnie przechodzi przez zero, rośnie do maksimum, czy opada do minimum. W sieci 50 Hz jeden pełny obrót fazy trwa 20 ms, czyli 360°.
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 5% rabatu!
Czym dokładnie jest faza prądu?
Wyobraź sobie fazę prądu jak wskazówkę zegara krążącą po tarczy. Gdy wskazówka wraca do tego samego położenia, kończy się jeden pełny cykl. Z prądem przemiennym dzieje się podobnie: po każdym okresie sygnał wraca do tego samego stanu, a faza mówi Ci, gdzie dokładnie jesteś w tym obrocie.
W elektrotechnice fazę opisuje się kątem. Dla przebiegu sinusoidalnego 0° oznacza start cyklu, 90° punkt maksymalny dodatni, 180° kolejne przejście przez zero, a 270° maksimum ujemne. Przy częstotliwości 50 Hz jeden okres trwa 0,02 s, więc 90° odpowiada 5 ms, a 180° odpowiada 10 ms.
i(t) = Im · sin(ωt + φ0)
- i(t) – wartość chwilowa prądu [A],
- Im – amplituda prądu [A],
- ω – pulsacja [rad/s], dla 50 Hz wynosi około 314 rad/s,
- t – czas [s],
- φ0 – faza początkowa, czyli przesunięcie przebiegu na starcie.
Jak odczytać fazę na sinusoidzie?
Jeżeli patrzysz na wykres prądu przemiennego, sama wartość w amperach nie mówi jeszcze wszystkiego. Dwie sinusoidy mogą mieć tę samą amplitudę 10 A, ale jeśli jedna jest przesunięta o 90°, ich maksima pojawią się w innych chwilach. Dlatego faza jest potrzebna wszędzie tam, gdzie liczy się moment pojawienia się danej wartości, a nie tylko jej wysokość.
| Kąt fazowy | Czas przy 50 Hz | Stan przebiegu prądu |
|---|---|---|
| 0° | 0 ms | Przejście przez zero i wzrost |
| 90° | 5 ms | Maksimum dodatnie |
| 180° | 10 ms | Przejście przez zero i zmiana znaku |
| 270° | 15 ms | Maksimum ujemne |
| 360° | 20 ms | Powrót do punktu startowego |
Tę tabelę wykorzystasz od razu, gdy patrzysz na ekran oscyloskopu. Jeśli maksimum pojawia się 5 ms po początku okresu sieciowego, wiesz, że odpowiada to 90°. Jeżeli drugi przebieg jest opóźniony o 10 ms względem pierwszego, różnica faz wynosi 180°.
Faza prądu a przesunięcie fazowe – to nie jest to samo
Faza prądu opisuje położenie jednego przebiegu w czasie. Przesunięcie fazowe porównuje natomiast dwa przebiegi, najczęściej prąd i napięcie, i pokazuje o ile stopni lub milisekund jeden jest opóźniony albo wyprzedzony względem drugiego. To rozróżnienie jest ważne, bo na egzaminie SEP bardzo często pada pytanie nie o samą sinusoidę, ale właśnie o relację między prądem a napięciem.
- Obwód rezystancyjny – prąd i napięcie są w tej samej fazie, więc przesunięcie wynosi 0°.
- Obwód indukcyjny – prąd opóźnia się względem napięcia; dla idealnej cewki różnica wynosi 90°.
- Obwód pojemnościowy – prąd wyprzedza napięcie; dla idealnego kondensatora różnica wynosi 90°.
Z przesunięcia fazowego bierze się później cos φ w obwodach prądu przemiennego. Gdy prąd i napięcie nie mają maksimów w tej samej chwili, część energii nie zamienia się od razu na pracę użyteczną. Tak rodzi się moc bierna, potrzeba kompensacji i pomiary analizatorem sieci.
Jak faza prądu działa w instalacji 230/400 V?
W polskiej sieci niskiego napięcia masz zwykle 230 V między przewodem fazowym i neutralnym oraz 400 V między fazami, przy częstotliwości 50 Hz. Parametry takiej sieci opisuje norma PN-EN 50160, a wymagania dla obwodów jednofazowych i trójfazowych znajdziesz w normie PN-HD 60364. W układzie trójfazowym trzy przebiegi są przesunięte względem siebie o 120°, czyli o jedną trzecią okresu.
Δφ = 120° = T/3 = około 6,67 ms przy 50 Hz
Te 120° mają bardzo konkretny skutek. Jeśli zamienisz kolejność faz w zasilaniu silnika trójfazowego 400 V, zmienisz kierunek wirowania pola, a razem z nim zwykle kierunek obrotów silnika. Dlatego przed uruchomieniem napędu, wentylatora albo pompy sprawdzasz kolejność faz wskaźnikiem.
Z pojęciem fazy prądu zetkniesz się na egzaminie SEP grupy 1 przy pytaniach o prąd przemienny, obwody trójfazowe, przebieg sinusoidalny i zależność między prądem a napięciem. Dobra odpowiedź nie kończy się na haśle „są trzy fazy”, tylko obejmuje jeszcze 50 Hz, przesunięcie 120° oraz różnicę między fazą pojedynczego przebiegu a przesunięciem fazowym dwóch przebiegów.
Najczęściej zadawane pytania
Faza to położenie przebiegu okresowego w danym momencie czasu. W prądzie przemiennym najczęściej opisuje się ją kątem od 0° do 360° albo równoważnym przesunięciem czasowym w obrębie jednego okresu.
W instalacji trójfazowej są to trzy przebiegi napięcia lub prądu przemiennego o tej samej częstotliwości, przesunięte względem siebie o 120°. Dzięki temu można zasilać silniki i większe odbiorniki równiej niż z jednej fazy 230 V.
Chodzi o to, że prąd przemienny nie ma jednej stałej wartości, tylko zmienia się cyklicznie w czasie. Faza pokazuje, w którym miejscu tego cyklu aktualnie znajduje się przebieg i czy dwa przebiegi są zgodne, opóźnione lub wyprzedzone względem siebie.
W praktyce oznacza się je jako L1, L2 i L3. Każda z nich ma w publicznej sieci tę samą częstotliwość 50 Hz, ale przebiegi są przesunięte względem siebie o 120°, czyli o około 6,67 ms.
