Однофазный переменный ток

Однофазный переменный ток

Подробности

Категория: Электротехника

Однофазный переменный ток

Практически в домашних условиях применяют однофазный переменный ток, который получают с помощью генераторов переменного тока. Устройство и принцип действия этих генераторов основывается на явлении электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, проходящего через него. Это явление было открыто английским ученым М.Фарадеем (1791-1867) в 1831 г.
Переменный ток, используемый в производстве и быту, изменяется по синусоидальному закону:

                                                                        i = I_m · sin(2·π·f·t),
где  

i— мгновенное значение тока;
       I_m   — амплитудное (наибольшее) значение тока; 
        f — частота переменного тока;
        t — время.

  

 

На рис. справа представлен график переменного тока и указаны амплитудные и мгновенное значения переменного тока в момент времени t. 

 

Частота измеряется в герцах (Гц) в честь немецкого ученого Г. Герца (1857-1894). В сети переменного тока она равна 50 Гц. Частота переменного тока характеризует быстроту периодических процессов, число колебаний, совершаемых в единицу времени. Она измеряется с помощью специальных приборов — частотомеров.

Величина, обратная частоте, называется периодом колебания Т. Он равен для сети переменного тока 0,02 секунды.
Частота переменного тока зависит от частоты вращения ротора генератора и числа пар полюсов индуктора. Она определяется по формуле:                    

                                 

где  p — число пар полюсов индуктора;
       n — частота вращения ротора в минуту.
Если генератор имеет одну пару полюсов, то ротор такого генератора совершает 3000 об/мин для получения переменного тока частотой 50 Гц.

Переменный ток так же, как и постоянный ток, может производить тепловое действие. Накаливание волоска лампочки осуществляется как переменным, так и постоянным током. Поэтому, сравнивая тепловые эффекты постоянного и переменного токов (Q₌ = Q_{—_}), получают соотношение между действующим (эффективным) и максимальным токами:                                                         

	I =	Im	≈ 0,7· Im
		√2

 

или напряжениями:  

	Um	Um	≈ 0,7· Um
		√2

                                                                
где   I

, U — действующие значения тока и напряжения; 
I_m, U_m— максимальные значения тока и напряжения.

Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения тока или напряжения.

Переменный ток одного напряжения, в отличие от постоянного, легко преобразовать в переменный ток другого напряжения с помощью трансформатора.

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте тока. Трансформаторы широко используются при передаче и распределении электрической энергии переменного тока. Они бывают однофазные и трехфазные.

Однофазный трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток изолированного провода. Сердечник трансформатора делается из листов электротехнической стали и служит магнитопроводом. Листы стали изолируются лаком для уменьшения потери энергии в сердечнике. Обмотка, подключенная в сеть, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение, — вторичной. Трансформаторы, в которых вторичная обмотка имеет большее число витков, чем первичная, являются повышающими, а трансформаторы, в которых вторичная обмотка имеет меньшее число витков, чем первичная, являются

понижающими. Отношение числа витков W₁ и W₂ обеих обмоток трансформатора равно отношению напряжений U₁ и U₂ на зажимах обмоток и называется коэффициентом трансформации К, т. е. 

 

 

 

При малых потерях энергии в трансформаторе (1-3%) можно принять, что мощность во вторичной цепи трансформатора приблизительно равна мощности в первичной. Тогда  Р₂ ≈ Р₁

 или I₂ ^. U₂ ≈ I₁ ^. U₁ , откуда  

 

	I2	=	U1	=	W1	= K
	I1		U2		W2

 

 

Следовательно, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям, а значит и числу витков обмоток. Это означает, что в повышающем трансформаторе сила тока во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, и поэтому вторичная обмотка может быть выполнена из более тонкой проволоки; в понижающем же трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет большее сечение провода обмотки, чем первичная.

 Для изменения напряжений в небольших пределах применяют трансформаторы с одной обмоткой — автотрансформаторы, которые представляют как бы трансформатор с последовательным соединением обмоток.

Однофазный переменный ток. Понятие

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

В промышленности и в быту широко используется синусоидальный переменный ток. Название «синусоидальный ток» объясняется тем, что напряжение и ток в цепи изменяются по закону синуса. Часто такой ток называют просто переменным или просто синусоидальным.

Достоинства переменного тока состоят в следующем:

1. Двигатели переменного тока проще, дешевле и надежнее, чем двигатели постоянного тока. Это очень важно, так как в промышленности и в быту используются миллионы электродвигателей.

2. Переменный ток можно трансформировать, т.е., с помощью трансформатора, повышать или понижать его величину.

 

Рис. 40. Цепь синусоидального переменного тока и график синусоидального тока

 

Цепь с источником переменного тока и график изменения переменного тока показан на рис. 40. На рисунке показана синусоида переменного

тока. Точно такой же вид будет иметь график синусоидального напряжения или ЭДС.

В отличие от постоянного тока, переменный непрерывно меняется по величине и направлению.

Синусоидальное колебание состоят из двух полупериодов — положительного и отрицательного. На рисунке 40 видно, что полупериоды синусоиды одинаковы по высоте и по ширине. Отличаются они только полярностью.

При смене полупериода меняется полярность напряжения на зажимах источника и, соответственно, направление тока в цепи (см. рис. 40).

Из рассмотрения графика синусоиды видно, что величина переменного тока в цепи постоянно меняется. В начальный момент периода ток равен нулю. Затем величина тока нарастает до положительного максимума, после чего начинает убывать и спадает до нуля. В этот момент заканчивается первый (положительный) полупериод.

Во втором (отрицательном) полупериоде ток снова нарастает до максимума, но его направление (полярность) противоположно тому, что было в первом полупериоде. Затем ток спадает до нуля и второй полупериод заканчивается.

После этого рассмотренный процесс изменения величины и направления тока повторяется.

Получение переменного тока

Переменный ток, применяемый в промышленности и в быту, вырабатывают генераторы на электростанциях. Работа генераторов основана на явлении электромагнитной индукции. Чтобы лучше понять принцип работы генератора повторите явление электромагнитной индукции. Рассмотрим принцип работы генератора. В генераторе, в магнитном поле, с угловой скоростью ω (омега) вращается рамка. Магнитное поле создаётся электромагнитами, не показанными на рисунке. Рамка это проводник, согнутый в форме прямоугольника. Вращение рамки обеспечивается какой-то внешней силой. Например, на гидроэлектростанции, вращение рамки обеспечивает падающая вода.

Рис. 41. Принцип работы генератора переменного тока

 

Стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. При этом в рамке наводится ЭДС, в соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Каждый конец рамки соединён с медным кольцом, которое вращается вместе с рамкой. К кольцам прижаты графитовые щётки. Кольца и щётки необходимы, чтобы передать ЭДС, наводящуюся во вращающейся рамке, на неподвижное сопротивление нагрузки R_н.

Генераторы, вырабатывающие переменный ток, встречаются не только на гидроэлектростанциях. Аналогичную конструкцию и принцип работы имеют генераторы переменного тока в автомобилях и других устройствах.

Заметим, что если необходим постоянный ток, то он получается из переменного, путём его выпрямления.

Параметры переменного тока

Переменный ток характеризуется рядом параметров. Рассмотрим важнейшие из них.

На рис. 42 показан график синусоидального тока. Аналогично выглядят графики синусоидального напряжения или ЭДС.

Рис. 42. График синусоидального тока. Период синусоиды Т.

Показано мгновенное i и амплитудное I_m значения синусоидальной величины

 

1. Период – время, за которое синусоида совершает одно полное колебание. Период Т измеряется в секундах.

 

2. Частота – показывает число колебаний синусоиды за 1 секунду. Частота обозначается буквой f (эф) и измеряется в герцах (Гц). Частота синусоидального тока, применяемого в промышленности и в быту 50 Гц. Частота и период связаны формулой:

 

 

3. Угловая частота ω (омега) – показывает угловую скорость вращения рамки генератора (угол, в радианах, на который повернётся рамка генератора за одну секунду):

Один полный оборот рамки – это 360 градусов, или 2π радиан.

 

4. Мгновенное значение тока, напряжения или ЭДС. Обозначается малой (строчной) буквой: i, u, e.

Мгновенным называется значение синусоидальной величины в данный момент времени, например при t₁ значение тока — i_1. На рис.42 показаны мгновенные значения тока для двух моментов времени., Видно, что в каждый момент времени ток имеет свое значение. Сравните на рисунке величину (мгновенное значение) тока в моменты времени t₁ и t₂.

5. Амплитудное (максимальное)значение тока, напряжения или ЭДС – наибольшее из всех мгновенных значений.

На рис. 42 показаны амплитудные (максимальные) значения тока для положительного I_m и отрицательного -I_m полупериодов. По величине они одинаковы.

Амплитудные значения обозначаются заглавной буквой с индексом m. Иногда вместо буквы m пишется max.

 

6. Действующее значение тока, напряжения или ЭДС. Обозначается заглавной буквой без индекса: I, U, E.

Действующее значение самое важное для практики. Оно используется для оценки величины переменного тока чаще всего. Вольтметры и амперметры показывают именно действующее значение, соответственно напряжения или тока.

В стандартной бытовой сети действующее значение напряжения составляет 220 В.

Амплитудное значение больше действующего в 1,41 раза (корень их двух).

 

Рекомендуемые страницы:

Переменный однофазный ток — fiziku5.ru

При работе любой электроустановки нагрев проводов током вызывает, как уже отмечалось, потери электрической энергии, размер которых определяется в соответствии с законом Джоуля— Ленца. В частности, потери электроэнергии ДА (Втч) и электри­ческой мощности ДР (Вт) при передаче энергии постоянным то­ком определяют по следующим формулам:

где I — сила тока, протекающего по проводам, A; R — сопротив­ление одного провода, Ом; t — время протекания тока, ч.

1.6.  Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной

индукции

Если поместить замкнутый проводник в изменяющееся магнит­ное поле, то в нем будет наводится электрический ток, называе­мый индукционным (наведенным). Причиной возникновения тока является сила Лоренца, выполняющая роль сторонней силы, приводящей заряженные частицы (электроны) в направленное движение. Все это приводит к понятию электродвижущей силы индукции:

Электродвижущая сила, возникающая в проводнике, вокруг которого изменяется магнитное поле, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Индуцированный ток в проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, всегда имеет такое направление, что магнитное поле индуцированного тока всегда препятствует изменению магнитного поля, вызвавшего этот ток (Правило Ленца).

1.7.  Переменный однофазный ток

Переменным называют электрический ток, периодически (т. е. через равные промежутки времени) меняющий свое направление и непрерывно изменяющийся по величине. Мгновенные значенияпеременного тока (а также переменной ЭДС и напряжения) через равные промежутки времени повторяются.

Переменный ток имеет самое широкое применение в совре­менной электротехнике. Практически вся электрификация во всем мире осуществляется на переменном токе (на трехфазном пере­менном токе, о котором изложено далее).

Электроэнергия переменного тока просто и экономно может быть преобразована с помощью трансформаторов из энергии низ­кого напряжения в энергию высокого напряжения и наоборот. Это свойство используют с целью уменьшения потерь электроэнергии при ее передаче по проводам на большие расстояния.

Величины, характеризующие переменный ток. Величины, кото­рые полностью характеризуют переменный ток, т. е. дают полное представление о нем, называются параметрами переменного тока.

Амплитудным значением или просто амплитудой называется наи­большее значение переменного тока, которого он достигает в про­цессе изменений. Амплитудные значения силы тока, напряжения и ЭДС обозначаются соответственно Iм, UM, Ем.

Мгновенным значением называется значение переменного тока в любой момент времени. Мгновенные значения силы тока обозна­чаются буквой I, напряжения — буквой и, ЭДС — буквой е.

Значение силы тока (напряжения, ЭДС), в раз меньше амп­литудного значения, называется действующим значением перемен­ного тока:

Действующие значения переменного тока, напряжения и ЭДС обозначаются соответственно I, U, Е. Величина действующего зна­чения переменного тока равна такой величине постоянного тока, который, проходя через одно и то же сопротивление в течение одного и того же времени, что и рассматриваемый нами перемен­ный ток, выделяет одинаковое с ним количество тепла.

Ток, у которого мгновенные значения повторяются через определенный промежуток вре­мени, называется периодичес­ким.

Периодом Т называется вре­мя, за которое происходит пол­ное изменение переменного тока (рис. 1.3).

Частотой/называется чис­ло периодов в 1 с. Частота, рав­ная одному периоду за 1 с, на­зывается герцем.

Векторная и развернутая диаграммы. Фаза и сдвиг фаз.

Графически переменный ток можно изобразить, используя прямоугольную систему коор­динат (развернутая диаграм­ма, рис. 1.4, б), или с помо­щью векторов (векторная ди­аграмма, рис. 1.4, а). Развер­нутая диаграмма наглядно по­казывает, как изменяется пе­ременный ток с течением вре­мени. Векторная диаграмма позволяет рассматривать фи­зические процессы, происхо­дящие в цепях переменного тока, и с достаточной точно­стью производить графичес­кое решение задач.

Вектор — это отрезок прямой, имеющий определенную длину и определенное направление. Длина вектора должна соответствовать ам­плитудному значению переменного тока. Пусть вектор Iм вращается с постоянной угловой частотой со против часовой стрелки. Проекция вектора I м на ось i определяется выражением I = Iм sin φt (см. рис. 1.4, а), которое соответствует мгновенному значению переменного тока.

Положение вектора определяется углом, который называется фазовым углом или просто фазой. Фаза равна нулю, если вектор расположен горизонтально и направлен вправо.

Угловая скорость вращения (со) вектора называется круговой или угловой частотой. Угловая частота — это величина угла в ра­дианах, который описывает вектор за 1 с:

Если две синусоидально изменяющиеся величины одновременно достигают нулевых и амплитудных значений, то они совпадают по фазе. Векторы таких величин в любой момент времени имеют одина­ковое направление. Если векторы имеют неодинаковое направление, то говорят, что они сдвинуты по фазе на угол φ (см. рис. 1.4, б).

1.8.  Сопротивления в цепях переменного тока

Цепь переменного тока с активным сопротивлением. Сопротивления в цепях переменного тока бывают активными и реактивными. Актив­ные сопротивления расходуют энергию, реактивные — не расходуют.

Реактивными сопротивлениями, включенными в цепь переменного тока, являются сопротивления ка­тушки индуктивности L и конден­сатора С. Сопротивление катушки называется индуктивным сопротив­лением (XL), сопротивление кон­денсатора — емкостным (Хс).

На рис. 1.5 показана цепь пере­менного тока с активным сопротив­лением и векторная диаграмма, из которой видно, что ток и напряже­ние совпадают по фазе. Они изменя­ются по одному и тому же закону, следовательно, можно записать:

(1.12)

(1.13)

Действующее значение силы тока в цепи с активным сопротив­лением равно:

(1.14)

где U — действующее значение напряжения на сопротивлении; R — значение активного сопротивления.

Это выражение является выражением закона Ома для цепи с активным сопротивлением. Мощность, расходуемая в цепи на ак­тивном сопротивлении, равна:

(1.15)

где φ— угол сдвига фаз между током и напряжением.

Так как ток и напряжение совпадают по фазе, то угол сдвига φ = 0°, a cos φ = 1. Мощность же в цепи равна произведению дей­ствующих значений тока и напряжения:

(1.16)

Переменный ток в цепи с индуктивным сопротивлени­ем. Если катушку индуктив­ности, активное сопротивле­ние которой равно нулю, подключить к источнику пе­ременного тока (рис. 1.6), то в катушке потечет синусои­дально изменяющийся пере­менный ток.

Согласно правилу Ленца индуцированная в катушке ЭДС про­тиводействует изменениям силы тока. Это значит, что при увели­чении силы тока в катушке ЭДС самоиндукции стремится создать ток, направленный навстречу вызывавшему ее току, а при умень­шении силы тока она, наоборот, стремится создать ток, совпада­ющий по направлению с ним.

Из векторной диаграммы видно, что ЭДС самоиндукции отста­ет по фазе от тока на 90°.

Напряжение на катушке или на источнике тока равно:

Произведение угловой скорости на индуктивность катушки (соL) называется индуктивным сопротивлением XL:

(1.17)

Получение переменного тока — Основы электроники

Мы с вами узнали, что такое переменный ток, теперь я вам хочу рассказать, как получить переменный синусоидальный ток.

Возьмем проводник, согнутый в виде рамки и будем вращать его в равномерном магнитном поле (рисунок 1). При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индук­ции.

Пусть рамка вращается с равномерной скоростью. Мы уже знаем, что величина ЭДС, индуктированной в рамке, будет тем больше, чем быстрее будет изменяться число маг­нитных силовых линий, охватываемых рамкой, или иначе, чем большее число магнитных силовых линий будут пересекать стороны рамки в единицу времени (например в одну секунду).

Примем за начальное то положение рамки, когда она охва­тывает наибольшее число магнитных силовых линий, т. е. когда плоскость ее перпендикулярна направлению магнитного потока. На рисунке 1 это положение отмечено цифрой 1.

Рисунок 1. Получение синусоидального переменного тока. а — ряд последовательных положений рамки в магнитном поле; б -график переменного тока (синусоида).

В начале вращения рамки ее стороны будут скользить почти вдоль магнитных силовых линий, пересекая очень малое число их, то есть магнитный поток, проходящий через рамку, будет изменяться очень медленно, следовательно, и наводимая этим изменением потока ЭДС индукции будет невелика.

По мере приближения рамки, к положению 2, когда плос­кость ее становится параллельной силовым линиям, количе­ство пересекаемых рамкой силовых линий возрастает (при по­стоянной скорости вращения рамки) а, следовательно, воз­растает и индуктируемая в ней ЭДС.

Когда рамка пройдет положение 2, действующая в рамке ЭДС начнет постепенно убывать и станет равной нулю, когда рамка сделает полоборота (положение 3). Затем ЭДС будет снова возрастать, но уже в обратном направлении, так как теперь стороны рамки будут пересекать магнитные силовые ли­нии в противоположном направлении. В момент, когда рамка займет положение 4, т. е. сделает три четверти оборота, ЭДС будет наибольшей, после чего она начнет снова убывать и сде­лается равной нулю в тот момент, когда рамка завершит пол­ный оборот (положение 5).

При дальнейшем вращении рамки все явления будут по­вторяться в прежнем порядке. Так как ЭДС в рамке непре­рывно изменяется по величине и, кроме того, два раза в тече­ние каждого оборота изменяет свое направление, то и ток, вы­зываемый ею в рамке, будет также изменяться и по величине и по направлению.

Условимся изображать изменение переменной ЭДС, наво­димой в рамке при вращении ее в магнитном поле, таким об­разом, что по горизонтальной прямой линии (оси) слева направо будем откладывать в каком-нибудь масштабе угол поворота рамки или время, протекшее от начала поворота, а вверх и вниз (по вертикали) будем откладывать те ЭДС, которые наводятся в рамке при данном угле ее поворота. Вверх будем откладывать ЭДС одного направления, а вниз— ЭДС другого направления. В результате такого построения получим график изменения ЭДС в зависимости от угла по­ворота рамки или, что то же самое, в зависимости от времени, так как рамка вращается с постоянной скоростью. Кривая эта, изображенная на рисунке 1б, очень часто встречается в электро­технике и носит название синусоиды.

Итак, мы видим, что при равномерном вращении рамки в равномерном магнитном поле в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся по периодическому закону, выражае­мому синусоидой; ЭДС и токи, изменяющиеся по такому за­кону, называются синусоидальными, а весь описанный процес будет иметь название получение переменного синусоидального тока.

Свяжем мысленно с вращающейся рамкой стрелку, укреп­ленную на одной оси с рамкой (рисунок 2а). Направим на вра­щающуюся стрелку пучок параллельных световых лучей так, как это изображено на рисунке 2б, а с другой стороны стрелки поставим экран (например лист бумаги). Электродвижущая сила, индуктируемая в рамке, в каждый данный момент бу­дет пропорциональна длине тени, отбрасываемой стрелкой на экран. Длина тени в начальный момент, когда стрелка нахо­дится в горизонтальном положении, т. е. острием направлена в сторону экрана, будет равна нулю.

Рисунок 2. Модель синусоидального колебания. а -вместе с рамкой вращается стрелка; б -кончик тени от стрелки совершает синусоидальные колебания.

При вращении стрелки в направлении, указанном на рисунке, ее тень начнет удлиняться, вытягиваясь вверх. Сначала удлинение тени будет происходить быстро, но по мере при­ближения стрелки к вертикальному положению оно замедлит­ся и, наконец, совеем прекратится, когда длина тени сделается равной длине стрелки. После этого тень будет укорачиваться, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее и, наконец, сделается равной нулю в тот момент, когда стрелка, совершив полоборота, займет горизонтальное положение. В то время, когда стрелка будет совершать следующую половину оборота, ее тень совершит такое же удлинение и укорочение, как и прежде, с той лишь разницей, что удлиняться она теперь будет не вверх, а вниз.

При каждом обороте стрелки ее тень будет совершать одно полное колебание.

Колебания тени вращающейся стрелки дают полную карти­ну изменения скорости движения электронов в проводнике при синусоидальном переменном токе. Скорость свободных элек­тронов в проводнике сначала невелика, затем электроны начи­нают двигаться все быстрее и быстрее (сила тока увеличивает­ся). В некоторый момент скорость электронов достигает своей максимальной величины (сила тока максимальна), после чего электроны постепенно замедляют свое движение и, наконец, совсем останавливаются (сила тока равна нулю).

Однако, практически электроны не делают остановки, так как они тотчас же начинают движение в обратном направле­нии (ток изменяет свое направление) с постепенно увеличи­вающейся скоростью (сила тока растет) и т. д.

Начертим окружность, внутри которой наметим несколько положений радиуса, занимаемых им при равномерном движе­нии его конца по окружности. На рисунке 3 показано 24 после­довательных положения радиуса, занимаемых им через каж­дые 15° поворота. Справа от этой окружности проведем гори­зонтальную линию на высоте центра окружности. Разделим горизонтальную координатную ось также на 24 части, каждая из которых будет соответствовать 15° окружности.

Рисунок 3. Построение грфика синусоидального переменного тока. Окружность и горизонтальная ось координат разделены на одинаковое число частей.

Из каждой отмеченной точки на горизонтальной оси прове­дем вертикальную линию, равную проекции радиуса на вертикальный диаметр или длине тени при данном угле поворо­та. Соединим плавной кривой концы всех вертикальных ли­ний. Эта кривая и будет синусоидой.

Вращающийся радиус, употребляемый при построении си­нусоиды, называется радиусом-вектором.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Однофазный переменный ток и его параметры — Студопедия.Нет

Переменный ток долгое время не находил практического применения. Это было связано с тем, что первые генераторы электрической энергии вырабатывали постоянный ток, который вполне удовлетворял технологическим процессам электрохимии, а двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако по мере развития производства постоянный ток все менее стал удовлетворять возрастающим требованиям экономичного электроснабжения. Переменный ток дал возможность эффективного дробления электрической энергии и изменения величины напряжения с помощью трансформаторов. Появилась возможность производства электроэнергии на крупных электростанциях с последующим экономичным ее распределением потребителям, увеличился радиус электроснабжения.

В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии осуществляется в основном на переменном токе. Цепи с изменяющимися – переменными – токами по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Переменные токи и напряжения вызывают переменные электрические и магнитные поля. В результате изменения этих полей в цепях возникают явления самоиндукции и взаимной индукции, которые оказывают самое существенное влияние на процессы, протекающие в цепях, усложняя их анализ.

Переменным током (напряжением, ЭДС и т.д.)называется ток (напряжение, ЭДС и т.д.), изменяющийся во времени. Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени в одной и той же последовательности, называются периодическими,а наименьший промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, — периодом Т.

Основные параметры цепей однофазного переменного тока.

Однофазный переменный ток промышленной частоты имеет 50 периодов колебаний в секунду, или 50 Гц. Его применяют для питания небольших вентиляторов, электробытовых приборов, электроинструмента, при электросварке и для питания большинства осветительных приборов. Частота переменного тока, Гц:

f= 1/T = np/60,

где п — частота вращения генератора, минˉ¹; р — число пар полюсов генератора.

Мощность однофазного переменного тока:

активная, Вт, Ра = IUcosφ;

реактивная, вар, Q = IUsinφ;

кажущаяся, В А, S = IU =

Если в цепь переменного однофазного тока включено только активное сопротивление (например, нагревательные элементы или электрические лампы), то значение силы тока и мощности в каждый момент времени определяют по закону Ома:

I=U/R; Рa = IU = I²R=U²/R.

Коэффициент мощности в цепи с индуктивной нагрузкой

Cosφ= Рa/IU= Рa/S.

 

28. Основные понятия и величины, характеризующие электрические цепи

а) Понятия:

Электрической цепьюназывается совокуп­ность устройств, предназначаемых для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в ко­торых могут быть описаны с помощью понятий напря­жения и тока. В общем случае электрическая цепь со­стоит из источников и приемников электрической энергии и промежуточных звеньев (проводов, аппаратов), связы­вающих источники с приемниками.

Источниками электрической энергииявляются устройства (гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлемен­ты, генераторы), в которых происхо­дит процесс преобразования химической, молекулярно-кинетической, тепловой, механической или другого вида энергии в электрическую.

Приемниками электрической энергии (нагрузкой),служат устройства (электрические лампы, электронагревательные приборы, электрические двига­тели, резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки), в которых электрическая энер­гия превращается в световую, тепловую, механическую и др.

б) Величины:

Электрический ток и напряжение являются основны­ми величинами, характеризующими состояние электрических цепей.

Электрический токв проводниках представляет явление упорядоченного движения электрических зарядов. Под терми­ном «ток» понимают также интенсивность или силу тока, измеряемую количеством электрического зарядаq, прошед­шего через, поперечное сечение проводника в единицу вре­мени:

Следовательно, ток представляет собой скорость изменения заряда во времени.В СИ заряд выражается в кулонах (Кл), время—в секундах (с), ток — в амперах (А).

Ток как отношение двух скалярных величин является скалярной алгебраической величиной, знак которой зависит от направления движения зарядов одного знака, а именно условно принятого положительного заряда. Для однозначного опреде­ления знака тока за положительное направление достаточно произвольно выбрать одно из двух возможных направлений, которое отмечают стрелкой.

Если движение поло­жительного заряда происходит в направлении стрелки, а движение отрицательного заряда—навстречу ей, то ток поло­жителен. При изменении направления движения зарядов на противоположный ток будет отрицательным.

Задать однозначно ток в виде некоторой функции времени можно только после указания выбранного положительного направления тока. Поэтому перед началом анализа на всех участках цепи необходимо отметить положительные направления токов, выбор которых может быть произвольным.

Прохождение электрического тока или перенос зарядов в цепи связаны с преобра­зованием или потреблением энергии. Для определения энергии, затрачиваемой на перемещение заряда между двумя рассмат­риваемыми точками проводника, вводят новую величину—напряжение.

Напряжением называют количество энергии, затрачи­ваемой на перемещение единицы заряда из одной точки в другую: , гдеw—энергия.

При измерении энергии в джоулях (Дж) и заряда в кулонах (Кл) напряжение выражают в вольтах (В).

Напряжение как отношение двух скалярных величин также является скалярной алгебраической величиной. Для однознач­ного определения знака напряжения между двумя выводами рассматриваемого участка цепи одному из выводов условно приписывают положительную полярность, которую отмечают либо стрелкой, направленной от вывода, либо знаками « + »,«—

Н апряжение положительно, если его поляр­ность совпадает с выбранной; это означает, что потенциал вывода со знаком « + », из которого выходит стрелка, выше потенциала второго вывода.

Перед началом анализа должны быть указаны выбранные положительные полярности напряжений — только при этом условии возможно однозначное определение напряжений.

Хотя условно положительную полярность напряжения можно выбирать произвольно, обычно удобно выбирать ее согласованной с выбранным положительным направлением тока, когда стрелки для тока и напряжения совпадают или знак « + » полярности напряжения находится в хвосте стрелки, обозначающей положительное направление тока. При согласо­ванном выборе полярности, очевидно, достаточно ограничиться указанием только одной стрелки положительного направления тока.

Если возникает необходимость выбора положительной по­лярности напряжения, не согласованной с положительным направлением тока, то приходится указывать две встречно направленные стрелки: для тока и для напряжения. Это не очень удобно. Поэтому для обозначения условно положитель­ной полярности будем применять знаки «+.», « —» у выводов участка цепи.

Мощностьв электрической цепи, равная произведению напряжения на ток, также является алгебраической величиной. Знак ее определяется знаками напряжения и тока: при совпаде­нии этих знаков мощность положительна, что соответствует потреблению энергии в рассматриваемом участке цепи; при несовпадении знаков напряжения и тока мощность отрица­тельна, что означает отдачу ее из участка цепи (такой участок является источником энергии).

29. Классификация электрических цепей и их элементов. Виды схем, используемых в электротехнике

§46. Получение переменного тока

В промышленности в основном применяют синусоидальный переменный ток, который в отличие от постоянного каждое мгновение изменяет свое значение и периодически направление. Для получения такого тока используют источники электрической энергии, создающие переменную э. д. с, периодически изменяющуюся по величине и направлению; такие источники называются генераторами переменного тока.

Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле (рис. 168, а). Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в процессе вращения витка направление э. д.с. е, индуцированной в рабочих участках 1 и 2 витка, непрерывно изменяется (показано стрелками), следовательно, изменяется и направление проходящего по замкнутой цепи тока i.

По закону электромагнитной индукции э. д. с, индуцируемая в витке при вращении его с окружной скоростью ? в магнитном поле с индукцией В,

e = 2lB? sin?,

где

2l — длина двух рабочих частей витка, находящихся в магнитном поле;

? — угол между направлением силовых магнитных линий и направлением движения витка в рассматриваемый момент времени (направлением вектора скорости ?).

При вращении витка с угловой скоростью ? угол ? = ?t, следовательно,

e = 2lBv sin ?t.

Переменный угол ? t называется фазой э. д. с. Величина 2lB ? представляет собой максимальное значение э. д. с. е, которое она принимает при ?t = 90° (когда плоскость витка перпендикулярна силовым магнитным линиям). Обозначив его Eт получим:

е = Е_т sin ?t.

Полученная зависимость изменения э. д. с. е от угла ?t или от времени t графически изображается синусоидой (рис. 168,б). Э. д. с, токи и напряжения, изменяющие свои значения и направления по закону синусоиды, называются синусоидальными. Ось, по которой откладывают углы ? t, можно рассматривать как ось времени t.

Рассмотрим несколько отдельных положений витка. В момент времени, соответствующий углу ?t₁ (см. рис. 168, а), когда виток находится в горизонтальном положении, его рабочие участки как бы скользят вдоль силовых магнитных линий, не пересекая их; поэтому в этот момент э. д. с. в них не индуцируется (точка 1 на рис. 168,б). При дальнейшем повороте витка стороны его начнут пересекать магнитные силовые линии. По мере увеличения угла поворота увеличивается и число силовых линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени, и соответственно возрастает индуцированная в витке э. д. с е.

В момент времени, соответствующий углу ?t₂, виток пересекает наибольшее число силовых магнитных линий, так как его рабочие участки 1 и 2 движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этот момент э. д. с. е достигает своего максимального значения Е_т (точка 2 на графике). При дальнейшем вращении витка число пересекаемых силовых линий уменьшается и соответственно уменьшается индуцированная в витке э. д. с. В момент времени, соответствующий углу рабочие участки витка опять как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, в результате чего э. д. с. е будет равна нулю (точка 3). Затем рабочие участки 1 и 2 витка вновь начинают пересекать магнитные силовые линии, но уже в другом направлении, поэтому в витке появляется э. д. с. противоположного направления. В момент времени, соответствующий углу ?t₄. при вертикальном расположении витка э. д. с. в достигает максимального значения — Е_т (точка 4), затем она уменьшается, и в момент времени, соответствующий ?t5, снова становится равной нулю (точка 5). При дальнейшем движении витка с каждым

Рис. 168. Индуцирование синусоидальной э. д. с. (а) и кривая ее изменения (б)

новым оборотом описанный выше процесс индуцирования э. д. с. будет повторяться.

В современных генераторах переменного тока магниты или электромагниты, создающие магнитное поле, обычно располагаются на вращающейся части машины — роторе, а витки, в которых индуцируется переменная э. д. с,— на неподвижной части генератора — статоре. Однако с точки зрения принципа действия генератора переменного тока безразлично, на какой части машины — роторе или статоре — расположены витки, в которых индуцируется переменная э. д. с.

Работа приемников электрической энергии при переменном токе. Если подключить к генератору переменного тока электрическую лампу (см. рис. 168, а), то нить ее будет периодически накаляться и остывать. Однако если частота изменений переменного тока достаточно велика, то нить лампы не будет успевать охлаждаться и глаз человека не будет улавливать изменений ее накала. Такие же условия имеют место и при работе электродвигателей переменного тока; такой двигатель при работе получает от источника импульсы переменного тока, следующие один за другим с большой частотой, и его ротор будет вращаться с постоянной частотой.

генератор переменного тока, график, зачем он нужен

Несмотря на столь широкое применение, немногие знают, что собой представляет трехфазный ток. И это простительно, поскольку не все получали высшее профильное образование по профессии электрика. Поэтому цель этой статьи — рассказать в общих чертах о переменном трехфазном электрическом токе. Людям, не связанным с техническим науками, а также начинающим специалистам, будет интересно узнать, что это такое, где применяется, в том числе о его положительных и отрицательных сторонах.

Что такое трехфазный ток

Электрической цепью с трехфазной системой называют схему подключения, к которой подводят три жилы кабеля. В каждой действуют переменные электродвижущие силы одинаковых частот, но сдвинутых по фазе на одну треть периода относительно друг друга. На языке физике сдвиг выглядит как alpha = 2*pi/3. Каждую отдельную цепь всей схемы в целом называют фазой. А поскольку их три, то и вся схема получила соответствующее название.

Принцип действия трехфазного генератора

Практически все генераторы электрических станций вырабатывают трехфазный ток. Они совмещают в себе конструкцию одновременной инициации возбуждения сдвинутых относительно друг друга электродвижущих сил. В его устройство входят три независимых якоря, расположенных на статоре установки и удаленных друг от друга на одну треть окружности. В центре размещается элемент индукции, представленный как постоянный магнит.

На рисунке видно отличие трехфазного тока от однофазного. На схеме показаны три катушки, которые сами по себе являются независимыми генераторами напряжения. Если включить каждую из них в отдельную сеть со своей нагрузкой, то они способны питать электричеством любые приборы.

Однако продолжая логику схематического подключения проводки, для общего электроснабжения оборудования-приемника потребуется шесть кабелей. С точки зрения рациональности, такая цепь будет громоздкой и не экономной. Поэтому катушки соединяют таким образом, чтобы обойтись всего тремя или четырьмя кабелями. Такую систему называют трех- и четырехжильной, одна из которых нулевая, то есть не находится под токовым напряжением.

Подключение звездой

Зачем нужен трехфазный ток

Однофазный и трехфазный переменный ток широко применяются в промышленной и бытовой сфере. Однако в последнее время все больше потребителей предпочитают отказываться от первого и склоняются к последнему.

И дело даже не в увеличении мощности и включении большего количества электрического оборудования. Порой разница между силовой нагрузкой даже не заметна, а при определенных параметрах сети входная мощность для обоих цепей может быть одинаковой.

Основным потребителем является трехфазное оборудование. В эту группу входит:

• асинхронные электроприводы;
• нагревательные установки;
• промышленное оборудование.

Наиболее частым потребителем трехфазного тока является асинхронный двигатель. Именно в составе этой сети они показывают наилучшие рабочие параметры, высокое КПД при относительно низких энергозатратах.

Асинхронный двигатель

К тому же, приводы, обогреватели, котлы, электрические печи, обогреватели не перекашивают фазы. Для чувствительного оборудования такое проседание — тема очень щекотливая.

Обратите внимание! В реальности обеспечить одинаковую нагрузку на всех трех фазах невозможно. Соответственно, напряжение всегда будет неодинаковым.

Поскольку в помещении присутствует еще несколько потребителей, необходима дополнительная система, которая сможет распределять нагрузку равномерно по всем приемникам. Для этого нужна трехкабельная цепь. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока происходит к той цепи, на которую приходится меньше всего потребителей.

Схема подключения трехфазного тока

Однако распределительные системы для цепей трехфазного тока получаются очень громоздкими и занимают много места. Оно требует дополнительных систем безопасности, так как напряжение таких сетей составляет 380 В. При коротком замыкании ток будет в разы больше, чем при привычных нам 220 В.

Преимущества и недостатки

Как и все материальное, трехфазный ток имеет свои плюсы и минусы. К положительным моментам применения систем с тремя или четырьмя проводами относится:

• экономичность. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используют жилы из цветных металлов, имеющих небольшие удельные сопротивления. Вольтаж делят пропорционально количеству кабелей. За счет распределения нагрузок инженеры могут уменьшить количество проводов и их сечение, что при стоимости редких материалов дает заметную экономию;
• эффективность. Параметры мощности трехфазных трансформаторов на порядок выше однофазных при меньших размерах магнитопровода;

Трансформатор 3-фазного тока

• простота. При одновременном подключении потребителей к трехфазной системе генерируется дополнительное электромагнитное поле. Эффект сдвига фаз позволил создать простые и надежные бесколлекторные электродвигатели, ротор которых выполнен по принципу обычной болванки и устанавливается на шариковые подшипники. Асинхронные электроприводы с короткозамкнутым ротором широко применяются в качестве силовых агрегатов. Главным преимуществом таких моторов является возможность менять направления вращения оси путем переключения на разные фазные провода;
• вариативность. В цепях с несколькими фазами существует возможность получать разные напряжения. Пользователь сможет менять мощность нагревателя или сервопривода, переключившись с одного кабеля на другой;
• уменьшение стробоскопического эффекта. Он достигается за счет независимого подключения разных ламп к отдельным фазам.

Наравне с достоинствами трехфазный ток имеет свои недостатки. Они включают в себя:

• сложность подключения. Для подведения трехфазной сети к частному или промышленному зданию необходимо получить специальное разрешение и технические условия от локальной компании по энергосбыту. Это мероприятие достаточно затратное и хлопотное. Даже при выполнении всех условий положительный результат не всегда гарантирован;
• применения усиленных систем безопасности. В трехфазной сети подается напряжение 380 В, поэтому необходимы дополнительные устройства защиты от поражения электрическим током и короткого замыкания, которое может привести к пожару. В таких случая на входе ставят еще один трехполюсный автоматический выключатель с большими номинальными характеристиками. Он поможет избежать возгорания в случае замыкания цепи;
• необходимость монтажа вспомогательных модулей для ограничения перенапряжения в распределительном щите. Он необходим на случай обрыва нулевого кабеля, что приведет к увеличению напряжения в одной из фаз.

Переход на трехфазный ток целесообразен для владельцев помещений, площадь которых больше 100 кв. метров. Это относится к частным домам и к производственным зданиям. Такая схема подключения позволит перераспределять равномерно нагрузку по всем потребителям и избежать скачков напряжения.

Чем отличается трехфазный ток от однофазного

Основное отличие однофазной цепи от трехфазной:

• однофазный ток подается потребителям через один проводник, трехфазный — через три;
• для завершения сети необходим нулевой кабель, поэтому в цепях с одной фазой их два, а в трех — четыре;
• мощность повышается с увеличением количества фаз;
• простота сетевой конструкции;
• в однофазной цепи появляются перепады напряжения с увеличением количества потребителей электроэнергии;
• при отключении одной жилы в трехфазном, ток продолжает течь в оставшихся двух проводах. В однофазном напряжение полностью пропадает.

Обратите внимание! Трехфазная система позволяет использовать разные номиналы напряжений при питании оборудования с разными параметрами мощности.

Почему обычно три фазы, а не четыре

Таким вопросом задаются практически все начинающие электрики. По сути, количество фаз не ограничено. Их может быть 1, 2, 3, 4 и даже 10. Однако широкое применение получили трехфазные системы. Это связано с тем, что такой цепи достаточно для решения большинства задач.

Такие системы в большей степени используют для силовых установок на производстве. Вращение ротора составляет 360 градусов, а сдвиг по фазам составляет 120 градусов. Его вполне достаточно, чтобы раскрутить якорь до нужных оборотов и получить с двигателя нужную мощность. Увеличение количества фаз лишь повысит стоимость самой установки, поскольку потребует установки дополнительных катушек и подведения лишних кабелей.

Важно! Добавление фаз к существующим трем не повышает КПД агрегата, не увеличивает его мощность. С точки зрения рациональности, это лишь добавляет стоимость установок при сохранении прежних параметров работы.

График трехфазного тока

Ниже представлен график трехфазного тока.

График трехфазного тока

На рисунке видно, что каждая ветка имеет одинаковую частоту, но в каждой цепи периода прохождения тока через проводник сдвинуты по фазе на одну треть.

Система подключения

Существует два вида подключения катушек в электрогенераторе:

• звездой. Суть системы заключается в соединении всех концов катушек в одну точку, которая является нейтральной. Нулевой провод и остальные три провода подключаются к потребителю;
• треугольником. При таком способе каждый вывод обмотки соединяется со следующим. В результате они образуют замкнутый на отдельных контактах треугольник, а линейные кабели соединяются с оборудованием.

Схема подключения «Звезда» и «Треугольник»

На рисунке показано схематическое подключение катушек в электрогенераторе.

Трехфазная система подачи тока потребителям приобрела широкую популярность благодаря эффективности и экономичности. Также она позволяет повышать коэффициент полезного действия силового оборудования, его мощность, упрощая при этом его конструкцию.