Где используется переменный электрический ток

—> Сайт Георгия Таненгольца —> Главная | —> Мой профиль | —> Регистрация | —> Выход | —> Вход | RSS

—> —>Категории раздела —>

—> —>Статистика —>

Каталог статей

Переменный электрический ток

Переменным называют такой ток, величина которого меняется во времени.

По форме переменные токи подразделяются на периодические и непериодические.

Переменный непериодический ток

Переменный периодический ток (импульсы)

Периодические токи бывают несинусоидальные и синусоидальные.

Токи могут быть изменяющиеся по направлению и не изменяющиеся по направлению.

Наибольшее значение в электротехнике имеют синусоидальные токи. Синусоидальные токи производятся генераторами переменного тока.

Зачем нам переменный ток?

Этого не понимал даже великий Эдиссон. Он считал, что логичнее и проще использовать постоянный ток. Вся современная электроэнергетика – это энергетика переменного тока.

Дело в том, что переменное напряжение легко менять — повышать и понижать. Это очень важно! Например, для передачи электроэнергии на расстояние. Переменное напряжение можно поднять трансформатором до сотен тысяч Вольт и с минимальными потерями передавать электроэнергию на тысячи км.

Распределять электроэнергию в местных сетях тоже выгоднее в виде переменного тока.

Переменный ток легче производить – генераторы переменного тока проще и дешевле, чем генераторы постоянного тока.

Переменным током можно крутить самые надежные и недорогие электродвигатели — асинхронные, на них построена вся промышленность.

В быту и промышленности – везде используется переменный ток.

В домашних розетках действует переменное напряжение 220 Вольт. На это напряжение рассчитаны лампочки освещения, утюги, стиральные машины, пылесосы, электроинструмент и все остальные бытовые приборы. Электронные устройства – радио и теле аппаратура питаются постоянным током, но включаются они вилками в розетки 220 Вольт, а преобразование делается уже в самих аппаратах.

В промышленных помещениях используется переменное напряжение 220 Вольт и 380 Вольт. Под 380 Вольт подключают промышленное оборудование.

Нужно научиться считать токи, напряжения и мощности в цепях переменного тока, Это необходимо для правильного выбора источников, переменного напряжения и правильного выбора потребителей переменного тока.

В основе рассуждений о переменных процессах в электрических цепях лежат свойства синусоидального переменного процесса, то есть гармонических колебаний.

Гармоническое колебание изображается синусоидой

График изображает изменение значения переменной величины. В каждый следующий момент времени величина становится другой и если изменение происходит по закону синуса, то получается синусоида. Синусоида это изображение гармонического колебания.

Основные параметры синусоиды — Период Т в секундах, частота f в Гц и Амплитуда

Гармония – это согласованность, слаженность, взаимная обусловленность частей в целом. Синусоидальное колебание происходит равномерно без рывков и неожиданных изменений, она полностью предсказуема. Синусоида получается как линейная развертка равномерного вращения.

Колебание напряжения от источника получается гармоническим, — синусоидальным, потому, что процесс генерации этого напряжения происходит симметричной круглой конструкцией с равномерно вращающимся ротором.

Генератор переменного тока

Переменное напряжение, которое получается на выходе обмотки этого генератора, получается примерно синусоидальным

На самом деле получить идеально синусоидальный процесс невозможно, но мы будем рассматривать именно гармонический процесс как наиболее простой, а всеми отклонениями от синусоидального процесса для начала можно пренебречь

Синусоида достаточно сложная кривая и расчеты всех значений по синусоиде затруднительны. Более просто те же самые процессы гармонического колебания можно изобразить вращающимся вектором. Синусоида строится как набор точек, которые соответствуют положению конца радиус – вектора. Радиус – вектор переменной величины равен ее максимальному значению, а изменения переменной величины отражаются положением этого вектора.

Мгновенное значение переменной величины (точка на синусоиде) соответствует данному положению вращающегося радиус – вектора. Вертикальная проекция радиус вектора, определяет мгновенное значение переменной величины. Эта проекция радиус-вектора — противолежащий катет треугольника, а он, как известно, равен радиус вектору (гипотенузе) на синус угла поворота радиус вектора. То есть, положение точки – ее высота на синусоиде определяется синусом угла поворота радиус вектора.

Радиус -вектор рассматривают как вращающийся вокруг точки начала, против часовой стрелки, . График синусоиды откладывается на шкале времени вправо. Каждая точка синусоиды получается, как проекция конца радиус вектора в данный момент. А поскольку он крутится, значит, каждое следующее положение вектора, можно определить углом его положения.

Каждая точка синусоиды может быть описана углом положения радиус вектора в данный момент.

Для того, чтобы понятны формулы вспомним, как измеряются углы окружности.

Традиционное измерение в градусах –

360 –вся окружность

270 –три четверти окружности половина

180 – половина окружности

Анализ синусоиды в градусах неудобен, поэтому используется измерение углов в радианах

Что такое «ПИ». π – это число которое показывает сколько раз диаметр окружности укладывается в ее длине – Важнейшая мировая константа, она равна 3,14

Построим в окружности угол так, чтобы радиусы приходили в точки окружности на концах дуги равной тоже радиусу. Таких кусочков дуги укладывается в окружности 6,28 раза, значит, таких углов можно уложить в окружность тоже 6,28.

Угол, который опирается на дугу, равную радиусу называется радиан, в окружности 6, 28 радиан. А что такое 6,28 – это 2 π, то есть, в окружности 2 π радиан.

Тогда просто сравнить и понять

360 –вся окружность 6, 28 радиан — 2 π

270 –три четверти окружности 3 π/2

180 – половина окружности 3,14 радиана — π

90 — четверть окружности π/2

Значит, угол можно измерять в градусах и можно в радианах с коэффициентом π , в нашем случае это гораздо удобнее.

Как протекает переменный синусоидальный процесс во времени? Какой величины будет мгновенное значение переменной через такое -то время? Это зависит от скорости вращения радиус вектора.

Угловая скорость или угловая частота.

Скорость это путь на время. Полный путь вращающегося вектора это 2 π -целая окружность, и этот путь надо разделить на время Т, за которое радиус вектор, проходит всю окружность. Время Т называется период вращения Таким образом угловая частота обозначается ω и равна она 2 π /Т

Теперь у нас есть возможность определить значение переменной величины в любой точке (момент t) , то есть, любое мгновенное значение. Например, мгновенное значение переменного напряжения.

u=UmSin ω t, где t – это мгновение времени от нуля, в которое нас интересует переменная величина.

u — мгновенное значение переменного напряжения

Um — максимальное значение переменной величины (радиус –вектор)

Sin ω t – закон изменения переменной величины

Фаза

Фазой называется начальный угол, в котором мы начинаем рассматривать переменный процесс.

В электротехнике начальная фаза нас интересует обычно, когда мы рассматриваем одновременно 2 и больше переменных процесса.

Радиус вектор, вращается против часовой стрелки. Каждое мгновенное положение вектора соответствует определенной фазе.

Сдвиг фаз

Сдвиг фаз позволяет оценить 2 синусоидальных процесса во времени.

Фаза красной синусоиды -0, фаза синей синусоиды π / 2 , когда красная синусоида еще имеет значение 0, синяя уже выросла до максимального значения, синяя синусоида опережает красную по фазе.

Шкала времени синусоиды откладывается вправо от нуля. Если возьмем условно ноль времени за начало отсчета, то видно, что в этот момент мгновенное значение красной синусоиды равно нулю, ее фаза равна 0, в этот же момент синяя синусоида уже имеет максимальное значение, ее фаза π/2 или 90 градусов, Синяя синусоида впереди.

Фаза красной синусоиды -0, фаза синей синусоиды — π / 2, когда красная синусоида уже имеет значение 0, синяя еще в отрицательном максимуме, красная синусоида опережает синюю по фазе.

Начальная фаза- это угол радиус вектора в условный момент, который мы считаем моментом начала процесса. Начальная фаза важна для понимания сдвига фаз между разными переменными процессами

Начальная фаза обозначается буквой, Ψ и она прибавляется к углу поворота радиус вектора для данного мгновенного значения.

В дальнейшем слово «начальная» мы опускаем и когда говорим «фаза», то подразумеваем, что это начальная фаза.

Синусоида, фаза которой будет больше, опережает ту синусоиду, фаза которой меньше.

Впереди та синусоида, вектора которой повернут на больший угол.

Векторы, смотрящие вверх от горизонтального направления, считаются опережающими, а векторы, смотрящие вниз от горизонтального направления, считаются отстающими или позади.

Действующее значение переменной величины

На примере напряжения.

Переменное напряжение все время меняется. Как сказать, какое это напряжение, если оно в каждое следующее мгновение другое. Чтобы объявить значение переменного напряжения, его сравнивают со значением постоянного напряжения, которое дает такой же результат. Например, выделяет на одной и той же лампочке такую же мощность. То есть, если лампочка горит одинаково под переменным напряжением и под постоянным напряжением, значит переменное напряжение по действию равно постоянному.

Такое значение переменного напряжения принято называть действующим.

Для того чтобы получить нужное действующее значение синусоиды, ее амплитуда должна быть в корень из двух раз больше соответствующего значения постоянной величины.

Например, переменное напряжение 220 Вольт – это действующее значение переменного напряжения, Оно дает такой же результат, что и постоянное напряжение 220 Вольт, то есть мы не узнаем, глядя на лампочку, переменное напряжение на ней действует или постоянное.

Оказалось, что чтобы получить действующее напряжение 220 Вольт. Надо создать переменное напряжение, такой величины, чтобы амплитуда напряжение достигала 310 Вольт, то есть, было в корень из двух больше соответствующего действующего. 220 * 1,41= 310

Действующее значение – главная оценка переменной величины и обычно она обозначается символом без индекса, например I, U, E.

Амплитудные значения используют индексы Iа, Uа, Eа , или Im, Um, Em. В практических расчетах оно нас редко интересует.

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 8. Переменный электрический ток

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Свойства переменного тока;

2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

Глоссарий по теме

Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Величину Х_C, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Величину Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Читать еще: Почему быстро перегорают лампочки в точечных светильниках и люстрах

Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

— мгновенное значение силы тока;

ℐ_m— амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

U_m — амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

Мощность цепи переменного тока

Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

Дано: e=80 sin 25πt.

Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

Согласно данным нашей задачи:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

Напишем закон Ома для переменного тока:

Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать I_m=U_m/Z?

Полное сопротивление цепи равно:

Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

то после вычислений получаем I_m ≈0,09 Ом.

2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

Производство и передача переменного электрического тока

Переменным током называется ток, величина и направление которого периодически меняются. Именно благодаря переменному току в наших домах сегодня есть свет и тепло. Только благодаря переменному току работают все промышленные предприятия и производства нашего времени. Не будь переменного тока, технологический прогресс современной цивилизации был бы попросту невозможен.

Для получения переменного тока используются электромеханические устройства, называемые индукционными генераторами. В них получаемая тем или иным способом механическая энергия передается ротору, ротор вращается, в результате механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию посредством электромагнитной индукции.

Напомним, что если вращать магнит внутри проводящей рамки, то в рамке будет индуцироваться переменный ток. На этом принципе и работает генератор. Только в промышленном генераторе роль рамки играет статор, а роль магнита — ротор с намагничивающей обмоткой, по сути — вращающийся электромагнит.

В промышленном генераторе статор представляет собой огромную стальную конструкцию в виде кольца с пазами на его внутренней стороне. В эти пазы уложена медная трехфазная обмотка. Магнитное поле, как мы уже сказали, создается ротором, который представляет собой стальной сердечник с парой (или с несколькими парами, в зависимости от номинальной скорости вращения ротора) полюсов, формируемых током обмотки ротора. Постоянный ток подается к обмотке ротора от возбудителя.

По принципиальной схеме двухполюсного индукционного генератора переменного тока легко понять, что силовые линии магнитного поля ротора пересекают витки обмотки статора, при этом один раз за один оборот магнитный поток ротора изменяет свое направление по отношению к одним и тем же виткам статора.

Таким образом в обмотке статора получается именно переменный ток, а не пульсирующий постоянный. Если речь идет об атомной электростанции, то механическое вращение ротор генератора получает от пара, который под огромным давлением подается на лопасти турбины сопряженной с ротором. Пар на атомной электростанции получается из воды, которая разогревается теплом от ядерной реакции, подводимым к воде через теплообменник.

В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц, это значит, что ротору двухполюсного генератора необходимо совершить 50 оборотов за секунду. Так, на атомной электростанции ротор совершает 3000 оборотов в минуту, что как раз и дает частоту генерируемого тока в 50 Гц. Направление генерируемого тока изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.

Обмотка генератора разделена на три части, поэтому переменный ток получается трехфазным. Это значит, что в каждой из трех частей обмотки статора получаемые ЭДС смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Действующее значение генерируемого на электростанции напряжения может быть от 6,3 до 36,75 кВ, в зависимости от вида генератора.

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние, используются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Но если электричество передавать без преобразования, при том же напряжении какое выходит с генератора, то потери энергии при передаче окажутся колоссальными, и до конечного потребителя практически ничего не дойдет.

Дело в том, что потери энергии в передающих проводах пропорциональны квадрату величины тока и прямо пропорциональны сопротивлению проводов (см. Закон Джоуля-Ленца). Значит для более эффективной передачи и распределения электроэнергии, напряжение необходимо сначала в несколько раз повысить, чтобы во столько же раз уменьшился ток и следовательно сильно сократились транспортные потери. И только повышенное напряжение имеет смысл передавать на ЛЭП.

Поэтому электричество от электростанции сначала подается на трансформаторную подстанцию. Здесь напряжение повышается до 110-750 кВ и только после — подается на провода ЛЭП. Но потребителю необходимо 220 или 380 вольт, поэтому в конце линии высокое напряжение обратно понижают, при помощи опять же трансформаторных подстанций, до 6-35 кВ.

На подстанции вблизи нашего дома или встроенной в дом, установлен трансформатор. Здесь напряжение снова понижается — от 6-35кВ до 220 (380) вольт, которые уже раздаются потребителям. Через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей.

Переменный ток

Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рис. 8 изображена примитивная установка для выработки переменного тока.

Рис. 8. Простейшая установка для выработки переменного электрического тока

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рис. 9.

Рис. 9. Изменения положения рамки в разные периоды времени

Точкой отсчета будет положение рамки, показанное на рис. 9, а. В этот момент плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям, и магнитный поток будет иметь максимальное значение. Параллельно магнитным линиям рамка встанет через четверть периода. Магнитный поток при этом станет равным нулю, потому что ни одна магнитная линия не проходит через поверхность рамки. Чтобы определить ЭДС индукции, нужно знать не величину потока, а скорость его изменения. В точке отсчета ЭДС индукции равна нулю, а в третьем (рис. 9, в) — максимальному значению. Исходя из положений рамки, можно увидеть, что ЭДС индукции меняет и значение, и знак. Таким образом, она является переменной (см. график на рис. 9).

Если рамка имеет только активное сопротивление, то ток, который возникает в контуре под действием ЭДС индукции, с течением времени будет меняться, как и сама ЭДС. Такой ток называется переменным синусоидальным током. Периодом переменного тока называется отрезок времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание (эту единицу обозначают буквой Т). Число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц). В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц.

Читать еще: Крепление водонагревателя к стене своими руками

Действующие значения силы тока и напряжения

Как известно, переменная ЭДС индукции вызывает в цепи переменный ток. При наибольшем значении ЭДС сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального значения, имеются приборы, с помощью которых можно замерить силу переменного тока.

Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и могут быть такими же, как и при постоянном токе. К таким действиям можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током такое же количество тепла, что и при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим значением силы переменного тока.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы не позволяют производить замеры в цепях переменного тока. Это происходит потому, что при каждом изменении тока в катушке меняется направление вращающего момента, которое воздействует на стрелку прибора. Из-за того что катушка и стрелка обладают большой инерцией, прибор не реагирует на переменный ток. Для этих целей применяются приборы, не зависящие от направления тока. Например, это могут быть приборы, основанные на тепловом действии тока. В таких приборах стрелка поворачивается за счет удлинения нити, нагреваемой током.

Можно также применять приборы с электромагнитной системой действия. Подвижной частью в данных приспособлениях является железный диск небольшого диаметра. Он перемагничивается и втягивается внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток. Такие приборы измеряют действующие значения силы тока и напряжения.

Катушка индуктивности и конденсатор в цели переменного тока

Особенностями переменного тока являются изменение силы и направления тока. Эти явления отличают его от постоянного тока. К примеру, при помощи переменного тока нельзя зарядить аккумулятор. Также нельзя применять его для других технических целей.

Сила переменного тока состоит в прямой зависимости не только от напряжения и сопротивления, но и индуктивности проводников, подключенных к цепи. Как правило, индуктивность существенно уменьшает силу переменного тока. В связи с тем что сопротивление цепи равно отношению напряжения к силе тока, то подключение к цепи катушки индуктивности увеличит общее сопротивление. Это произойдет вследствие наличия ЭДС самоиндукции, которая не дает току увеличиваться. Если напряжение изменяется, то сила тока просто не успевает достигнуть тех максимальных значений, которые она приобрела бы, не будь самоиндукции. Из этого вытекает, что наибольшее значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью, т. е. чем больше будет индуктивность и частота напряжения, тем меньше будет значение силы тока.

Если в цепь постоянного тока включить батарею конденсаторов, то тока в цепи не будет, потому что пластины конденсатора отделяются друг от друга изоляционными прокладками. При наличии в цепи конденсатора постоянный ток существовать не может.

Если точно такую же батарею подсоединить к цепи переменного тока, то в ней возникнет ток. Объясняется это следующим образом. Под действием изменяющегося напряжения происходит зарядка и разрядка конденсаторов. То есть если одна обкладка конденсатора имела в течение какого-либо полупериода отрицательный заряд, то в следующий полупериод она приобретет положительный заряд. Следовательно, перезарядка конденсатора перемещает заряды по цепи. А это и есть электрический ток, который можно обнаружить при помощи амперметра. Чем больше будет перемещаемый заряд, тем больше сила тока, т. е. чем большей емкостью обладает конденсатор и чем чаще он перезаряжается, тем больше частота.

Трехфазный переменный ток

В данное время в мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток, который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными ЭДС с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода. Каждая такая цепь называется фазой.

Рис. 10. Пример трехфазной системы переменного тока с тремя генераторами

Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора. Пример такой системы показан на рис. 10.

Согласно вышеперечисленным условиям, выясняется, что ЭДС, возникающая во втором генераторе, не будет успевать измениться, по сравнению с ЭДС первого генератора, т. е. она будет опаздывать на 120°. ЭДС третьего генератора также будет опаздывать по отношению ко второму на 120°.

Однако такой способ получения переменного трехфазного тока весьма громоздкий и экономически невыгодный. Чтобы упростить задачу, нужно все статорные обмотки генераторов совместить в одном корпусе. Такой генератор получил название генератор трехфазного тока. Когда ротор начинает вращаться, в каждой обмотке возникает изменяющаяся ЭДС индукции. Из-за того что происходит сдвиг обмоток в пространстве, фазы колебаний в них также сдвигаются относительно друг друга на 120°.

Для того чтобы подсоединить трехфазный генератор переменного тока к цепи, нужно иметь 6 проводов. Для уменьшения количества проводов обмотки генератора и приемников нужно соединить между собой, образовав трехфазную систему. Данных соединений два: звезда и треугольник. При использовании и того и другого способа можно сэкономить электропроводку.

Соединение звездой

Обычно генератор трехфазного тока изображают в виде 3 статорных обмоток, которые располагаются друг к другу под углом 120°. Начала обмоток принято обозначать буквами А, В, С, а концы — X, Y, Z. В случае, когда концы статорных обмоток соединены в одну общую точку (нулевая точка генератора), способ соединения называется «звезда». В этом случае к началам обмоток присоединяются провода, называемые линейными (рис. 11 слева).

Рис. 11. Соединение трехфазных генераторов способом «звезда»

Точно так же можно соединять и приемники (рис. 11 справа). В этом случае провод, который соединяет нулевую точку генератора и приемников, называется нулевой. Данная система трехфазного тока имеет два разных напряжения: между линейным и нулевым проводами или, что то же самое, между началом и концом любой обмотки статора. Такая величина называется фазным напряжением (Uл). Поскольку цепь трехфазная, то линейное напряжение будет в v3 раз больше фазного, т. е.:

Соединение треугольником

Рис. 12. Пример соединения треугольником

При использовании данного способа соединения конец X первой обмотки генератора подключают к началу В второй его обмотки, конец Y второй обмотки — к началу С третьей обмотки, конец Z третьей обмотки — к началу А первой обмотки. Пример соединения показан на рис. 12. При данном способе соединения фазных обмоток и подключении трехфазного генератора к трехпроводной линии линейное напряжение по своему значению сравнивается с фазным:

Ссылки на другие страницы сайта по теме «строительство, обустройство дома»:

Какой электрический ток называют переменным: где используют

Переменным называется электрический ток, I, изменяющийся по величине и направлению с определённой периодичностью, T. В классическом определении, переменный ток представляет собой гармонические колебания изменяющиеся по форме синусоиды. Периодичность изменения направления и величины называется частотой, f, выражаемой в Герцах, Гц. Частота отражает, сколько раз за секунду происходит смена направления тока. Российские сети работают на частоте 50 Гц. Это значит, напряжение меняет полярность, а ток направление 50 раз за секунду.

Свойства переменного тока

С переменным током неразрывно связано явление возникновения электромагнитной индукции. Переменный ток, пропущенный через обмотку, формирует вокруг неё изменяющееся во времени магнитное поле, которое приводит к появлению электродвижущей силы, ЭДС и электрического тока в проводнике, взаимодействующем с этим полем.

Электромагнитная индукция — ключевое явление, обеспечивающее генерацию, транспортировку, использование электроэнергии. Именно электромагнитная индукция лежит в основе принципа действия трансформаторов, генераторов, двигателей. Это физическое явление определило преимущественное использование переменного тока для электроэнергетики.

Переменный ток входит в повседневную жизнь не только в виде розетки, от которой питаются наши компьютеры, телевизоры, холодильники, лампы освещения. Он способен вызывать резонансные явления в цепях, обладающих емкостью и индуктивностью. Это свойство используется для излучения электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Радиоволны — это электромагнитные волны, излучаемые антенной, питающейся токами высокой частоты. Диапазон радиочастот от 3 до 3*10 12 Гц. На радиочастотах работают системы радиосвязи, беспроводные системы передачи данных Bluetooth, WiFi, WiMAX, спутниковое и эфирное телевидение, мобильные телефоны, навигационные системы.

Мощное высокочастотное электромагнитное поле способно вызывать нагрев. Эта особенность широко используется в бытовых микроволновых СВЧ печах, индукционных плитах. На производстве с помощью индукционных печей нагревают заготовки, закаливают и плавят металл.

Трёхфазная и однофазная сеть

Различие заключается в количестве проводников и уровне напряжения между ними.

Токи, протекающие в трёхфазной сети имеют вид синусоид, сдвинутых между собой на 120º.

Трёхфазная сеть состоит из трёх фазных проводников, АВС. Однофазная сеть использует один из фазных проводов и нулевой N.

Напряжение между фазами в точках A, B, C, называется линейным, Uл. Между нулевым N и одним из фазных проводов — фазным, Uф. Фазное напряжение меньше линейного в 1,73 раза, что составляет 58 % от его величины. Такое напряжение используется в европейских странах, Росиии, на него рассчитано большинство бытовых приборов.

Преимущества переменного тока

Основные преимущества перед постоянным определили его как основу энергетики:

генератор переменного напряжения проще и дешевле генератора постоянного;
способность к трансформации в любые уровни напряжения;
простое преобразование в механическую энергию;
легко преобразуется в постоянный.

Генератор переменного напряжения конструктивно проще, он более компактный, имеет меньшую массу медных деталей, а потому дешевле.

За счёт явления электромагнитной индукции появляется возможность повышать и понижать напряжение до любого уровня с помощью трансформаторов.

Трехфазная сеть очень эффективно используется при работе электродвигателей. Благодаря сдвигу фаз, в машине образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой статор. Современные электромоторы имеют КПД на уровне 90%.

Где используется

Переменный ток частотой 50 Гц является промышленным стандартом в энергетике, применяется во всех отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилом секторе. На переменном токе работает электрооборудование рудников заводов, фабрик. Он вращает двигатели станков, насосов, конвейеров, подъёмных механизмов. Им снабжается вся инфраструктура метрополитенов от освещения, эскалаторов до электропоездов. Тоже самое относится к электрифицированным железным дорогам. В наши дома и квартиры так же подаётся переменное напряжение.

Как поставляется электроэнергия

Цепь поставки состоит из нескольких звеньев и упрощённо выглядит так:

Генератор электростанции вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц.
Трансформаторы на электростанции повышают напряжение до десятков или сотен тысяч вольт. Энергия поступает на магистральные линии электропередач, ЛЭП.
Трансформаторы на распределительных подстанциях понижают напряжение, энергия передаётся потребителям.

Повышение с последующим понижением напряжения имеет огромный смысл. Нужно это для того, чтобы передать энергию на большие расстояния с наименьшими затратами. Крупные электростанции могут находятся в сотнях, а то и тысячах километров от потребителей. Высокое напряжение позволяет уменьшить сечение проводников, снизить потери при передаче энергии на большие расстояния. Из формулы мощности P = U*I очевидно, при неизменной мощности повышение напряжение приводит к снижению тока, а следовательно, потребуется меньшее сечение проводов.

Например, станция генерирует 100 МВт мощности, которую нужно передать в соседний город при напряжении ЛЭП 1000 В, ток в линии I = P/U= 100*10 6 /1000 = 100 000 кА. Для таких токов потребуется проводник сечением 10 000 мм 2 . При повышении U до 100 кВ, сечение проводника уменьшится в 100 раз. По этой причине магистральные ЛЭП способны работать под напряжением 220-750 кВ.

Читать еще: Почему упал напор в кране

На стороне потребителя напряжение снижается с помощью трансформаторов до необходимой величины. В ряде случаев используются промежуточные уровни: 10, 6, 0.6, 0.4 кВ для локальных ЛЭП или отдельных потребителей.

Переменный электрический ток и его характеристики

Кроме постоянного (неизменного во времени) тока есть переменный ток, который со временем меняет свою величину и направление.

Генераторы электричества, в том числе и автомобильные, вырабатывают переменный ток, который затем преобразуется в постоянный.

Как правило, переменный ток изменяется во времени по синусоидальному закону. Для его описания существуют дополнительные параметры — частота и амплитуда.

Рисунок 10.Сила тока

Частота — величина, которая показывает, сколько полных колебаний совершает ток (или напряжение) в секунду. Измеряется частота в Герцах (один Герц равен одному колебанию в секунду).

Таблица 6. Единицы измерения частоты

1 кГц (один килогерц) = 1 ООО Гц (тысяча Герц)

1 МГц (один мегагерц) = 1 ООО кГц (одна тысяча килогерц)

1 МГц (один мегагерц) = 1 ООО ООО Гц (один миллион Герц)

Для ее определения можно использовать специальный прибор — частотомер, но на практике обычно пользуются осциллографом, который может показать не только частоту, но и форму сигнала.

С частотой связан другой параметр, называемый периодом. Период — это время совершения одного полного колебания. Измеряется период в секундах.

Таблица 7. Единицы измерения периода колебаний

1 мс (одна микросекунда) = 0,001 с (одна тысячная секунды)

1 мкс (одна микросекунда) = 0,001 мс (одна тысячная микросекунды)

1 мкс (одна микросекунда) = 0,000 001 с (одна миллионная секунды)

Амплитуда — это высота синусоиды, то есть максимальное значение тока, измеренное от нулевого уровня. Измеряется амплитуда в тех же единицах, что и основная величина, то есть амплитуда переменного тока измеряется в амперах, амплитуда переменного напряжения — в вольтах.

В бытовой электросети обычно используют частоту 50Гц. Величину напряжения сети оценивают не по амплитуде, а по его эффективному значению, которое позволяет просто рассчитывать мощность переменного тока. Эффективное значение можно рассчитать по амплитуде напряжения и тока, используя соотношение 11э = 0,707 Urn.

Какая амплитуда напряжения в бытовой электросети? 220 Вольт? Нет! Оказывается 311 Вольт, а эффективное значение напряжения равно 220 Вольт.

Термин «эффективное» часто опускают. Все приборы при измерении в цепях переменного тока показывают эффективные значения.

В зависимости от значения частоты колебания получили различные названия, приведенные ниже.

Обратите внимание, что только начиная с частоты 100 кГц, колебания могут свободно излучаться в воздушной среде. Однако, эти же колебания прекрасно передаются и по проводам, что обеспечивает их широкое использование в автомобильных иммобилайзерах.

Если говорить кратко, сигнал от ключа-транспондера, вставленного в замок зажигания, передается в воздушной среде на антенну приемника, установленную на этом замке. С другой стороны, при использовании модуля обхода штатного иммобилайзера, сигнал от ключа-транспондера, спрятанного в подкапотном пространстве, идет по проводам к той же антенне.

Таблица 8. Диапазон частот различных колебаний

Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки

Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?

Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.

Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.

Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.

I₁ = P/U₁ = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.

I₂ = P/U₂ = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.

Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.

Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.

P_пот1 = I₁ 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.

P_пот2 = I₂ 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.

Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.

Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.

Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.

Преимущества переменного тока

Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.

Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.

Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.

Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.

Недостатки постоянного тока

Из выше изложенного следуют такие недостатки.

Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.

Недостатки переменного тока

Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.

Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.

Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.

Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.

Преимущества постоянного тока

Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.

Выводы: постоянный или переменный ток

Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.

Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.

голоса

Рейтинг статьи