Переменный ток

Получение однофазного переменного тока. Как известно, постоянный ток представляет собой установившееся поступательное движение свободных электронов. Переменный ток можно представить как колебательное движение электронов. Переменным током называют такой электрический ток, изменения которого по величине и направлению повторяются через равные промежутки времени. Образование переменного тока можно пояснить на следующем примере.

Схема получения переменного тока

Рис. 1

В магнитном поле, образованном между северным и южным полюсами электромагнита, под действием посторонней силы вращается по окружности проводник (рис. 1). Пересечение проводника магнитными силовыми линиями вызывает появление в нем электродвижущей силы.

Передвигаясь в магнитном поле, проводник занимает различные положения, в которых меняется угол пересечения проводника магнитными силовыми линиями. В положениях 1 и 3 направления движения проводника и действия силовых линий совпадают. В этом случае величина электродвижущей силы будет равна нулю; проводник не пересекает магнитные силовые линии. Наибольшего значения она достигнет, если направление магнитных силовых линий составляет с направлением движения проводника прямой угол, т. е. в положениях 2 и 4. В промежуточных положениях э.д.с.. будет равняться каким-то величинам, промежуточным между нулем и максимальной величиной.

Изменение э. д. с. и переменного тока можно изобразить следующим образом. В положении 1, когда направление движения проводника совпадает с направлением силовых линий магнитного поля, величина тока равна нулю. По мере движения проводника к точке 2 ток достигает максимальной величины, после чего до точки 3 он постепенно уменьшается и в точке 3 достигает нуля. При движении проводника от точки 3 к точке 1 картина повторяется. Однако, пользуясь правилом правой руки, установим, что ток имеет направление, противоположное тому, которое он имел при движении проводника от точки 1 к точке 3.

Если величину тока при движении проводника от точки 1 до точки 3 обозначить отрезками, соответствующими значениям тока в различных точках и расположенными выше горизонтальной линии, а соответствующие значения тока при движении проводника от точки 3 к точке 1 — отрезками ниже горизонтальной линии (так как направление тока меняется) и соединить вершины отрезков плавной линией, получим синусоиду (рис. 2). Э.д.с. и ток, изменяющиеся согласно синусоиде, называют синусоидальными.

Волновая диаграмма синусоида) переменного тока

Рис. 2

Период и частота тока. При изменении переменного тока по синусоиде величина его возрастает от нуля до максимального значения, после чего опять уменьшается до нуля; затем меняет направление и проходит те же стадии. Время, в течение которого ток совершает полный цикл изменений по величине и направлению, называют периодом и измеряют в секундах. Число периодов в секунду называют частотой переменного тока, которую измеряют в герцах (гц).

Все электростанции России и большинство стран Европы вырабатывают переменный ток частотой 50 гц, в США — частотой 60 гц. Для питания электрических железных дорог в России используют постоянный ток, а во многих зарубежных странах — переменный различной частоты. В радиотехнике используют переменные токи самой высокой частоты — до нескольких миллиардов герц, в телефонной технике применяют ток частотой порядка сотен тысяч герц.

Сдвиг фаз. Если между полюсами магнита расположить не один, а два сдвинутых между собой проводника, при вращении этих проводников в них будут наводиться э.д.с. с одинаковыми амплитудами и частотами. Углы, под которыми проводники расположены относительно нейтральной линии, называют -начальными фазными углами, или начальными фазами. Разность начальных фаз синусоидальных величин с одинаковой частотой называют углом сдвига фаз, или просто сдвигом фаз. При одновременном достижении двумя синусоидами нулевых и положительных (или отрицательных) амплитудных значений они совпадают по фазе.

Цепь переменного тока с активным сопротивлением. В цепи переменного тока сопротивление проводника по сравнению с цепью постоянного тока возрастает. Это связано с тем, что у поверхности проводника плотность тока больше, чем в середине. Сопротивление проводников переменного тока называют активным. К активным сопротивлениям относятся электрические лампы накаливания, электронагревательные приборы, прямолинейные проводники небольшой длины. Единицей измерения сопротивления в цепях переменного тока, так же как и постоянного, служит ом.

В электрической цепи переменного тока, которая имеет только активное сопротивление, напряжение на концах сопротивления и ток, протекающий по цепи, совпадают по фазе.

Цепь переменного тока с индуктивностью. При протекании по проводнику электрического тока вокруг него возникает магнитное поле. Всякое изменение тока в электрической цепи (включение, выключение и т.д.) вызывает появление в цепи э.д.с. самоиндукции вследствие пересечения проводника своим же собственным магнитным полем. Следовательно, в цепи действуют напряжение источника тока и э.д.с., возникающая в результате самоиндукции.

Однако э.д.с. самоиндукции направлена так, что она всегда препятствует изменению тока. При увеличении тока в цепи она направлена против э.д.с. источника напряжения. Следовательно, ток в цепи не может установиться сразу. В случае уменьшения тока в цепи возникает э.д.с. самоиндукции такого направления, что, мешая току исчезнуть, она поддерживает убывающий ток.

Электрическая цепь, в которой возникает э.д. с. самоиндукции, оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Сопротивление, возникающее в результате действия э.д.с. самоиндукции, называют индуктивным. Единицей его измерения служит ом. Учитывая, что э. д. с. самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, для его протекания напряжение сети должно уравновешивать э.д.с. самоиндукции, т. е. напряжение в сети в каждый момент должно быть равно и противоположно направлению э. д. с. самоиндукции.

Напряжение, приложенное к зажимам цепи, опережает ток по фазе на 90°, а ток в свою очередь опережает э.д.с. самоиндукции также на угол 90°.

Электрическая цепь переменного тока с активным и индуктивным сопротивлениями. На практике не существует отдельно индуктивного сопротивления: всякая обмотка, кроме индуктивности, обладает также активным сопротивлением. Сумму индуктивного и активного сопротивлений, соединенных последовательно, называют полным сопротивлением.

Электрическая цепь переменного тока с конденсатором. При включении в электрическую цепь постоянного тока конденсатора он зарядится током, протекающим по цени. После того как конденсатор зарядится, кратковременный ток в цепи прекратится: для постоянного тока конденсатор представляет бесконечно большое сопротивление.

При отключении конденсатора от источника тока он остается заряженным. Путем соединения пластины конденсатора проводником можно разрядить конденсатор, причем в цепи потечет ток, направление которого противоположно направлению тока при зарядке.

При включении конденсатора в цепь переменного тока конденсатор будет попеременно заряжаться то в одном, то в другом направлении. В цепи будет проходить переменный ток. В первую четверть периода цель с емкостью забирает из сети энергию, которая запасается в электрическом поле конденсатора. В следующую четверть периода конденсатор разряжается на сеть, отдавая ей ранее запасенную энергию. Следовательно, в цени с емкостью происходит только обмен энергией между сетью и конденсатором без ее потерь.

Емкость и индуктивность электрической цепи проявляют противоположные свойства в цепи переменного тока, взаимно компенсируя друг друга в той или другой степени.

Электрическая цепь с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и конденсатора. Активное, индуктивное сопротивление и сопротивление конденсатора называют полным или кажущимся сопротивлением цепи. Явление, при котором э.д.с. самоиндукции полностью компенсируется разностью потенциалов, возникающей на пластинах конденсатора, называют резонансом напряжений. Резонанс напряжений характеризуется обменом энергии между магнитным полем индуктивной катушки и электрическим полем конденсатора. При резонансе напряжений частичные напряжения на конденсаторе и индуктивном сопротивлении могут значительно превышать напряжение, приложенное к цепи, а ток при малом активном сопротивлении достигать большой величины. В технике сильных токов резонанс напряжений может быть причиной нарушения режима нормальной работы электрической цепи.

Электрическая цепь с параллельным соединением активного сопротивления, индуктивности и конденсатора. При параллельном соединении индуктивности и емкости наблюдается резонанс токов. Резонанс токов — явление, при котором сдвиг фаз между током и напряжением уменьшается до нуля.

При резонансе токов наблюдается колебание энергии между магнитным нолем индуктивной катушки и электрическим полем емкости. В конденсаторе энергия накапливается при увеличении приложенного напряжения и возвращается обратно при его уменьшении. Катушка же потребляет энергию для создания магнитного поля, а при уменьшении тока и исчезновении магнитного поля возвращает ее обратно.

Мощность переменного тока. Мощность, потребляемая в любой момент электрической цепью, содержащей активное сопротивление и индуктивность, называют мгновенной. Она состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении, и мощности, потребляемой индуктивностью при возрастании тока и возвращаемой обратно в цепь при убывании тока. В электрических расчетах в основном применяют активную мощность, которая представляет произведение действующих значений тока и напряжения на «косинус фи» (cos φ). Активную мощность измеряют, как и в цепях постоянного тока, в ваттах или киловаттах.

Активная мощность расходуется на совершение полезной работы и измеряют ее ваттметром. Кроме активной мощности в цепях переменного тока имеется реактивная мощность, которая расходуется при нарастании тока на создание магнитных полей в индуктивной части цепи. При уменьшении тока цепь становится своего рода генератором, т. е. энергия, запасенная в ней, возвращается к генератору, питающему эту цепь. Такое перераспределение энергии от генератора к цепи и обратно бесполезно загружает линию и обмотку генератора, создавая лишние потере энергии.

Реактивную мощность измеряют в ватт-амперах реактивных (вар) или киловольт-амперах реактивных (квар).

Наряду с указанными мощностями имеется также полная или кажущаяся мощность, являющаяся произведением действующих значений напряжения и тока.

Коэффициентом мощности — «косинус фи» (cos φ) в цепи переменного тока называют отношение активной мощности к полной мощности. Коэффициент мощности для синусоидального переменного тока является косинусом сдвига фаз между током и напряжением. Когда в цепи существует только активная нагрузка, т. е. вся мощность является активной, коэффициент мощности достигает своей максимальной величины и равняется единице.

Реактивная мощность потребляется нагрузкой, но если не принять специальных мер, она загрузит в ущерб активной мощности электрическую линию, соединяющую нагрузку с источникам энергии. Поэтому всегда принимают меры, чтобы разгрузить источник энергии от реактивной мощности. По линии к потребителю должна поступать реактивная мощность только минимально необходимой величины.

«Косинус фи» измеряется особым прибором, называемым фазометром.

В практике эксплуатации электрических сетей необходимо стремиться получать больший «косинус фи»; чем меньший cos φ имеет потребитель, тем меньшую активную мощность будет отдавать генератор, тем менее он будет загружен по активной мощности и тем меньше будет к. п. д. машины. Низкий «косинус фи» приводит к необходимости увеличения полной мощности электрических станций и трансформаторов, понижению к. п. д. трансформаторов и генераторов, увеличению потерь мощности и напряжения в проводах и увеличению сечения проводов.

В связи с этим приходится учитывать не только активную энергию, забираемую потребителем от электростанции, а также и реактивную энергию. Поэтому потребитель, имеющий реактивную нагружу, обязан установить электросчетчики активной и реактивной нагрузки.

Низкий «косинус фи» может быть получен из-за недогрузки электродвигателей переменного тока, неправильного выбора типа электродвигателя, повышения напряжения в сети.

Увеличить «косинус фи» можно за счет правильного выбора типа, мощности и скорости вновь устанавливаемых двигателей, увеличения загрузки двигателей, недопущения работы двигателей вхолостую продолжительное время, качественного ремонта электродвигателей, применения неподвижных конденсаторов.

Небольшой вес конденсаторов, отсутствие вращающихся частей, незначительные потери в них, безопасность и надежность в работе, несложное обслуживание позволили широко применять их для повышения «косинуса фи». Конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы его емкостное сопротивление было близко по величине индуктивному. Конденсатор подключается параллельно к нагрузке с индуктивностью.

Поделись статьёй с друзьями! Пусть и другие узнают о нас!

4 комментариев

  1. Анатолий:

    «К активным сопротивлениям относятся электрические лампы накаливания,»-
    это немного не так поскольку лампы накаливания являются специфической нагрузкой и относятся к классу нелинейных активных сопротивлений, так как сопротивление лампы накаливания обуславливается протекающим через нее током и материалом нити. Лампа накаливания относится к инерционным сопротивлениям, так как тепловые процессы (процессы нагревания и остывания) являются процессами инерционными. Поэтому лампа накаливания занимает промежуточное положение между линейными и нелинейными сопротивлениями.

  2. Анатолий:

    При резонансе токов действующие значения токов в конденсаторе и индуктивности, будут равны между собой, так XL = ХC.
    Вывод может показаться на первый взгляд довольно странным. Действительно, генератор нагружен двумя сопротивлениями, а тока в неразветвленной части цепи нет, тогда как в самих сопротивлениях протекают равные и притом наибольшие по величине токи.

  3. Федор:

    Большее повышенное напряжение на катушке или на конденсаторе по сравнению с напряжением источника питания может привести к поломке отдельных элементов и измерительных приборов.

  4. Евген:

    Переменный ток оказывается незаменимым, поскольку он позволяет с помощью трансформаторов легко изменять напряжение в любых пределах: повы­шать на электростанциях для передачи на боль­шие расстояния и снова понижать непосредст­венно у потребителей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *