+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Частота электрического тока: определение, формула, характеристики

Переменный ток имеет ряд важных характеристик, влияющих на его физические свойства. Одним из таких параметров является частота переменного тока. Если говорить с точки зрения физики, то частота – это некая величина, обратная периоду колебания тока. Если проще – то это количество полных циклов изменения ЭДС, произошедших за одну секунду.

Известно, что переменный ток заставляет электроны двигаться в проводнике сначала в одну сторону, потом — в обратную. Полный путь «туда-обратно» они совершают за некий промежуток времени, называемый периодом переменного тока. частота же является количеством таких колебаний за 1 секунду.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В качестве единицы измерения частоты во всем мире принят 1 Гц (в честь немецкого ученого Г.Герца), который соответствует 1 периоду колебания за 1 секунду.

В республиках бывшего СССР стандартной считается частота тока в 50 Гц.

Это значит, что синусоида тока движется в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении, и 50 — в обратном, 100 раз проходя чрез нулевое значение. Получается, что обычная лама накаливания, включенная в сеть с такой частотой, будет затухать и вспыхивать примерно 100 раз за секунду, однако мы этого не замечаем в силу особенностей своего зрения.

Для измерения частоты переменного тока применяют приборы, называемые частотомерами. Частотомеры используют несколько основных способов измерения, а именно:

 

Метод дискретного счета;

Метод перезаряда конденсатора;

Резонансный метод измерения частот.

Метод сравнения частот; в качестве:

Метод дискретного счета основывается на подсчете импульсов необходимой частоты за конкретный промежуток времени. Его наиболее часто используют цифровые частотомеры, и именно благодаря этому простому методу можно получить довольно точные данные.

Более подробно о частоте переменного тока Вы можете узнать из видео:

Что такое герцы в электричестве

Под этим термином «переменный электрический ток» следовало бы понимать ток, изменяющийся во времени любым образом, соответственно введенному в математику понятию «переменная величина». Однако в электротехнику термин «переменный электрический ток» вошел в значении электрического тока, вменяющегося по направлению (в противовес электрическому току постоянного направления), а следовательно, и по величине, так как физически нельзя представлять себе изменения электрического тока по направлению без соответствующих изменений по величине.

Движение электронов в проводе сначала в одну сторону, а затем в другую называют одним колебанием переменного тока. За первым колебанием следует второе, затем третье и т. д. При колебаниях тока в проводе вокруг него происходит соответствующее колебание магнитного поля.

Время одного колебания называют периодом и обозначают буквой Т. Период выражают в секундах или в единицах, составляющих доли секунды. К ним относятся: тысячная доля секунды — миллисекунда (мс), равная 10 -3 с, миллионная доля секунды — микросекунда (мкс), равная 10 -6 с, и миллиардная доля секунды — наносекунда (нс), равная 10 -9 с.

Важной величиной, характеризующей переменный ток, является частота. Она представляет собой число колебаний или число периодов в секунду и обозначается буквой f или F. Единицей частоты служит герц, названный в честь немецкого ученого Г. Герца и обозначаемый сокращенно буквами Гц (или Hz). Если в одну секунду происходит одно полное колебание, то частота равна одному герцу. Когда в течение секунды совершается десять колебаний, то частота составляет 10 Гц. Частота и период являются обратными величинами:

При частоте 10 Гц период равен 0,1 с. А если период равен 0,01 с, то частота составляет 100 Гц.

Частота — важнейшая характеристика переменного тока. Электрические машины и аппараты переменного тока могут нормально работать только на той частоте, на которую они рассчитаны. Параллельная работа электрических генераторов и станций на общую сеть возможна только на одной и той же частоте. Поэтому во всех странах частота переменного тока, производимого электростанциями, стандартизуется законом.

В электрической сети переменного тока частота равна 50 Гц. Ток пятьдесят раз в секунду идет в одну сторону и пятьдесят раз в обратную. Сто раз в секунду он достигает амплитудного значения и сто раз становится равным нулю, т. е. сто раз меняет свое направление при переходе через нулевое значение. Лампы, включенные в сеть, сто раз в секунду притухают и столько же раз вспыхивают ярче, но глаз этого не замечает, благодаря зрительной инерции, т.

е. способности сохранять полученные впечатления около 0,1 с.

При расчетах с переменными токами пользуются также угловой частотой, она равна 2пиf или 6,28f. Ее следует выражать не в герцах, а в радианах в секунду.

При принятой частоте промышленного тока 50 гц максимально возможное число оборотов генератора – 50 об/сек (р = 1). На такое число оборотов строятся турбогенераторы, т. е. генераторы, приводимые паровыми турбинами. Число оборотов гидротурбин и приводимых ими гидрогенераторов зависит от природных условий (прежде всего от напора) и колеблется в широких пределах, снижаясь иногда до 0,35 – 0,50 об/сек.

Число оборотов оказывает большое влияние на экономические показатели машины — габаритные размеры и вес. Гидрогенераторы с несколькими оборотами в секунду имеют наружный диаметр в 3 – 5 раз больший и вес во много раз больший, чем турбогенераторы той же мощности с n = 50 об/сек. В современных генераторах переменного тока вращается их магнитная система, а проводники, в которых индуктируется э.

д.с, размещаются в неподвижной части машины.

Переменные токи принято разделять по частоте. Токи с частотой меньше 10000 Гц называют токами низкой частоты (токами НЧ). У этих токов частота соответствует частоте различных звуков человеческого голоса или музыкальных инструментов, и поэтому они иначе называются токами звуковой частоты (за исключением токов с частотой ниже 20 Гц, которые не соответствуют звуковым частотам). В радиотехнике токи НЧ имеют большое применение, особенно в радиотелефонной передаче.

Однако главную роль в радиосвязи выполняют переменные токи с частотой более 10000 Гц, называемые токами высокой частоты, или радиочастоты (токи ВЧ). Для измерения частоты этих токов применяют единицы: килогерц (кГц), равный тысяче герц, мегагерц (МГц), равный миллиону герц, и гигагерц (ГГц), равный миллиарду герц. Иначе килогерц, мегагерц и гигагерц обозначают kHz, MHz, GHz. Токи частотой в сотни мегагерц и выше называют токами сверхвысокой или ультравысокой частоты (СВЧ и УВЧ).

Радиостанции работают с помощью переменных токов ВЧ, имеющих частоту от сотен килогерц и выше. В современной радиотехнике для специальных целей применяются токи с частотой в миллиарды герц и имеются приборы, позволяющие точно измерять такие сверхвысокие частоты.

Почему по сей день в энергетической отрасли для передачи и распределения электроэнергии всюду выбраны и остаются принятыми частоты 50 и 60 Гц? Вы когда-нибудь задумывались об этом? А ведь это совсем не случайно.

В странах Европы и СНГ принят стандарт 220-240 вольт 50 герц, в североамериканских странах и в США — 110-120 вольт 60 Гц, а в Бразилии 120, 127 и 220 вольт 60 Гц. Кстати, непосредственно в США в розетке порой может оказаться, скажем, 57 или 54 Гц. Откуда эти цифры?

Давайте обратимся к истории, чтобы разобраться в данной теме. Во второй половине XIX века ученые многих стран мира активно изучали электричество и искали ему практическое применение. Томас Эдисон изобрел свою первую лампочку, внедрив тем самым электрическое освещение. Возводились первые электростанции постоянного тока. Начало электрификации в США.

Первые лампы были дуговыми, они светились электрическим разрядом, горящим на открытом воздухе, зажигаемым между двумя угольными электродами. Экспериментаторы того времени довольно быстро установили, что именно при 45 вольтах дуга становится более устойчивой, однако для безопасного зажигания, последовательно с лампой подключали резистивный балласт, на котором падало в процессе работы лампы около 20 вольт.

Так, долгое время применялось постоянное напряжение 65 вольт. Затем его повысили до 110 вольт, чтобы можно было последовательно включить в сеть сразу две дуговые лампы.

Эдисон был фанатичным сторонником систем постоянного тока, и генераторы постоянного тока Эдисона поначалу так и работали, подавая в потребительские сети 110 вольт постоянного напряжения.

Но технология постоянного тока Эдисона была очень-очень затратной, экономически не выгодной: нужно было прокладывать много толстых проводов, да и передача от электростанции до потребителя не превышала расстояния в несколько сотен метров, поскольку потери при передаче были огромны.

Позже была введена трехпроводная система постоянного тока на 220 вольт (две параллельные линии по 110 вольт), однако существенно положение относительно экономичности такой передачи не улучшилось.

Позже Никола Тесла разработал свои, совершенно новаторские генераторы переменного тока, и внедрил экономически более эффективную систему передачи электроэнергии при высоком напряжении в несколько тысяч вольт, и электроэнергию можно стало передавать на тысячи метров, потери при передаче снизились в десятки раз. Постоянный ток Эдисона не выдержал конкуренции с переменным током Тесла.

Трансформаторы на железе понижали высокое напряжение до 127 вольт на каждой из трех фаз, подавая его потребителю в виде переменного тока. При работе генераторов переменного тока, приводимых в движение паром или падающей водой, роторы их вращались с частотой от 3000 оборотов в минуту и даже больше.

Это позволяло лампам не мерцать, асинхронным двигателям нормально работать, выдерживая номинальные обороты, а трансформаторам — преобразовывать электричество, повышать и понижать напряжение.

Между тем, в СССР напряжение сетей до 60-х годов оставалось на уровне 127 вольт, затем с ростом производственных мощностей его подняли до привычных нам теперь 220 вольт.

Доливо-Добровольский, так же как и Тесла, исследовавший возможности переменного тока, предложил использовать для передачи электроэнергии именно синусоидальный ток, а частоту предложил установить в пределах от 30 до 40 герц. Позже сошлись на 50 герцах в СССР и на 60 герцах — в США. Эти частоты были оптимальными для оборудования переменного тока, во всю работавшего на многих заводах.

Частота вращения двухполюсного генератора переменного тока составляет 3000 либо максимум 3600 оборотов в минуту, и дает как раз частоты 50 и 60 Гц при генерации. Для нормальной работы генератора переменного тока, частота должна быть не менее 50-60 Гц. Промышленные трансформаторы без проблем преобразуют переменный ток данной частоты.

Сегодня принципиально можно повысить частоту передачи электроэнергии до многих килогерц, и сэкономить таким образом на материалах проводников в ЛЭП, однако инфраструктура остается приспособленной именно для тока частотой 50 Гц, она была так спроектирована изначально по всему миру, генераторы на атомных электростанциях вращаются с все той же частотой 3000 оборотов в минуту, имеют всё ту же пару полюсов. Поэтому модификация систем генерации, передачи и распределения электроэнергии – вопрос отдаленного будущего. Вот почему 220 вольт 50 герц остаются у нас пока стандартом.

Почему по сей день в энергетической отрасли для передачи и распределения электроэнергии всюду выбраны и остаются принятыми частоты 50 и 60 Гц? Вы когда-нибудь задумывались об этом? А ведь это совсем не случайно.

В странах Европы и СНГ принят стандарт 220-240 вольт 50 герц, в североамериканских странах и в США — 110-120 вольт 60 Гц, а в Бразилии 120, 127 и 220 вольт 60 Гц. Кстати, непосредственно в США в розетке порой может оказаться, скажем, 57 или 54 Гц. Откуда эти цифры?

Давайте обратимся к истории, чтобы разобраться в данной теме. Во второй половине XIX века ученые многих стран мира активно изучали электричество и искали ему практическое применение. Томас Эдисон изобрел свою первую лампочку, внедрив тем самым электрическое освещение. Возводились первые электростанции постоянного тока. Начало электрификации в США.

Первые лампы были дуговыми, они светились электрическим разрядом, горящим на открытом воздухе, зажигаемым между двумя угольными электродами. Экспериментаторы того времени довольно быстро установили, что именно при 45 вольтах дуга становится более устойчивой, однако для безопасного зажигания, последовательно с лампой подключали резистивный балласт, на котором падало в процессе работы лампы около 20 вольт.

Так, долгое время применялось постоянное напряжение 65 вольт. Затем его повысили до 110 вольт, чтобы можно было последовательно включить в сеть сразу две дуговые лампы.

Эдисон был фанатичным сторонником систем постоянного тока, и генераторы постоянного тока Эдисона поначалу так и работали, подавая в потребительские сети 110 вольт постоянного напряжения.

Но технология постоянного тока Эдисона была очень-очень затратной, экономически не выгодной: нужно было прокладывать много толстых проводов, да и передача от электростанции до потребителя не превышала расстояния в несколько сотен метров, поскольку потери при передаче были огромны.

Позже была введена трехпроводная система постоянного тока на 220 вольт (две параллельные линии по 110 вольт), однако существенно положение относительно экономичности такой передачи не улучшилось.

Позже Никола Тесла разработал свои, совершенно новаторские генераторы переменного тока, и внедрил экономически более эффективную систему передачи электроэнергии при высоком напряжении в несколько тысяч вольт, и электроэнергию можно стало передавать на тысячи метров, потери при передаче снизились в десятки раз. Постоянный ток Эдисона не выдержал конкуренции с переменным током Тесла.

Трансформаторы на железе понижали высокое напряжение до 127 вольт на каждой из трех фаз, подавая его потребителю в виде переменного тока. При работе генераторов переменного тока, приводимых в движение паром или падающей водой, роторы их вращались с частотой от 3000 оборотов в минуту и даже больше.

Это позволяло лампам не мерцать, асинхронным двигателям нормально работать, выдерживая номинальные обороты, а трансформаторам — преобразовывать электричество, повышать и понижать напряжение.

Между тем, в СССР напряжение сетей до 60-х годов оставалось на уровне 127 вольт, затем с ростом производственных мощностей его подняли до привычных нам теперь 220 вольт.

Доливо-Добровольский, так же как и Тесла, исследовавший возможности переменного тока, предложил использовать для передачи электроэнергии именно синусоидальный ток, а частоту предложил установить в пределах от 30 до 40 герц. Позже сошлись на 50 герцах в СССР и на 60 герцах — в США. Эти частоты были оптимальными для оборудования переменного тока, во всю работавшего на многих заводах.

Частота вращения двухполюсного генератора переменного тока составляет 3000 либо максимум 3600 оборотов в минуту, и дает как раз частоты 50 и 60 Гц при генерации. Для нормальной работы генератора переменного тока, частота должна быть не менее 50-60 Гц. Промышленные трансформаторы без проблем преобразуют переменный ток данной частоты.

Сегодня принципиально можно повысить частоту передачи электроэнергии до многих килогерц, и сэкономить таким образом на материалах проводников в ЛЭП, однако инфраструктура остается приспособленной именно для тока частотой 50 Гц, она была так спроектирована изначально по всему миру, генераторы на атомных электростанциях вращаются с все той же частотой 3000 оборотов в минуту, имеют всё ту же пару полюсов. Поэтому модификация систем генерации, передачи и распределения электроэнергии – вопрос отдаленного будущего. Вот почему 220 вольт 50 герц остаются у нас пока стандартом.

Что такое частота? | Fluke

Частота переменного тока (ac) — это количество синусоидальных колебаний переменного тока в секунду. Частота — это количество изменений направления тока за секунду. Для измерения частоты используется международная единица герц (Гц). 1 герц равен 1 колебанию в секунду.

  • Герц (Гц) = 1 герц равен 1 колебанию в секунду.
  • Колебание = Одна полная волна переменного тока или напряжения.
  • Полупериод = Половина колебания.
  • Период = Время, необходимое для выполнения одного полного колебания.

Частота отражает повторяемость процессов. С точки зрения электрического тока частота — это количество повторений синусоиды или, другими словами, полного колебания, которое включает положительную и отрицательную составляющие.

Чем больше колебаний происходит в секунду, тем выше частота.

Пример. Если известно, что частота переменного тока равна 5 Гц (см. схему ниже), это означает, что его форма сигнала повторяется 5 раз за 1 секунду.

Частота обычно используется для описания работы электрооборудования. Ниже приведены некоторые наиболее распространенные диапазоны частот:

  • Частота линии питания (обычно 50 Гц или 60 Гц).
  • Частотно-регулируемые приводы: обычно используют несущую частоту 1–20 кГц.
  • Звуковой диапазон частот: от 15 Гц до 20 кГц (диапазон человеческого слуха).
  • Радиочастота: от 30 до 300 кГц.
  • Низкая частота: от 300 кГц до 3 МГц.
  • Средняя частота: от 3 до 30 МГц.
  • Высокая частота: от 30 до 300 кГц.

Обычно цепи и оборудование предназначены для работы с постоянной или переменной частотой. Оборудование, рассчитанное на работу с постоянной частотой, при изменении частоты начинает работать неправильно. Например, двигатель переменного тока, рассчитанный на работу при 60 Гц, работает медленнее при частоте ниже 60 Гц или быстрее при частоте выше 60 Гц. Для двигателей переменного тока любое изменение частоты приводит к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя. Другим примером является снижение частоты вращения двигателя на 5 % при снижении частоты сети на 5 %.

Порядок измерения частоты

Цифровой мультиметр с режимом частотомера может измерять частоту сигналов переменного тока со следующими функциями:

  • регистрация МИН/МАКС значений, позволяющая записывать результаты измерений частоты за заданный интервал времени. Эта функция также применима к измерениям напряжения, тока и сопротивления.
  • автоматический выбор диапазона, при котором прибор автоматически подбирает диапазон частот при условии, что частота измеряемого напряжения не выходит за пределы этого диапазона.

Параметры электросетей различаются в зависимости от страны. В США работа сети основана на высокостабильном сигнале с частотой 60 Гц, что соответствует 60 колебаниям в секунду.

Бытовые электросети в США получают питание от однофазного источника питания 120 В перем. тока. Напряжение в настенной розетке дома в США совершает синусоидальные колебания в диапазоне от 170 до −170 В, при этом истинное среднеквадратичное значение этого напряжения будет равно 120 вольт. Частота колебаний составляет 60 циклов в секунду.

Единица измерения получила название «герц» в честь немецкого физика Генриха Герца (1857–1894 гг.), который первым осуществил передачу и принятие радиоволн. Радиоволны распространяются с частотой одно колебание в секунду (1 Гц). (аналогично часы тикают с частотой 1 Гц)

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.

Статьи на связанные темы:

Герц (единица измерения) — это… Что такое Герц (единица измерения)?

У этого термина существуют и другие значения, см. Герц.

Герц (русское обозначение: Гц, международное обозначение: Hz) — единица измерения частоты периодических процессов (например, колебаний) в Международной системе единиц (СИ). Герц — производная единица.

1 Гц означает одно исполнение (реализацию) такого процесса за одну секунду, другими словами — одно колебание в секунду: 1 Гц = с-1.

10 Гц — десять исполнений такого процесса, или десять колебаний за одну секунду.

История

Назван в честь немецкого учёного-физика XIX века Генриха Герца, который внёс важный вклад в развитие электродинамики. Название было учреждено Международной электротехнической комиссией в 1930 году. В 1960 году на генеральной конференции по мерам и весам это название было принято взамен ранее существовавшего термина (число циклов в секунду).

Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
101 Гц декагерц даГц daHz 10−1 Гц децигерц дГц dHz
102 Гц гектогерц гГц hHz 10−2 Гц сантигерц сГц cHz
103 Гц килогерц кГц kHz 10−3 Гц миллигерц мГц mHz
106 Гц мегагерц МГц MHz 10−6 Гц микрогерц мкГц µHz
109 Гц гигагерц ГГц GHz 10−9 Гц наногерц нГц nHz
1012 Гц терагерц ТГц THz 10−12 Гц пикогерц пГц pHz
1015 Гц петагерц ПГц PHz 10−15 Гц фемтогерц фГц fHz
1018 Гц эксагерц ЭГц EHz 10−18 Гц аттогерц аГц aHz
1021 Гц зеттагерц ЗГц ZHz 10−21 Гц зептогерц зГц zHz
1024 Гц йоттагерц ИГц YHz 10−24 Гц йоктогерц иГц yHz
     применять не рекомендуется      не применяются или редко применяются на практике

Примеры

  • Усреднённое значение частот, воспринимаемых человеческим ухом, лежит в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
  • Сердце в спокойном состоянии бьётся с частотой приблизительно 1 Гц (Примечательно, что Herz в переводе с немецкого означает «сердце». Однако, фамилия великого физика пишется Hertz).

Электромагнитные дефекты | Спектральная вибродиагностика

«Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам» 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Анализируя сигналы с датчиков вибрации, установленных на опорных подшипниках электрических машин, можно выявить достаточно много специфических дефектов состояния, возникающих только в электродвигателях и генераторах различного типа. Причиной повышенной вибрации электрических машин могут являться как различные внутренние электромагнитные дефекты электрических машин, так некоторые специфические особенности проявления электромагнитных процессов в обмотках и сердечниках, т. е. это просто может отражать особенности нормальной работы электродвигателей и генераторов во вращающихся агрегатах.

Применение вибрационных методов диагностики дефектов состояния электродвигателей и генераторов обычно является первым этапом в оценке их состояния. Так происходит потому, что они позволяют оперативно анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы, или как это принято называть в литературе, реализуют диагностику и мониторинг технического состояния в режиме «on-line».

После применения вибрационного анализа для диагностики дефектов в электрических машинах, и выявления основных характерных признаков существования того или иного дефекта, можно, а иногда даже необходимо, применять другие, специализированные и, естественно, более точные методы диагностики состояния электрических машин.

Очевидно, что описание этих методов выходит за рамки данной работы, и ознакомиться с ними можно, если обратиться к другой, более специализированной литературе. Частично, но все равно более широко, чем это обычно делается в «обычной» литературе по вибрационной диагностике, эти методы рассмотрены в данном разделе. Некоторые аспекты диагностики электротехнического оборудования приведены ниже, в соответствующем разделе.

При выборе дефектов, которые мы описываем в данном разделе, мы исходили из простого определения. Если дефект можно диагностировать при помощи установки датчиков вибрации на опорных подшипниках, то его описание включено в данный раздел. Если же для диагностики необходимо устанавливать датчики вибрации в других точках контролируемой электрической машины, то описание диагностики таких дефектов вынесено в особый раздел данного методического руководства.

Обычные, достаточно широко распространенные причины повышенной вибрации электрических машин «не электромагнитного характера», такие как небаланс, проблемы подшипников, наличие изогнутого вала, и т. д. в данном разделе методического руководства никак не рассматриваются. По вопросам диагностики этих дефектов в двигателях и генераторах вибрационными методами следует обращаться к соответствующим разделам данного руководства.

Для проведения диагностики различных электромагнитных дефектов в электрических машинах необходимо использовать измерительное оборудование, имеющее достаточно высокие эксплуатационные параметры. Не все приборы, хорошо подходящие для диагностики дефектов механической природы возникновения, такие как небаланс, расцентровка, и т. д., могут быть использованы для анализа технического состояния электрических машин переменного тока.

Для успешной диагностики различных электромагнитных проблем в электрических двигателях и генераторах необходим анализатор спектров вибросигналов с очень высокой разрешающей способностью, с числом спектральных линий, не меньшем, чем 3200, а желательно и лучше. Кроме того, такой прибор должен иметь возможность проводить регистрацию вибрационных сигналов в течение достаточно длительного интервала времени, не менее 10 — 20 секунд. Это необходимо делать для эффективного разделения проблем механической и электромагнитной природы возникновения, что возможно сделать только в момент отключения контролируемого агрегата от питающей сети.

Измерение вибрации на подшипниках электродвигателей и генераторов нужно всегда проводить в трех направлениях — вертикальном, поперечном и осевом, иначе потом будет невозможно провести полную диагностику состояния. Идеальным является синхронная регистрация (не путать с синхронизированной регистрацией, которая гораздо менее эффективна) сразу шести вибросигналов с двух подшипников электрической машины. Обычно это повышает достоверность диагнозов дополнительно не менее чем на 10 %.

3.2.6.1. Описание физических процессов в электрических машинах

Вопросами диагностики текущего технического состояния и поиска дефектов в электрических машинах обычно занимаются специальные электротехнические службы, знакомые с особенностями физических процессов в двигателях и генераторах. Для тех, кто раньше не был практически связан с процедурой оценки состояния электротехнического оборудования, необходимо обязательно ознакомиться со специальной литературой, описывающей основные особенности его работы.

Дело в том, что существует несколько типов электрических машин, процессы в которых значительно отличаются друг от друга. Кроме того, в каждом типе электрических машин существует несколько специфических особенностей, не зная которые очень сложно проводить корректную оценку их технического состояния.

В самом начале данного раздела, на первом этапе описаний, кратко вспомним некоторые основные определения и понятия из минимального, по объему, курса электрических машин. Сделаем это для простоты объяснения причин возникновения вибрации в электрических машинах, а так же для того, чтобы не загромождать эти объяснения в дальнейшем, Знание этих основополагающих понятий совершенно необходимо для проведения корректного диагностирования дефектов электрических машин, для правильного толкования спектрального состава регистрируемых вибрационных сигналов.

По принципу действия различают три основных типа широко применяемых электрических машин:

  • Синхронные машины переменного тока, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Эти машины могут работать в режимах двигателя и генератора, в практике встречаются и те, и другие.
  • Асинхронные машины переменного тока, в которых ротор вращается несколько медленнее. Величина отставания ротора от статора составляет несколько процентов, и характеризуется термином «скольжение». Теоретически также могут работать в режимах двигателя и генератора, но на практике встречаются практически одни двигатели.
  • Машины постоянного тока. Это также обратимые электрические машины, допускающие двигательный и генераторный режимы работы. На практике встречаются и те, и другие исполнения машин постоянного тока.

В данном разделе методического руководства будут рассмотрены основные способы диагностики состояния и поиска дефектов состояния электрических машин переменного тока, синхронных и асинхронных, как наиболее распространенных в промышленности и в быту. Электромагнитные проблемы машин постоянного тока очень сложно поддаются диагностике, в основе которой лежит анализ вибрационных сигналов с опорных подшипников, поэтому рассматриваться здесь не будут.

Синхронные и асинхронные машины являются по своему принципу действия обратимыми, т. е. могут работать в как режиме двигателя, так и в режиме генератора. В дальнейшем диагностика дефектов статоров синхронных и асинхронных машин, двигателей и генераторов, не будет подразделяться, т. к. они имеют одинаковые по конструкции статоры. Синхронные машины отличаются от асинхронных только конструкцией ротора, что найдет отражение в специальном подразделе, где будут описаны наиболее часто встречающиеся дефекты короткозамкнутых роторов.

Очень важно уже на самом первом этапе диагностики, заранее, определиться с диапазоном численных значений частоты вращения ротора и электромагнитного поля в зазоре. Для этого необходимо знать оборотную частоту вращения электромагнитного поля статора и оборотную частоту вращения ротора электрической машины переменного тока. Именно они определяют требования к приборам вибрационного контроля.

Максимальная частота вращения ротора электрической машины переменного тока определяется в размерности «обороты в минуту». В иностранной литературе широко используется термин RPM, что является сокращением стандартного параметра «Rotation Per Minute», т. е. те же «обороты в минуту». Эта максимальная частота вращения также является и номинальной, так как в нормальных условиях частота вращения машины переменного тока редко регулируется, а если и регулируется, то практически всегда с использованием преобразователей частоты.

Частота вращения ротора численно равна произведению частоты питающей сети, измеряемой в [Гц], умноженной на переводной коэффициент, равный 60 (количество секунд в одной минуте). В России принят стандарт частоты питающей сети в 50 Гц. Поэтому максимально возможная частота вращения роторов двигателей и генераторов переменного тока составляет 3000 об/мин. При частоте питающей сети в 60 Гц, что являющейся стандартной в Америке и в Японии, максимальная частота вращения ротора машины переменного тока составит 3600 об/мин.

В зависимости от особенностей конструкции статоров машин переменного тока частота вращения электромагнитного поля в зазоре может изменяться. Для определения этой частоты формула определения частоты вращения поля должна быть дополнена еще одним сомножителем «Р», находящимся в знаменателе:

N0 = 60 * F1 / P

Таким образом, частота вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины N0 равняется частному от деления максимальной частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на число «пар полюсов статора – Р». Это конструктивный параметр обмотки статора, и он может принимать только целые значения, равные 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. При этом частота вращения поля в зазоре электрической машины будет равна соответственно 3000 об/мин, 1500, 1000, 750, 600 и т. д.

При числе пар полюсов, отличном от единицы, частота вращения поля в зазоре электрической машины отлична от частоты питающей сети, причем в меньшую сторону от стандартных 3000 об/мин. Это очень важно учитывать при первой диагностике состояния «мало знакомых» электрических машин по спектрам вибросигналов.

В синхронных электрических машинах переменного тока частота вращения ротора всегда совпадает с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре. Именно поэтому такие машины называются синхронными. Такие электрические машины имеют достаточно большую мощность, что связано с особенностями их конструкции. Можно смело утверждать, что «встретить» синхронную машину с мощностью менее 1000 кВт на практике очень сложно. Их мало, но они имеют большую единичную мощность, генераторы достигают мощностей до 800 МВт и более.

В асинхронных машинах переменного тока частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения электромагнитного поля в зазоре на небольшую величину, ротор отстает от электромагнитного поля. Это отставание обычно называется скольжением «s» и измеряется в долях от единицы или в процентах. Имеющаяся небольшая разница в частотах вращения поля и ротора называется частотой скольжения ротора, которая измеряется в герцах или в процентах. В диагностике дефектов ротора асинхронного двигателя эта частота имеет большое значение.

Стандартный ряд рабочих частот вращения роторов асинхронных двигателей, в зависимости от числа пар полюсов обмотки статора, можно примерно представить в виде последовательности чисел — 2900 об/мин, 1450 об/мин, 970 об/мин.

Из этого ряда» хорошо видно, что частота вращения ротора асинхронной электрической машины всегда отстает от частоты вращения электромагнитного поля в зазоре электрической машины. Для сравнения напомним, что в синхронных машинах переменного тока, где частота вращения ротора совпадает с частотой вращения поля в зазоре,  этот ряд рабочих частот вращения электрических машин составляет 3000, 1500, 1000 об/мин.

Отдельно необходимо остановиться на термине, который практические диагносты достаточно широко используют на практике, но, может быть, не совсем корректно понимают его смысл. В самом общем случае этот термин звучит примерно как «электромагнитные вибрации и электромагнитные гармоники в спектре вибрационного сигнала».

В электрических машинах переменного тока возможно возникновение специфических вибраций двух типов. Конечно, реальных причин повышения вибрации в электродвигателях и генераторах может быть гораздо больше, но при измерении вибрационных сигналов на опорных подшипниках реально зарегистрировать можно только «отклики» от этих двух причин. В другом разделе нашего руководства мы частично затронем некоторые другие аспекты вибрационной диагностики состояния электротехнической составляющей электрических машин, здесь же мы рассмотрим только способы диагностики возможных «механических дефектов» электрических машин.

Для начала дадим определение основным электромагнитным вибрациям, которые можно зарегистрировать на опорных подшипниках синхронных и асинхронных электрических машин. Как мы уже говорили, они могут возникать по нескольким причинам.

Во-первых, это электромагнитные вибрации ферромагнитных сердечников и стальных конструктивных элементов электротехнического оборудования, по которым во время работы оборудования протекает переменный магнитный поток.

Эти вибрации возникают за счет специфического процесса, который в литературе называется магнитострикцией. Этот эффект обусловлен тем, что при перемагничивании ферромагнитных материалов сердечника происходит изменение внутренней ориентации элементарных намагниченных частиц, доменов. При каждом перемагничивании сердечника происходит поворот доменов на 180 градусов, что в итоге и приводит к небольшому «линейному расширению» ферромагнитного материала. Чем больше величина магнитного потока в сердечнике, тем больше размеры элементарных доменов в ферромагнитном сердечнике, и тем больше будут вибрации сердечника электрической машины.

Поскольку перемагничивание сердечника магнитным потоком происходит дважды за один период питающей сети, то и частота вибрации, обусловленная эффектом магнитострикции, равняется удвоенной частоте питающей сети, т. е. она равняется 100 Гц. Мы обращаем дополнительное внимание читателя на то, что вне зависимости от оборотной частоты вращения ротора электрической машины, частота вибрации сердечника (пакета стали статора) всегда равняется 100 Гц.

Если оборотная частота ротора равняется 50 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации располагается на спектре «в том месте», где может находиться вторая гармоника оборотной частоты. Если же оборотная частота ротора равняется, например, 25 Гц, то гармоника электромагнитной вибрации на спектре будет располагаться на месте четвертой гармоники оборотной частоты. Этими двумя простыми примерами мы еще раз подчеркнули, что электромагнитная гармоника не связана с частотой вращения ротора электрической машины, а зависит только от частоты питающей сети.

Во-вторых, вибрации в электрической машине вызываются специфическими электродинамическими силами, которые в литературе принято называть «амперовыми силами», т. к. их величина определяется по закону Ампера. Смысл закона Ампера звучит следующим образом – на два проводника с током действует сила взаимного притяжения, пропорциональная квадрату протекающего по проводникам тока, и обратно пропорциональная расстоянию между проводниками. Если направление тока в обоих проводниках одинаковое, то проводники притягиваются друг к другу. Если токи в параллельных проводниках текут в разные стороны, то проводники отталкиваются друг от друга.

Самое важное для нас в этом законе заключается в том, что в числителе стоит произведение токов в проводниках, т. е. квадрат тока промышленной частоты. Из тригонометрии следует известное соотношение, гласящее, что квадрат синусоидального сигнала есть другой гармонический сигнал, но имеющий удвоенную частоту. Таким образом, мы аналогично получаем, что сила электродинамического воздействия между двумя проводниками с синусоидальными токами промышленной частоты имеет удвоенную частоту, относительно частоты питающей сети.

Таким образом, мы определили, что вибрации электрической машины, не вызванные механическими проблемами, имеют удвоенную частоту относительно частоты питающей сети, т. е. равную 100 Гц. Это определение относится как к электромагнитным причинам повышенной вибрации, возникающим в сердечниках электрических машин силами магнитострикции, так и к электродинамическим силам взаимодействия проводников друг с другом, возникающим при протекании токов по обмоткам электрической машины.

Все это можно сказать несколько иначе. Основная, или, говоря терминами, принятыми в вибрационной диагностике, оборотная частота электромагнитных сил и вибраций в электрической машине равна удвоенной частоте питающей сети. Это совершенно отдельная сила, не связанная с частотой вращения ротора, что может быть легко выяснено при помощи средств кепстрального анализа. Она просто имеет частоту, равную удвоенной частоте питающей сети. Гармоники основной частоты этой силы имеют значения 200 Гц, 300, 400 и т. д. В чистом виде эта сила очень явно проявляется в статическом электрооборудовании. Примером этого является трансформатор, в котором гармоника вибрации с частотой питающей сети в 50 Гц практически отсутствует, а максимальное значение имеет гармоника вибрации с частотой 100 Гц.

Есть еще и третья (по порядку нашего повествования, а не по порядковому номеру в спектре) гармоника вибрации, имеющая электромагнитную природу возникновения. Она называется зубцово – пазовой гармоникой. Она не всегда столь значительна, как первые две, но сказать о ней все равно нужно.

Зубцово – пазовая гармоника вызывается особенностями конструктивного исполнения электрической машины переменного тока. У нее на статоре и на роторе обмотка всегда укладывается в пазах. При вращении ротора в зазоре статора возникает периодическое чередование ферромагнитных зубцов и пазов на статоре и роторе. Это приводит к модуляции магнитного потока в зазоре частотой, связанной с количеством пазов на роторе и статоре электрической машины.

При разработке электрических машин принимаются все меры, чтобы исключить влияние зубцово — пазовой структуры на работу машины. На статоре и роторе всегда различное число пазов, на роторе применяется «скос» пазов, когда ось паза идет не вдоль оси ротора, а как бы немного закручена вокруг оси и т. д. Тем не менее, существуют типы электрических машин, в которых «пазовая» гармоника оборотной частоты ротора является явно выраженной на спектре.

Необходимо хорошо понимать, что все эти три гармоники в спектре вибросигнала, имеющие электромагнитную природу возникновения, не всегда являются признаками наличия дефектов в контролируемой электрической машине, они практически всегда сопровождают ее работу. Признаком наличия дефекта обычно является увеличение амплитуд электромагнитных гармоник выше некоторого уровня, являющегося порогом нормального состояния оборудования.

Основной признак того, что анализируемая гармоника в спектре сигнала вибрации имеет электромагнитную причину возникновения — мгновенное исчезновение этой гармоники сразу после отключения электрической машины от сети.

Очень важным является то, что диагностика причин повышенной вибрации электрических машин должна проводиться при возможно большей нагрузке двигателя. Если исследования будут проводиться на холостом ходу, или же при небольшой нагрузке, то диагностика дефектов будет затруднена.  

3.2.6.2. Сводка электромагнитных проблем ротора и статора

Приведем краткую сводку по электромагнитным проблемам электрических машин, которые можно эффективно диагностировать по спектрам вибросигналов. Здесь же приведем все характерные признаки каждого вида дефекта.

Для описания дефектов здесь и далее будем использовать термины:

F1 — частота питающей сети, в России равна 50 Гц.

FЭМ — частота электромагнитных сил в электрических машинах, равна удвоенной частоте сети, в России 100 Гц.

N0 — частота вращения поля в зазоре электрической машины, численно равна частному от деления 3000 на число пар полюсов Р, которое может принимать целые значения от единицы и более (об/мин).

F0 — частота электромагнитного поля в зазоре, Гц.

FP — собственная частота вращения ротора электрической машины. Для синхронных машин она равна частоте вращения поля. Для асинхронных машин она меньше на величину скольжения ротора.

FP = F0 (1 — s)

s - скольжение ротора относительно электромагнитного поля в асинхронных машинах, безразмерная величина, численно равняется разнице между частотой вращения поля в зазоре и частотой вращения ротора, отнесенной к частоте вращения поля в зазоре

s = (N0FP) / N0

FП — зубцово — пазовая частота вибрации, численно равная произведению числа пазов (на роторе или статоре) на частоту электромагнитного поля в зазоре. Может быть повышенной относительно статора, относительно ротора, может быть разностная или суммарная частота биений пазовых частот ротора и статора.

Наиболее важные проблемы статора, которые можно диагностировать на основе анализа вибрационных сигналов:

  • Ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание стержней, витков, или даже секций в обмотке статора. Соответствующие вибрации проявляются на частоте действия электромагнитных сил FЭМ, равной удвоенной частоте питающей сети. Особое внимание при диагностике такого дефекта следует уделять наличию дробных гармоник электромагнитной частоты — 1/2, 3/2, 5/2 и т. д. от основной частоты. По значению частоты эти гармоники соответствуют основной и нечетным гармоникам питающей сети. Появление этих гармоник в спектре вибрационного сигнала говорит об опасной степени развития дефекта, о необходимости оперативного принятия соответствующих мер. 
  • Эксцентриситет, эллипсность внутренней расточки статора относительно оси вращения ротора. Возникает обычно как дефект монтажа подшипниковых стоек, дефект состояния подшипниковых щитов или при общей деформации корпусных элементов самого статора. В вибрации проявляется на частоте вращения поля в зазоре, а также и на частоте действия электромагнитных сил в электрической машине, равной 100 Гц. Иногда сопровождается появлением боковых гармоник вблизи частоты 100 Гц. Дефект обычно сопровождается неравенством вертикальной и поперечной составляющих соответствующих гармоник. Пространственный максимум гармоник соответствует направлению эксцентриситета смещения оси статора. Наиболее просто направление смещения оси статора относительно оси ротора диагностируется при снятии «розы вибраций», когда датчик последовательно перемещается по огибающей вокруг подшипника со смещением при каждом измерении на угол 30 — 45  градусов.
  • Неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и статора. Иногда для данного дефекта используется термин: «неправильная установка электромагнитных осевых разбегов». При работе электрической машины, в результате сил магнитного притяжения, пакет ротора всегда стремится к положению точно под пакетом статора.

Если этому стремлению будут препятствовать неправильно смонтированные в осевом направлении подшипники, то в них будут возникать компенсирующие осевые усилия, которые и вызовут осевые вибрации подшипников. Подшипники достаточно быстро нагреются и выйдут из строя. Иногда ротор двигателя «утягивается» в осевом направлении валом механизма, что возможно при неправильном осевом монтаже приводного механизма, сопровождающемся малой осевой подвижностью в соединительной муфте.

Основные проблемы ротора, диагностируемые по вибрации:

  • Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения. На спектре вибросигнала этот дефект проявляется в усилении первой гармоники частоты вращения ротора. Усиливается частота действия электромагнитной силы, вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.
  • Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах «беличьей клетки» в асинхронном двигателе. Обычно проявляется на спектре вибрационного сигнала вблизи частоты вращения вала ротора. Кроме того, этот дефект всегда сопровождается появлением вблизи основной гармоники частоты вращения ротора боковых гармоник, сдвинутых относительно гармоники частоты вращения ротора на интервал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов двигателя. Очевидно, что этот дефект присущ только асинхронным двигателям, а в синхронных машинах он никак не проявляется.
  • Ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в области зубцов. Сопровождается усилением второй гармоники питающей сети или, при ослаблении стали в области зубцов, появлением пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную двойной питающей частоте. Такой дефект на практике диагностируется достаточно сложно, так как его спектральные признаки напоминают признаки других дефектов, и проявляются не очень сильно, чаще всего неявно.

3.2.6.3. Диагностика электромагнитных проблем статора

При всех проблемах статора синхронной или асинхронной электрической машины, имеющих в своей основе первопричину электромагнитной природы, в спектре вибросигнала возникает весьма специфическая картина. В основном она сопровождается возникновением высокой амплитуды основной гармоники на частоте электромагнитных процессов FЭМ. Как уже неоднократно говорилось выше, ее частота равна удвоенной частоте питающей сети, т. е. всегда равняется 100 Гц. Еще раз напоминаем, что эта частота никак не связана с оборотной частотой вращения ротора.

Этот эффект достаточно хорошо объясняется с точки зрения физики происходящих в стали статора процессов. Силы взаимного притяжения, действующие между «распрессоваными» листами электротехнического железа или элементами крепления пакета стали, имеют максимум амплитуды дважды за один период изменения питающей сети — во время абсолютного минимума и максимума магнитного потока. Чем сильнее будет распрессован пакет статора электрической машины, тем большую амплитуду в спектре будет иметь основная электромагнитная гармоника.

Аналогично выглядит картина взаимодействия между элементами обмотки статора. Математически это объясняется тем, что электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока или магнитного потока. Поскольку и тот и другой синусоидальны, то их произведение также пропорционально синусоиде, но изменяющейся уже с удвоенной частотой, относительно исходной частоты питающей сети.

На спектре вибрационного сигнала, приведенном на рисунке 3.2.6.1., картина появления электромагнитных проблем в статоре выражается в усилении пика на электромагнитной частоте. При значительных дефектах в стали могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника электромагнитной частоты FЭМ, и даже третья (300 Гц).

Кроме того, в спектре может появиться также целый ряд дробных гармоник, имеющих кратность 1/2 от электромагнитной гармоники. В данной ситуации, по своей частоте, эти гармоники будут численно соответствовать нечетным целым гармоникам частоты питающей сети. Такое совпадение двух семейств гармоник усложняет их разделение частоте, требуя большей внимательности и применения дополнительных диагностических средств.

Очень важно хорошо понимать и помнить основное различие синхронных и асинхронных электрических машин, значительно влияющих на диагностику дефектов по спектрам вибрационных сигналов.

Гармоники вибрации от электромагнитных процессов в статоре синхронной машины, по своей физической природе, являются синхронными относительно частоты вращения ротора. В асинхронном двигателе эти же семейства гармоник являются несинхронными, т. к. частота вращения ротора и частота питающей сети не кратны между собой, а различаются между собой пропорционально частоте скольжения. В данном определении под коэффициентом кратности соотношений частот мы понимаем влияние числа пар полюсов обмотки, уложенной в пазах статора.

Ослабление прессовки активного железа статора в электрической машине обуславливается, в основном, двумя часто встречающимися причинами — или общим ослаблением элементов крепления железа статора, или же явлением «отслоения» крайних листов и пакетов стали.

При этих локализациях дефекта железа статора важную роль начинает играть место установки вибродатчика. Чем ближе он устанавливается к дефектному месту пакета статора, чем короче будет путь прохождения «полезного» вибрационного сигнала, тем более корректно можно будет проводить диагностирование и, достаточно часто, удается даже локализовать место проявления дефекта. Наиболее эффективно датчик вибрации устанавливать не на опорных подшипниках ротора, а непосредственно на корпусе сердечника статора, а еще лучше и на самом пакете активной стали.

Аналогично обстоит дело и с особенностями проявления в спектрах вибросигналов различных дефектов обмоток статора, но поиск их и локализация происходят гораздо сложнее. Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в другом разделе данного руководства, однако основные требования к месту установки датчика вибрации останутся прежними – как можно ближе к возможному месту возникновения предполагаемого дефекта пакета или обмотки статора.

Самое главное, что нужно помнить при диагностике дефектов, что различить тип диагностируемого в статоре электрической машины дефекта, имеет — ли он «чисто электрическую природу возникновения», или же он обусловлен одними «магнитными проблемами», методами спектральной вибрационной диагностики практически невозможно. Единственный, достаточно корректный признак наличия короткозамкнутого витка в обмотке статора (электрическая причина возникновения повышенных вибраций) — наличие боковой гармоники вблизи частоты 100 Гц, и ее чаще всего обнаружить не удается. В большинстве практических случаев необходимо применение более специализированных методов диагностики состояния электрических машин.

3.2.6.4. Проблемы эксцентричности пакета статора

Эксцентриситет статора возникает чаще всего как дефект изготовления «шихтованного» пакета стали статора, или как дефект монтажа статора. Очень высока вероятность возникновения эксцентриситета статора в процессе монтажа электрической машины, особенно, если статор и подшипниковые опоры монтируются раздельно. Данный дефект статора может возникнуть в результате ослабления фундамента или как итог тепловых и иных деформаций в агрегате и фундаменте.

Для примера на рисунке 3.2.6.2. приведен спектр вибросигнала, зарегистрированного на подшипнике асинхронного двигателя, имеющего номинальную  частоту вращения ротора,  равную  n0 = 1480 об/мин. Этот спектр соответствует наличию в электрической машине достаточно развитого дефекта типа «эксцентриситет статора».

Эксцентриситет статора приводит, с точки зрения физики протекания электромагнитных процессов, к периодическому изменению магнитной проводимости воздушного зазора, к ее пульсации, или, говоря иными словами, к ее модуляции. Эта пульсация  происходит с удвоенной частотой сети, т. е. с частотой воздействия электромагнитных сил.

Удвоение частоты пульсации относительно питающей сети возникает из — за того, что мимо зоны окружности статора, где произошло изменение величины зазора, поочередно проходят и северный, и южный полюса электромагнитного поля, вращающегося в зазоре электрической машины. Удвоенные пульсации магнитной проводимости приводят к такой же пульсации магнитного потока и, как результат, к пульсации электромагнитной силы и вибрации с частотой 100 Гц.

Дополнительно несколько возрастает амплитуда гармоники на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре. Это позволяет в асинхронных двигателях хорошо дифференцировать эксцентричность статора от эксцентричности ротора, где вибрация идет с частотой вращения ротора. Для выявления этого различия необходимо наличие спектроанализатора с хорошим разрешением.

Для разделения эксцентриситетов статора и ротора в синхронной машине между собой, при диагностике следует помнить, что эксцентриситет статора неподвижен в пространстве и различен по амплитуде вибрации в направлениях измерения вибрации. Благодаря такой локализации эксцентриситет статора приводит к возникновению направленной в пространстве вибрации. Это можно выявить при помощи последовательного перемещения вибродатчика по контролируемому подшипнику «вокруг вала». Эксцентриситет же ротора всегда «вращается» вместе с ротором, поэтому он не имеет стационарного максимума при определенном значении угла установки датчика. При эксцентриситете статора такой максимум явно выражен.

Для исключения проявления эксцентриситета в вибрации электрических машин необходимо, чтобы воздушный зазор между статором и ротором должен быть неизменным по окружности. Обязательно должно соблюдаться требование к качеству взаимного монтажа статора и ротора, что различие в величине воздушного зазора вдоль окружности не должно превышать значение в 5% для асинхронных двигателей и генераторов, и не превышать 10 % для синхронных двигателей. Значение этого параметра жестко контролируется при помощи специальных щупов при монтаже электрической машины. Такая процедура измерения должна производиться при нескольких взаимных положениях ротора и статора.

3.2.6.5. Эксцентричный ротор

Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации асинхронных электрических машин. У синхронных электрических машин переменного тока этот дефект менее заметен из-за больших рабочих зазоров.

При наличии эксцентриситета ротора в характере распределения электромагнитного поля в зазоре двигателя возникает ряд особенностей. Плотность электромагнитного поля вдоль окружности зазора изменяется вместе с поворотом ротора. Это приводит, из-за переменного зазора, к неравномерности тягового усилия двигателя. При совпадении оси поля статора с зоной увеличенного зазора тяговое усилие несколько уменьшается, при этом возрастает величина частоты скольжения. При смещении оси поля в зону меньшего зазора тяговое усилие растет, частота скольжения падает. При числе пар полюсов статора, большем единицы, такой процесс повторяется «Р» раз.

Если бы мы имели очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора, то мы бы обнаружили следующее. В интервале перемещения ротора от зоны, с увеличенным зазором в сторону зоны, с уменьшенным зазором, ротор бы ускорился в своей частоте вращения на небольшое значение. На интервале перехода ротора обратно, к зоне с увеличенным зазором, ротор бы замедлился на то же значение. Конечно, таких приборов у нас нет, но это видно на спектре с большой разрешающей способностью, где появляются признаки таких изменений скорости.

На спектре вибросигнала, показанном на рисунке 3.2.6.3., вокруг основной частоты вращения ротора, должны появиться симметрично расположенные боковые пики, гармоники, напоминающие зубцы короны. Симметрия пиков относительно основной частоты достаточно хорошо понятна — это следствие «мини ускорений и мини замедлений» частоты вращения ротора вокруг своего среднего значения. Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети.

Необходимо пояснить причины проявления эксцентричности ротора на этой частоте.

Вращение эксцентричного ротора модулирует проводимость зазора с удвоенной частотой. При числе пар полюсов, равном единице частота вращения поля равна 50 Гц, удвоенная частота сети, частота электромагнитной вибрации равна 100 Гц. Эксцентричность ротора приводит к модуляции электромагнитной силы. При уменьшении числа пар полюсов частота вращения поля в зазоре уменьшится в Р раз. Переменный зазор ротора за один свой оборот будет модулировать электромагнитную силу 2 х Р раз больше частоты своего вращения, что как раз и соответствует частоте электромагнитной силы.

Эксцентричный ротор генерирует вокруг FP и вокруг FЭМ семейства гармоник, представляющих из себя пики, сдвинутые на одинаковый шаг по частоте. Сдвиг между этими гармониками равен произведению частоты скольжения на число полюсов обмотки статора

DF = FS * 2 * P

Причина такого шага между зубцами на спектре по частоте достаточно корректно объясняется. Частота скольжения есть разностная частота биений между частотой вращения поля и частотой вращения ротора. В течении одного оборота эксцентриситет ротора влияет «2 х Р» раз на тяговое усилие двигателя, которое связано с частотой скольжения ротора. Сама частота скольжения FS иногда видна на спектре, на начальном участке, на самой низкой частоте. Она проявляется обычно в диапазоне от 0,3 до 2,0 Гц. Для ее регистрации нужен низкочастотный датчик.

Необходимо помнить, что во временном сигнале эксцентриситет ротора проявляется в виде пульсирующей вибрации, средняя частота которой располагается в диапазоне частот (или вблизи него) между FЭМ и гармоникой оборотной частоты ротора, по частоте чуть меньшей, чем у электромагнитной силы (порядковый номер этой гармоники ротора равен удвоенному числу пар полюсов статора). Разделить эти гармоники на спектре можно только при высоком частотном разрешении используемого анализатора вибрационных сигналов.

Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной, и в поперечной проекции вибрации. Иногда ее удается обнаружить даже и в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора не по всей его длине, а только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда в спектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно в термических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или «частичных задеваниях» ротора об неподвижные элементы, когда ротор так же начинает односторонне нагреваться.

3.2.6.6. Неправильный осевой монтаж двигателя

Принцип действия всех электрических машин переменного тока примерно одинаков - вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора (синхронные машины) или с роторными проводниками с током (асинхронные машины).

Простейший аналог, характеризующий работу синхронной электрической машины переменного тока – притяжение двух постоянных магнитов, из которых один есть вращающееся магнитное поле статора, а второй жестко зафиксирован на роторе. В асинхронной машине переменного тока все выглядит немного иначе – вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой проводники с током, которыми являются стержни короткозамкнутой клетки ротора.

В синхронном электродвигателе машине энергия подается одновременно в ротор от источника постоянного тока, и в статор из питающей промышленной сети. В асинхронном электродвигателе внешняя энергия подается только из питающей сети в статор, поэтому для работы двигателя часть энергии должна быть передана (трансформирована) через зазор во вращающийся ротор. Только в этом случае возникает электромагнитное взаимодействие между полями ротора и статора. Наличие передачи энергии через зазор объясняет необходимость максимального уменьшения воздушного зазора в асинхронных машинах, а так же их большую чувствительность этого типа электрических машин к нелинейности величины зазора между ротором и статором.

Сила взаимного притяжения между ротором и статором является векторной величиной и состоит из трех составляющих — радиальной составляющей, касательной, полезной, и осевой. Касательная составляющая электромагнитной силы в зазоре является полезной, т. к. именно она создает вращающий момент. Радиальная составляющая есть сила притяжения ротора к статору и при постоянстве величины воздушного зазора эти силы, диаметрально противоположно, взаимно компенсируются.

Рассмотрим чуть подробнее осевую составляющую сил взаимного притяжения в зазоре электрической машины. Если магнитные сердечники ротора и статора в осевом направлении расположены непосредственно друг против друга, то и суммарная осевая составляющая силы электромагнитного притяжения ротора и статора равна нулю. Иначе будет происходить в том случае, когда произойдет взаимное осевое смещении сердечников ротора и статора. При этом итоговая осевая сила не будет равна нулю, она будет стремиться вернуть ротор в исходное нейтральное положение. Чем больше будет величина осевого смещения, тем больше будет величина осевого усилия, втягивающего ротор внутрь статора.

Величина допустимого свободного осевого перемещения ротора относительно статора определяется особенностями монтажа опорных подшипников ротора. Она максимальна при использовании подшипников скольжения, и минимальна при использовании подшипников качения, особенно радиально – упорного типа.

Если осевая подвижность ротора достаточна для перемещения его в нейтральное положение, то проблем с увеличением вибраций не будет. Если же возникнет препятствие к такому осевому перемещению, то на нем возникнет значительная осевая вибрация. Частота этой вибрации, как это показано на рисунке 3.2.8.4., обычно равняется частоте электромагнитных сил. Иногда гармоники вибрации возникают и частоте вращения ротора, это зависит от состояния поверхностей в месте препятствии к осевому смещению. Наиболее часто такая проблема возникает у асинхронных электродвигателей с подшипниками качения, осевая подвижность которых почти нулевая.

Осевая вибрация в электродвигателях, оборудованных подшипниками качения, обычно возникает при следующих основных причинах:

  • При осевом смещении магнитных пакетов статора и ротора, обусловленном особенностями их взаимного первичного монтажа.
  • При неполной посадке подшипников на вал, или в подшипниковых щитах, после проведения ремонтных работ.
  • При смещении подшипниковых щитов, или посадочных мест подшипников после выполнения ремонтных и восстановительных работ.

Вне зависимости от причины возникновения повышенных осевых усилий на опорные подшипники качения, это довольно опасный дефект. Большинство подшипников качения не предназначены для компенсации осевых усилий, и поэтому в такой ситуации достаточно быстро выходят из строя.

У подшипников скольжения обычно существует больший конструктивный «осевой разбег», поэтому осевые вибрации в них возникают гораздо реже. Кроме того, подшипники скольжения обычно используются в крупных синхронных электрических машинах, в которых вопрос компенсации осевых усилий, по причине наличия больших воздушных зазоров, стоит менее остро.

Тем не менее, и в таких условиях осевая подвижность подшипников скольжения может оказаться недостаточной для компенсации дефектов монтажа. В таком случае возникает осевая вибрация, обычно выражающаяся в возникновении трения галтели вала о торцевую поверхность подшипникового вкладыша.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике «осевых разбега», расположенных в насосе, в муфте и в электродвигателе.

Достаточно часто вал электродвигателя «утягивается в осевые вибрации» валом насоса при дефектах системы осевой разгрузки рабочего колеса насоса. Парадокс диагностики — дефект в насосе, а вибрация в двигателе.

На практике бывают случаи, когда для борьбы с осевыми вибрациями ротор в подшипниках скольжения, перед пуском, принудительно смещают в осевом направлении, например, при помощи лома, и после этого двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно, и осевые вибрации агрегата снова возрастают до прежнего значения.

3.2.6.7. Обрыв стержней ротора

Наиболее распространенным конструктивным исполнением обмотки ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с «беличьей клеткой». У такого ротора в пазах, без изоляции, забиваются медные или латунные стержни, или же пазы полностью залиты сплавом алюминия. Концы стержней, по торцам ротора, объединяются замыкающими кольцами из такого же материала.

В процессе работы, а особенно при пуске асинхронного электродвигателя, по стержням беличьей клетки протекает большой ток, и они сильно нагреваются. Частой причиной выхода из строя двигателя является нарушение контакта стержней с замыкающими кольцами, называемые в практике «отгоранием стрежней». Появление такого дефекта в отдельных стержнях приводит к увеличению нагрузки на оставшиеся стержни, дополнительному перегреву их, и также к последующему «отгоранию», и т. д. Весь этот лавинообразный процесс разрушения обмотки ротора сопровождается потерей мощности электродвигателя, к его постепенному перегреву и выходу из строя.

Выявление начальных признаков повреждений стержней клетки ротора является очень актуальной задачей и позволяет повысить надежность работы асинхронных двигателей с короткозамкнутой клеткой на роторе.

Рассмотрим особенности физических процессов и вибрационных признаков этого в роторе, имеющем характерные признаки начальной стадии данного дефекта. Будем считать, что повредился один стержень короткозамкнутой клетки.

Необходимо сразу же сказать, что спектр вибрации асинхронного электродвигателя с отгоревшим стержнем во многом похож на спектр вибрации двигателя, имеющего эксцентричный ротор. На первый взгляд между этими дефектами мало общего, но при ближайшем рассмотрении можно выявить причины возникновения сходства вибрационных сигналов, зарегистрированных на опорных подшипниках.

Как и при эксцентричном роторе, отгоревший стержень приводит к модулированию величины тягового усилия двигателя. В момент прохождения зоны отгоревшего стержня мимо электромагнитного полюса (скорее наоборот, т. к. поле асинхронного электродвигателя обгоняет ротор) тяговое усилие импульсно уменьшиться, ротор чуть-чуть замедлится. В это время под полюс поля подойдет зона бездефектного стержня, в нем за счет возросшего скольжения будет несколько больший ток, тяговое усилие также импульсно возрастет, и ротор чуть-чуть ускорится.

Эти импульсные мини ускорения и мини замедления ротора на спектре будут характеризоваться  возникновением боковых зубцов вокруг основной гармоники частоты вращения ротора. Такой спектр для двигателя с частотой вращения ротора 2920 об/мин показан на рис 3.2.6.5. Понятно, что зубец (гармоника) с чуть меньшей частотой будет соответствовать моменту времени с замедлением, а зубец (гармоника) с чуть большей частотой будет принадлежать участку времени с ускорением ротора.

Сразу же напрашивается аналогия, что если поврежденных стержней в роторе будет не один, а два, то боковых гармоник будет по две с каждой стороны оборотной частоты, если будет три дефектных стержня – три пары боковых гармоник, и так далее. Это так, и не так. Примерно в половине практических случаев такой эффект соответствия количества дефектных стержней и боковых гармоник будет соблюдаться, а в половине случаев такого количественного соответствия не будет.

Корректное описание такой особенности картины спектрального отображения «дефектных» стержней на спектре вибрационных сигналов является очень сложным, и мы его здесь опустим. Мы ограничимся простой констатацией факта, что если боковых гармоник на спектре более двух (пар), то на роторе находится больше двух отгоревших стержней, или, говоря точнее, стержней с дефектами контакта. Если боковых гармоник всего две, то количество стержней с дефектами точно не определено.

Разделить две причины повышенной вибрации, о которых мы начали рассуждение, это эксцентриситет ротора и отгоревшие стержни беличьей клетки, возможно, но только при наличии у диагноста «хорошего анализатора спектров вибрационных сигналов». В данном случае речь идет о хорошем спектральном разрешении прибора, он должен рассчитывать спектры с разрешением не хуже 3200 частотных линий. В этом случае дефекты можно разделить, учитывая особенности различия их спектрах вибрационных сигналов.

Это следующие различия:

  • Характерная «корона» из зубцовых гармоник вокруг пика электромагнитной частоты FЭМ проявляется на спектре различно — при эксцентриситете ротора она имеется во всех режимах работы диагностируемой электрической машины. При наличии в роторе дефекта типа «дефектный стержень», корона на спектре появляется только при значительной нагрузке электрической машины, на холостом ходу она отсутствует.
  • При эксцентриситете ротора «корона» практически симметрична по величинам зубцовых гармоник относительно центрального пика, а при дефектах стержней пик на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Этот факт достаточно хорошо сообразуется с картиной физических процессов. Уменьшение скорости происходит при нормальном скольжении и нормальном токе в последнем (перед дефектным) «хорошем» стержне клетки. Ускорение же ротора происходит при увеличенном скольжении, большем токе в первом «хорошем» стержне и, как результат, с большим ускорением.
  • За счет колебательного «успокоения» пульсации частоты вращения ротора, после прохождения стержня с дефектом, что может возникать при определенных параметрах нагрузки на валу электродвигателя, на спектре вибрационного сигнала может возникнуть несколько гармоник частоты вращения ротора, и обычно все они окружены «коронами». Такая же картина может возникать при наличии механических или электромагнитных ослаблений в электрической машине. Параметр «электромагнитное ослабление» раскрывать мы не будем из-за его специфичности, оставив его для исследования специалистам по электрическим машинам.

В качестве численного ограничения степени проявления этого дефекта можно считать, что «короны» у исправного двигателя быть не должно. Если она появилась, и наибольший пик «короны» превысил 10 % от центрального пика — вероятность существования отгоревших стержней в обмотке ротора очень большая. Для контроля количественного значения признаков этого дефекта лучше использовать спектры с логарифмической шкалой по амплитуде. Если на нем пики «короны» будут меньше основного пика менее, чем на 20 dВ, то предполагаемый дефект имеет место. 

В заключение, подчеркивая особенности диагностики данной причине повышенной вибрации, необходимо еще раз указать, что такая диагностика возможно только с применением анализаторов спектров с высокой разрешающей способностью. Это нужно для разделения на спектре частот вращения поля, ротора и боковых гармоник. Центральный пик «короны» должен соответствовать частоте вращения ротора, а не быть равным частоте вращения поля в зазоре.

3.2.6.8. Дефекты зубцово — пазовой структуры

Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но, тем не менее, ее можно достаточно просто описать и успешно диагностировать.

Условно эту неисправность можно представить в виде ротора, у которого отсутствует один ферромагнитный зуб. Это приводит к тому, что мимо пазов статора перемещается «магнитный непериодический» элемент, наводящий в обмотке статора импульсы, число которых за один оборот будет численно равно числу пазов на статоре. На спектре вибрационного сигнала это будет представлено пиком на частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число пазов статора.

Не вдаваясь в тонкости физического описания, следует также сказать, что дефектный зуб будет модулировать и электромагнитную силу статора. Это будет происходить потому, что дважды за свой один оборот вращающееся поле «будет натыкаться» на дефект магнитной проводимости воздушного зазора двигателя, на «отсутствующий» зуб ротора. На спектре вблизи пика зубцовой частоты появятся два зеркально расположенных пика, сдвинутых относительно своего «главного пика» на частоту электромагнитной силы FЭМ, как уже неоднократно говорилось равную удвоенной частоте питающей сети.

Наиболее сложным для диагностики будет спектр вибрации при наличии магнитных дефектов на роторе и статоре одновременно, причем дефектов множественных. На спектре будут присутствовать зубцовые частоты ротора и статора, а также будут частоты их биения, зашумленные множественными «зеркальными» пиками.

«Положительным» при этом будет то, что при таком дефекте обычно сильно падает тяговое усилие, возрастает потребляемый ток и двигатель очень быстро выходит из строя, обычно раньше, чем персоналу удается записать спектры и выявить множественный магнитный дефект методами вибрационной диагностики.

Приборы нашего производства для диагностики электромагнитных дефектов

  • ViAna-4 – универсальный 4-хканальный регистратор и анализатор вибросигналов, диагностика электромагнитных дефектов по току

Справка по основным характеристикам электростанций: мощность, напряжение, частота

Если Вы выбираете электростанцию то, скорее всего, Вы уже просмотрели ни один десяток сайтов и описаний различной техники. И вместо ответа на вопрос — какой электрогенератор лучше, возникло еще больше непонимания: фазы, герцы, кВА и кВт. Человеку, который не имеет электротехнического образования, недолго и запутаться. Для того чтобы процесс выбора оборудования был приятным и удобным предлагаем Вашему вниманию краткую и доступную справку по техническим обозначениям в области электрогенераторов.

Мощность

Мощность генераторных установок измеряется в кВА (кило воль-амперы) или в кВт (кило ватты). Ватты (Вт) — это активная потребляемая мощность нагрузки, то есть та мощность, которую в чистом виде потребляют электроприборы для своей работы.

Вольт-Амперы (ВА) — это полная мощность нагрузки, которая включает в себя не только энергию, которая затрачивается на работу электроприборов, но и которая передается электромагнитным полям цепи. Мощность электрогенератора всегда должна превышать сумму мощностей всех подсоединенных электроприборов, то есть полная мощность всегда больше, чем активная. Чтобы понимать сколько нужно полной мощности (Вольт-Ампер), чтобы использовать требуемую мощность (Ватт) на совершение полезной работы потребителем тока, нужно учесть коэффициент мощности. Эта величина характеризует потребитель тока и часто указана в технических паспортах каждого электроприбора. Обычно она варьируется от 0,6 до 1. Для простоты это значение принято считать равным 0.8.

Итак, если Вам известна суммарная мощность потребляемой энергии необходимых электроприборов, то нужно просто разделить это число на 0,8 и вы получите полную мощность, которую необходимо вырабатывать генератору. Таким же образом можно рассчитать, сколько активной мощности выдаст конкретный генератор, если на сайте указаны Вольт-Амперы. Зачастую, компании-поставщики оборудования указывают в каталогах сразу мощность в Ваттах (при некоем усредненном значении cos (fi) = 0.8), чтобы не затруднять клиентов излишними расчётами.

Напряжение

Напряжение различают на постоянное и переменное. У нас нет цели внедряться в глубины физических наук. Единственное, что необходимо понимать в этом вопросе — разницу в приборах-потребителях. Итак, все приборы, которые работают от батарей (настенные часы, будильник, фотоаппарат, мобильный телефон) потребляют постоянное напряжение. Те приборы, которые работают от сети, то есть включаются в розетку, потребляют переменное напряжение.

Частота

Понятие частота относится к переменному току, который периодически изменяет свою силу или направление. Наиболее часто применяется ток, изменяющийся по синусоидальному закону. Период переменного тока — наименьший промежуток времени, через который изменения силы тока повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах (Гц). Один герц соответствует одному периоду в секунду.

Частота основной сети различается в разных странах. В России стандарт частоты электрического тока составляет 50 Гц, а в Америке, например, 60 Гц. Это не много и не мало, везде свои стандарты. Так как в нашей стране есть свой стандарт, то и генераторная установка должна давать электричество с этой частотой, чтобы в вашем доме все работало исправно.


герц [Гц] в киловатт-час [кВт·ч] • Конвертер энергии и работы • Популярные конвертеры единиц • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Газовая горелка

Общие сведения

Энергия — физическая величина, имеющая большое значение в химии, физике, и биологии. Без нее жизнь на земле и движение невозможны. В физике энергия является мерой взаимодействия материи, в результате которого выполняется работа или происходит переход одних видов энергии в другие. В системе СИ энергия измеряется в джоулях. Один джоуль равен энергии, расходуемой при перемещении тела на один метр силой в один ньютон.

Энергия в физике

Кинетическая и потенциальная энергия

Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v равна работе, выполняемой силой, чтобы придать телу скорость v. Работа здесь определяется как мера действия силы, которая перемещает тело на расстояние s. Другими словами, это энергия движущегося тела. Если же тело находится в состоянии покоя, то энергия такого тела называется потенциальной энергией. Это энергия, необходимая, чтобы поддерживать тело в этом состоянии.

Гидроэлектростанция имени сэра Адама Бэка. Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада.

Например, когда теннисный мяч в полете ударяется об ракетку, он на мгновение останавливается. Это происходит потому, что силы отталкивания и земного притяжения заставляют мяч застыть в воздухе. В этот момент у мяча есть потенциальная, но нет кинетической энергии. Когда мяч отскакивает от ракетки и улетает, у него, наоборот, появляется кинетическая энергия. У движущегося тела есть и потенциальная и кинетическая энергия, и один вид энергии преобразуется в другой. Если, к примеру, подбросить вверх камень, он начнет замедлять скорость во время полета. По мере этого замедления, кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Это преобразование происходит до тех пор, пока запас кинетической энергии не иссякнет. В этот момент камень остановится и потенциальная энергия достигнет максимальной величины. После этого он начнет падать вниз с ускорением, и преобразование энергии произойдет в обратном порядке. Кинетическая энергия достигнет максимума, при столкновении камня с Землей.

Закон сохранения энергии гласит, что суммарная энергия в замкнутой системе сохраняется. Энергия камня в предыдущем примере переходит из одной формы в другую, и поэтому, несмотря на то, что количество потенциальной и кинетической энергии меняется в течение полета и падения, общая сумма этих двух энергий остается постоянной.

Производство энергии

Люди давно научились использовать энергию для решения трудоемких задач с помощью техники. Потенциальная и кинетическая энергия используется для совершения работы, например, для перемещения предметов. Например, энергия течения речной воды издавна используется для получения муки на водяных мельницах. Чем больше людей использует технику, например автомобили и компьютеры, в повседневной жизни, тем сильнее возрастает потребность в энергии. Сегодня большая часть энергии вырабатывается из невозобновляемых источников. То есть, энергию получают из топлива, добытого из недр Земли, и оно быстро используется, но не возобновляется с такой же быстротой. Такое топливо — это, например уголь, нефть и уран, который используется на атомных электростанциях. В последние годы правительства многих стран, а также многие международные организации, например, ООН, считают приоритетным изучение возможностей получения возобновляемой энергии из неистощимых источников с помощью новых технологий. Многие научные исследования направлены на получение таких видов энергии с наименьшими затратами. В настоящее время для получения возобновляемой энергии используются такие источники как солнце, ветер и волны.

Энергия для использования в быту и на производстве обычно преобразуется в электрическую при помощи батарей и генераторов. Первые в истории электростанции вырабатывали электроэнергию, сжигая уголь, или используя энергию воды в реках. Позже для получения энергии научились использовать нефть, газ, солнце и ветер. Некоторые большие предприятия содержат свои электростанции на территории предприятия, но большая часть энергии производится не там, где ее будут использовать, а на электростанциях. Поэтому главная задача энергетиков — преобразовать произведенную энергию в форму, позволяющую легко доставить энергию потребителю. Это особенно важно, когда используются дорогие или опасные технологии производства энергии, требующие постоянного наблюдения специалистами, такие как гидро- и атомная энергетика. Именно поэтому для бытового и промышленного использования выбрали электроэнергию, так как ее легко передавать с малыми потерями на большие расстояния по линиям электропередач.

Опоры линии электропередачи возле гидроэлектростанции имени сэра Адама Бека. Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада.

Электроэнергию преобразуют из механической, тепловой и других видов энергии. Для этого вода, пар, нагретый газ или воздух приводят в движение турбины, которые вращают генераторы, где и происходит преобразование механической энергии в электрическую. Пар получают, нагревая воду с помощью тепла, получаемого при ядерных реакциях или при сжигании ископаемого топлива. Ископаемое топливо добывают из недр Земли. Это газ, нефть, уголь и другие горючие материалы, образованные под землей. Так как их количество ограничено, они относятся к невозобновляемым видам топлива. Возобновляемые энергетические источники — это солнце, ветер, биомасса, энергия океана, и геотермальная энергия.

В отдаленных районах, где нет линий электропередач, или где из-за экономических или политических проблем регулярно отключают электроэнергию, используют портативные генераторы и солнечные батареи. Генераторы, работающие на ископаемом топливе, особенно часто используют как в быту, так и в организациях, где совершенно необходима электроэнергия, например, в больницах. Обычно генераторы работают на поршневых двигателях, в которых энергия топлива преобразуется в механическую. Также популярны устройства бесперебойного питания с мощными батареями, которые заряжаются когда подается электроэнергия, а отдают энергию во время отключений.

Электростанция компании Florida Power and Light. Порт-Эверглейд, Флорида, США. Эта электростанция состоит из четырех блоков и работает на газе и нефти.

Энергия, получаемая при сгорании ископаемого топлива

Ископаемое топливо образуется в земной коре при высоком давлении и температуре из органических веществ, то есть остатков растений и животных. В основном, такое топливо содержит большое количество углерода. При его сгорании выделяется энергия, а также диоксид углерода (CO₂), один из парниковых газов. Именно ископаемое топливо — основной источник энергии на данный момент. Однако, выделяемые при его использовании парниковые газы представляют серьезную угрозу окружающей среде и усугубляют глобальное потепление. Также, использование этого топлива ведет к быстрому его расходу, и человечество может остаться без топлива, если будет полностью зависеть только от ископаемого сырья.

Градирни атомной электростанции. Фотография из архива сайта 123RF.com.

Атомная энергия

Атомная энергия — один из альтернативных видов энергии. Она выделяется во время контролируемой ядерной реакции деления, во время которой ядро атома делится на более мелкие части. Энергия, которая выделяется во время этой реакции, нагревает воду и превращает ее в пар, который движет турбины.

Атомная энергетика небезопасна. Самые известные за последние годы аварии произошли на Чернобыльской атомной электростанции (АЭС) на Украине, на АЭС Три-Майл-Айленд в США, и на АЭС Фукусима-1 в Японии. После Фукусимской трагедии многие страны начали пересматривать внутреннюю политику использования атомной энергии, и некоторые, например Германия, решили от нее отказаться. На данный момент Германия разрабатывает программу перехода на другие виды энергоснабжения и безопасного закрытия действующих электростанций.

Кроме аварий есть еще проблема хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Часть отработавшего ядерного топлива используют в производстве оружия, в медицине, и в других отраслях промышленности. Однако большую часть радиоактивных отходов использовать нельзя и поэтому необходимо обеспечивать их безопасное захоронение. Каждая страна, в которой построены атомные электростанции, хранит эти отходы по-своему, и во многих странах приняты законы, запрещающие их ввоз на территорию страны. Радиоактивные отходы обрабатывают, чтобы они не попадали в окружающую среду, не разлагались, и их было удобно хранить, например, делая их более компактными. После этого их отправляют на захоронение в долгосрочных хранилищах на дне морей и океанов, в геологических структурах, или в бассейнах и специальных контейнерах. С хранением связаны такие проблемы как высокая стоимость переработки и захоронения, утечка радиоактивных элементов в окружающую среду, нехватка мест для хранения, и возможность совершения террористических актов на объектах захоронения радиоактивных отходов.

Атомная электростанция в Пикеринге, Онтарио, Канада

Гораздо более безопасная альтернатива — это производство ядерной энергии с помощью термоядерной реакции. Во время этой реакции несколько ядер сталкиваются на большой скорости и образуют новый атом. Это происходит потому, что силы, отталкивающие ядра друг от друга, на маленьком расстоянии слабее, чем силы, их притягивающие. Во время термоядерной реакции тоже образуются радиоактивные отходы, но они перестают быть радиоактивными приблизительно через сто лет, в то время как отходы реакции деления не распадаются на протяжении нескольких тысяч лет. Топливо, требуемое для термоядерных реакций менее дорогое, чем для реакций деления. Энергетические затраты на термоядерные реакции на данный момент не оправдывают их использования в энергетике, но ученые надеются, что в ближайшем будущем это изменится и АЭС во всем мире смогут получать атомную энергию именно таким способом.

Возобновляемая энергия

Другие альтернативные виды энергии — это энергия солнца, океана, и ветра. Технологии производства такой энергии пока не развиты в такой степени, чтобы человечество могло отказаться от использования ископаемого топлива. Однако, благодаря государственным субсидиям, а также тому, что они не причиняют много вреда окружающей среде, эти виды энергии становятся все более популярными.

Фотоэлектрическая панель

Энергия солнца

Эксперименты по использованию энергии солнца начались еще в 1873 году, но эти технологии не получили широкого распространения до недавнего времени. Сейчас солнечная энергетика быстро развивается, во многом благодаря государственным и международным субсидиям. Первые солнечные энергоцентры появились в 1980-х. Солнечную энергию чаще собирают и преобразуют в электроэнергию с помощью солнечных батарей. Иногда используют тепловые машины, в которых воду нагревают солнечным теплом. В результате образуется водяной пар, который и приводит в движение турбогенератор.

Ветряная турбина в комплексе Эксибишн Плейс. Торонто, Онтарио, Канада.

Энергия ветра

Человечество использовало энергию ветра на протяжении многих веков. Впервые ветер начали использовать в мореходстве около 7000 лет назад. Ветряные мельницы используются несколько сотен лет, а первые ветротурбины и ветрогенераторы появились в 1970-х.

Энергия океана

Энергия приливов и отливов использовалась еще во времена Древнего Рима, но энергию волн и морских течений люди начали использовать недавно. В настоящее время большинство приливных и волновых электростанций только разрабатывается и испытывается. В основном проблемы связаны с высокой стоимостью строительства таких станций, и недостатками сегодняшних технологий. В Португалии, Великобритании, Австралии и США сейчас эксплуатируются волновые электростанции, однако многие из них все еще находятся в стадии опытной эксплуатации. Ученые считают, что в будущем энергия океана станет одной из основных направлений «зеленой энергии».

Приливная турбина в Канадском музее науки и техники в Оттаве

Биотопливо

При сжигании биотоплива выделяется энергия, которую растения переработали из солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Биотопливо широко используется как в бытовых целях, например для обогрева жилья и приготовления пищи, так и в качестве топлива для транспорта. Из растений и животных жиров производят разновидности биотоплива — этиловый спирт и масла. В автотранспорте используется биодизельное топливо либо в чистом виде, либо в смеси с другими видами дизельного топлива.

Геотермальная энергетика

Энергия земного ядра хранится в виде тепла. Земная кора была нагрета до очень высокой температуры с момента ее формирования и до сих пор поддерживает высокую температуру. Радиоактивный процесс распада минералов в недрах Земли также выделяет тепло. До недавнего времени получить доступ к этой энергии можно было только на стыках земных пластов, в местах образования горячих источников. Совсем недавно началась разработка геотермальных скважин и в других географических регионах для того, чтобы начать использовать эту энергию для получения электричества. На данный момент стоимость энергии, полученной из таких скважин, очень высокая, поэтому геотермальная энергия не используется так широко, как другие виды энергии.

Река Ниагара, возле электростанции имени Вильяма Б. Ранкина. В 2009 году она была выведена из эксплуатации. Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — еще одна альтернатива ископаемому топливу. Гидроэнергия считается «чистой», так как по сравнению со сжиганием ископаемого топлива, ее производство приносит меньше вреда окружающей среде. В частности, при получении гидроэнергии выброс парниковых газов незначителен.

Гидроэнергия вырабатывается потоком воды. Человечество широко использует этот вид энергии на протяжении многих веков и ее производство остается популярным благодаря ее низкой себестоимости и доступности. Гидроэлектростанции (ГЭС) собирают и преобразуют кинетическую энергию течения речной воды и потенциальную энергию воды в резервуарах с помощью плотин. Эта энергия приводит в движение гидротурбины, которые преобразует ее в электроэнергию. Плотины устроены так, чтобы можно было использовать разницу в высотах между резервуаром, из которого вытекает вода, и рекой, в которую перетекает вода.

Гидроэлектростанция имени Роберта Мозэса. Льюистон, штат Нью-Йорк, США

Несмотря на плюсы гидроэнергетики, с ней связан ряд проблем, таких как вред, наносимый экосфере при строительстве плотин. Такое строительство нарушает экосистемы, и живые организмы оказываются отрезанными от жизненно важной среды в экосистеме. Например, рыбы не могут проплыть вверх по течению на нерест и не всегда приспосабливаются к новым условиям. Общественность не всегда может контролировать работу энергетических компаний, поэтому в результате строительства новых ГЭС может возникнуть гуманитарный кризис. Примером такого кризиса является выселение жителей в результате строительства ГЭС «Три ущелья» в Китае. При постройке этой ГЭС правительством Китая было выселено более 1,2 миллиона жителей и затоплена огромная площадь, включая поля, промышленные зоны, города, и поселки. Бытовые и производственные отходы были смыты и засорили новое водохранилище, отравляя растения и рыб. Из-за огромного количества воды в резервуаре в регионе увеличилась сейсмическая активность. В 2011 году Китайское правительство признало эту и некоторые другие проблемы.

Энергия в диетологии и спорте

Калории в диетологии

Эти количества сахара, яблока, банана и салями содержат одну пищевую калорию

Энергию в спорте и диетологии обычно измеряют в килоджоулях или пищевых калориях. Одна такая калория равна 4,2 килоджоуля, одной килокалории, или тысяче калорий, используемых в физике. По определению одна пищевая калория — это количество энергии, нужное, чтобы нагреть один килограмм воды на один кельвин. В диетологии пищевые калории обычно называют просто калориями, что мы и будем делать в дальнейшем в этой статье. Иногда это вызывает путаницу, но обычно читатель может понять по контексту, о каких единицах идет речь. Большинство пищевых продуктов содержит калории. Так, например, в одном грамме жира — 9 калорий, в грамме углеводов и белков — по 4 калории в каждом, а в алкоголе — 7 калорий на грамм. Некоторые другие вещества также содержат калории. Эта энергия выделяется во время обмена веществ, и используется организмом для поддержания жизнедеятельности.

Люди, пытающиеся похудеть, часто подсчитывают калории, поглощаемые при принятии пищи, и вычитают из этой суммы калории, использованные во время физической нагрузки. Это делается, чтобы сравнить число неиспользованных на физическую нагрузку калорий с ежедневными энергетическими потребностями тела в расслабленном состоянии. Обычно, чтобы похудеть, число оставшихся калорий должно быть меньше, чем требуется телу для поддержания организма в спокойном состоянии. В то же время, врачи и диетологи считают опасным употреблять менее 1000 калорий в день. Энергетические потребности тела в состоянии отдыха можно вычислить по формуле, которая учитывает возраст, рос, и вес человека. Эта формула рассчитана на среднего человека, но каждый организм хранит и расходует энергию по-своему, в зависимости от потребностей. Поэтому не всегда удается худеть, даже потребляя меньше калорий, чем требуется организму согласно этой формуле. Организм часто приспосабливается к недостатку калорий, замедляя обмен веществ. В результате потребность в энергии падает, и подсчеты ежедневных энергетических потребностей человека по формуле приводят к ошибочным результатам. Несмотря на это, многие диетологи рекомендуют желающим похудеть вести ежедневный учет потребления калорий.

Фотографии из архива сайта iStockphoto.com

Калорийность — важное понятие в диетологии, которое помогает определить насколько энергетически полезна данная еда для организма. Считают калорийность, путем определения количества калорий в одном грамме пищевого продукта. Продукты с низкой калорийностью обычно содержат много воды. Она заполняет желудок, и у человека возникает ощущение сытости. В результате он потребляет меньшее число калорий по сравнению с другой едой. Например, в одной стограммовой шоколадке содержится 504 калории. Для сравнения, такая шоколадка займет немного менее половины стакана. В полутора стаканах или в 320 граммах белого мяса вареной индейки с низким содержанием жира и без кожи содержится приблизительно столько же калорий. Такое же количество калорий содержится и в 6,3 килограммах огурцов, то есть, в 25 чашках. Этот же пример с уменьшенными порциями выглядит так: примерно 50 калорий содержится в одной шоколадной конфете, столовой ложке индейки, и шести стаканах огурцов. После такой порции огурцов вряд ли захочется есть, а после одной шоколадной конфеты многие потянутся за второй и третьей. Еда с высокой калорийностью — это обычно вредная жирная и сладкая пища, которую стоит избегать. Людям на диете очень полезно знать калорийность разных продуктов, но не стоит забывать, что при составлении меню необходимо учитывать не только калорийность, но и общую полезность каждого продукта. Чтобы добиться максимальных результатов и улучшить здоровье, питание должно быть сбалансировано.

Пищевая ценность — другое полезное понятие в диетологии. Это соотношение питательных и полезных веществ необходимых организму, например витаминов, клетчатки, антиоксидантов и минералов, к энергетической ценности еды. Так, продукты с высокой пищевой ценностью содержат большое количество полезных веществ на каждую калорию продукта. И наоборот, существуют продукты с «пустыми калориями», то есть, с очень малым количеством полезных веществ и низкой питательностью. Алкоголь, сладости, чипсы — это некоторые примеры такой еды. Их лучше всего исключить из рациона, или, по крайней мере, ограничить, потому что они не обеспечивают организм достаточным количеством необходимых для жизни полезных веществ.

Калории в спорте

Энергия нужна человеку и животным, чтобы поддержать основной обмен веществ, то есть метаболизм организма в состоянии покоя. Это — энергия для поддержания работы мозга, тканей, и других органов. Также энергия нужна для каждодневной физической нагрузки и упражнений. При уменьшении жировой и увеличении мышечной массы основной обмен веществ ускоряется, а потребность в энергии — увеличивается. Поэтому, любая программа по оздоровлению организма и похудению должна основываться не только на уменьшении жира, но и на увеличении мышечной массы. Для этого важно не только правильно питаться, но и заниматься спортом, особенно упражнениями, которые помогают развивать мышцы.

Количество энергии, потраченной при упражнениях, зависит от того, были ли они аэробными, или анаэробными. При аэробных упражнениях кислород расщепляет глюкозу, и при этом выделяется энергия. Во время анаэробных упражнений кислород для этого процесса не используется; вместо него энергия вырабатывается при реакции креатинфосфата с глюкозой. Анаэробные упражнения способствуют росту мышц, они кратковременны и интенсивны. Примерами таких видов спорта являются бег на короткие дистанции и тяжелая атлетика. Их невозможно продолжать долго из-за того, что в процессе получения энергии вырабатывается молочная кислота. Ее избыток в крови вызывает боль, и если человек, несмотря на это продолжает упражнение, он может потерять сознание. Аэробные упражнения, напротив, можно продолжать в течении длительного времени, так как они менее интенсивны, и главное в них — выносливость. К таким упражнениям относятся бег на длинные дистанции, плавание и аэробика. С их помощью развивается выносливость мышц сердца и дыхательной системы, а также сжигается жир и улучшается кровообращение.

Café De Paris, Квебек, Канада

Энергия и борьба с лишним весом

Несмотря на то, что недостаток энергии, по отношению к затратам, обычно ведет к похудению, это не всегда так, и часто после первочального похудения человек перестает худеть, или даже набирает вес, несмотря на строгое соблюдение диеты. Это происходит из-за адаптации организма к недостатку калорий, например, в результате замедления обмена веществ. В таких случаях советуют изменить распорядок упражнений и меню, например, временно сменить вид спорта и попробовать менять дневную норму калорий. Например, каждый день можно потреблять либо больше, либо меньше калорий относительно установленной дневной нормы, или можно вместо дневной нормы установить недельную норму потребления калорий.

Очень важно помнить, что для поддержания быстрого и здорового обмена веществ организму необходима мышечная масса. Поэтому здоровые диеты должны совмещаться с упражнениями, направленными на развитие мышц. Жир весит меньше, чем мышцы, поэтому когда вследствие диет и упражнений увеличивается мышечная и уменьшается жировая масса, то общий вес увеличивается, несмотря на то, что организм становится более здоровым. Поэтому при оздоровлении организма следить только за потерей веса неправильно. Конечной целью лучше поставить потерю жира и развитие мышц. Это относится как к мужчинам, так и к женщинам. Кроме взвешивания можно измерять процент жировых тканей в организме или проверять изменения в объеме талии, бедер, и других частей тела, где организм откладывает жир. Диетологи и тренеры советуют стремиться к снижению процента жира до 14-24% женщинам, и 6-17% мужчинам.

Энергетический напиток Red Bull

Еще один вариант диеты — постепенное увеличение или уменьшение количества калорий в еде на протяжении определенного времени. После этого необходимо всегда возвращаться назад к установленной норме. Диетологи также советуют разнообразить количество продуктов во время каждого приема пищи, а также, основной вид еды. Например, можно попробовать в первый день съесть на обед немного богатых углеводами продуктов, а на следующий день съесть большой обед из овощей и белковых продуктов. Главное, чтобы организм не привыкал к одинаковому виду еды и количеству калорий при каждом приеме пищи, и не мог приспособиться к нехватке энергии, замедляя метаболизм. Многие диеты и упражнения направлены на то, чтобы ускорить метаболизм, потому что это позволяет организму тратить энергию, а не откладывать ее в жир. Поэтому, составляя план питания и упражнений, необходимо помнить об этой проблеме адаптации организма. Также важно заниматься анаэробными упражнениями, чтобы увеличить мышечную массу. Система из разных упражнений, к которым организм не может полностью привыкнуть, также поможет избежать адаптации.

Энергетические напитки

Рекламодатели часто используют слово «энергия» в рекламных целях. Так, например, рекламируются энергетические напитки, повышающие работоспособность и бодрость. В них обычно содержатся психостимуляторы, такие как кофеин, много сахара, и иногда — витамины и экстракты лечебных трав. Психостимуляторы используются для того, чтобы за короткий срок организм выработал максимальное количество энергии. При этом повышается ток крови, артериальное давление, пульс, и температура. В мозг поступает больше кислорода, и усиливаются ощущения бодрости, силы, и энергии. Энергетические напитки, несмотря на их название, нельзя употреблять во время занятий спортом, так как они нарушают электролитический баланс в организме. Высокое содержание психостимуляторов действительно на короткое время повышает бодрость, но вскоре после этого происходит спад и «ломка», напоминающая период отвыкания от сахара, кофеина и алкоголя. Многие испытывают другие побочные явления, включая тошноту, рвоту, головные боли, высокое артериальное давление, и бессонницу. Врачи рекомендуют воздержаться от употребления энергетических напитков. Использование естественной энергии организма и своевременный отдых намного лучше для организма, чем употребление психостимуляторов.

Литература

Автор статьи: Kateryna Yuri

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Что такое герцы в электричестве?

Обновлено 6 ноября 2018 г.

Крис Дезиел

Вы слышите термин герц в электричестве, а также при обсуждении передачи электромагнитных волн, примерами которых являются свет и радиоволны, и скорости компьютерных процессоров. Общим фактором всех этих явлений является то, что они связаны с колебаниями определенного типа, и для измерения частоты этих колебаний используется единица герц. Это имеет простой смысл.Один герц — это просто один цикл в секунду. Обычно его пишут в сокращенной форме — Гц. Таким образом, вместо записи 100 циклов в секунду ученые записывают 100 Гц.

Электроэнергия, от которой питаются дома во всем мире, известна как AC — переменный ток — электричество. Переменный ток не протекает напрямую между парой клемм, а колеблется, а количество циклов в секунду выражается в герцах. Частота вырабатываемой электроэнергии не одинакова в каждой стране, но она составляет 60 Гц во всей Северной Америке.В общем, электромагнитная энергия состоит из колебательных сигналов, и частота колебаний, выраженная в Гц, определяет характеристики излучения.

Происхождение единицы Герца

Герц назван в честь Генриха Герца (1857–1894), немецкого физика, которому приписывают доказательство существования электромагнитного излучения. Его открытия подтвердили теории, установленные Джеймсом Клерком Максвеллом и изложенные в четырех известных уравнениях, которые установили, что свет и тепло являются электромагнитными явлениями.

Попутно Герц был также первым исследователем, подтвердившим существование фотоэлектрического эффекта, и первым, кто обнаружил радиоволны. Не будучи практичным человеком, Герц не верил, что эти достижения найдут применение в мире, но на самом деле они заложили основу для современной эпохи беспроводной связи. Несмотря на все его достижения, в 1930 году научный мир почтил Герца, назвав в его честь единицу измерения частоты.

Почему вырабатываемая электроэнергия циклична?

Электростанции по всему миру вырабатывают электричество за счет электромагнитной индукции — явления, открытого физиком Майклом Фарадеем и изучаемого физиками на протяжении 19 века.В основе этого явления лежит то, что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в проводнике. Электростанции используют этот принцип, используя пар для вращения большой проводящей катушки в сильном магнитном поле. Из-за вращения катушки генерируемое электричество меняет полярность с каждым оборотом катушки. Он известен как переменный ток, и частота изменения полярности, измеряемая в Гц, зависит от скорости вращения турбины.

Североамериканский стандарт 60 Гц восходит к Николе Тесла, который спроектировал первую электростанцию ​​на Ниагарском водопаде.Тесла обнаружил, что частота 60 Гц была наиболее эффективной для распределения энергии по линиям электропередач. В Европе и некоторых частях Азии, где стандартная частота переменного тока составляет 50 Гц, передача электроэнергии на 15-20 процентов менее эффективна.

Герц в электромагнитном излучении

В любом волновом явлении частота и длина волны являются взаимными величинами. Поскольку все электромагнитное излучение распространяется с одной и той же скоростью — скоростью света — частота излучения уменьшается с увеличением длины волны.Развивая концепции, лежащие в основе квантовой физики, Макс Планк обнаружил, что энергия ( E ) волнового пакета света — кванта — пропорциональна его частоте ( f ). Уравнение: E = hf , где h — постоянная Планка.

Излучение с самой высокой энергией — это излучение с самой высокой частотой, и оно часто измеряется в мегагерцах (10 6 Гц), гигагерцах (10 9 Гц) вплоть до пета герц (10 15 Гц). ).Излучение с частотами в петагерцовом диапазоне может существовать в ядрах черных дыр и квазаров, но не в повседневном земном мире людей.

50 Гц — 60 Гц | КСБ

Источники питания 50 Гц и 60 Гц наиболее часто используются в международных энергосистемах. В некоторых странах (регионах) обычно используется электросеть с частотой 50 Гц, в то время как в других странах используется электросеть с частотой 60 Гц.

  • Переменный ток (AC) периодически меняет направление тока.
  • Цикл — это время циклического изменения тока.
  • Частота — это время изменения тока в секунду в герцах (Гц).
  • Направление переменного тока изменяется 50 или 60 циклов в секунду, в соответствии со 100 или 120 изменениями в секунду, тогда частота составляет 50 Гц или 60 Гц.

ЧТО ТАКОЕ ГЕРЦ?

Герц, короче Гц, — это основная единица измерения частоты в ознаменование открытия электромагнитных волн немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. В 1888 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц (22 февраля 1857 г. — 1 января 1894 г.) первым подтвердил существование радиоволн и внес большой вклад в электромагнетизм, поэтому единица измерения частоты в системе СИ названа в честь Герца. ему.

ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЕТСЯ Hz?

Гц (Герц) — единица измерения частоты цикла вибрации электрической, магнитной, акустической и механической вибрации, то есть количество раз в секунду (цикл / сек).

ЧТО ТАКОЕ 50 ГЕРЦ?

50 Гц (Гц) означает, что ротор генератора вращается 50 циклов в секунду, ток изменяется 50 раз в секунду вперед и назад, направление изменяется 100 раз. Это означает, что напряжение изменяется с положительного на отрицательное и с отрицательного на положительное, этот процесс преобразуется 50 раз в секунду.Электричество 380 В переменного тока и 220 В переменного тока имеют частоты 50 Гц.

Частота вращения двухполюсного синхронного генератора 50 Гц составляет 3000 об / мин. Частота переменного тока определяется числом полюсов генератора p и скоростью n , Гц = p * n /120. Стандартная частота сети составляет 50 Гц, что является постоянным значением. Для двухполюсного двигателя частота вращения n = 50 * 120/2 = 3000 об / мин; для 4-х полюсного двигателя частота вращения n = 50 * 120/4 = 1500 об / мин.

ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ 50 ГЕРЦ?
Когда частота увеличивается, потребление меди и стали в генераторе и трансформаторе уменьшается, а также уменьшается вес и стоимость, но при этом увеличиваются индуктивности электрического оборудования и линии передачи, уменьшаются емкости и увеличиваются потери, тем самым снижение эффективности передачи. Если частота будет слишком низкой, материалы электрооборудования увеличатся, а также станут тяжелыми и дорогостоящими, и огни будут явно мигать.Практика показала, что использование частот 50 Гц и 60 Гц является приемлемым.

МОЖЕТ ЛИ МОТОР 50 ГЕРЦ РАБОТАТЬ НА 60 ГЕРЦ?

Поскольку формула для регулирования синхронной скорости трехфазного двигателя: n = (120 * Гц ) / p , если это 4-полюсный двигатель, то при 50 Гц скорость будет 1500 Об / мин, тогда как при 60 Гц скорость будет 1800 об / мин. Поскольку двигатели являются машинами с постоянным крутящим моментом, то, применив формулу л.с., = ( крутящий момент * n ) / 5252, вы можете увидеть, что при увеличении скорости на 20% двигатель также сможет производить 20% больше лошадиных сил.Двигатель может создавать номинальный крутящий момент на обеих частотах 50/60 Гц. Применяется только в том случае, если соотношение В / Гц является постоянным, что означает, что при 50 Гц напряжение питания должно быть 380 В, а при 60 Гц напряжение питания потребуется. составлять 460 В. В обоих случаях соотношение В / Гц составляет 7,6 В / Гц.

ЧТО ТАКОЕ 60 ГЕРЦ?

При 60 Гц ротор генератора вращается 60 циклов в секунду, ток меняется 60 раз в секунду вперед и назад, направление меняется 100 раз. Это означает, что напряжение изменяется с положительного на отрицательное и с отрицательного на положительное, этот процесс преобразуется 60 раз в секунду.Электричество 480 В переменного тока и 110 В переменного тока имеют частоты 60 Гц.

Скорость двухполюсного синхронного генератора 60 Гц составляет 3600 об / мин. Частота переменного тока определяется числом полюсов генератора p и скоростью n, частот. = р * п / 120. Стандартная частота сети составляет 60 Гц, что является постоянным значением. Для 2-полюсного двигателя частота вращения n = 60 * 120/2 = 3600 об / мин; для 4-полюсного двигателя частота вращения n = 60 * 120/4 = 1800 об / мин.

КАК ИЗМЕНИТЬ 60 Гц НА 50 Гц

Преобразователь частоты может преобразовывать мощность переменного тока с фиксированной частотой (50 Гц или 60 Гц) в переменную частоту, мощность переменного напряжения с помощью преобразования переменного тока → постоянного тока → переменного тока, выводить чистую синусоидальную волну, и регулируемая частота и напряжение.Это отличается от частотно-регулируемого привода, который предназначен только для управления скоростью двигателя, а также от обычного стабилизатора напряжения. Идеальный источник питания переменного тока — это стабильная частота, стабильное напряжение, сопротивление примерно равно нулю и форма волны напряжения — чистая синусоида (без искажений). Выходной сигнал преобразователя частоты очень близок к идеальному источнику питания, поэтому все больше и больше стран используют источник питания преобразователя частоты в качестве стандартного источника питания, чтобы обеспечить наилучшую среду электропитания для приборов для оценки их технических характеристик.

50 Гц против 60 Гц ПРИ РАБОЧЕЙ СКОРОСТИ

Основное различие между 50 Гц (Герцы) и 60 Гц (Герцы) просто состоит в том, что частота 60 Гц на 20% выше по частоте. Для генератора или насоса с асинхронным двигателем (простыми словами) это означает 1500/3000 об / мин или 1800/3 600 об / мин (для 60 Гц). Чем ниже частота, тем меньше потери в стали и потери на вихревые токи. Уменьшите частоту, скорость асинхронного двигателя и генератора будет ниже. Например, при 50 Гц генератор будет работать со скоростью 3000 об / мин против 3600 об / мин при 60 Гц.Механические центробежные силы будут на 20% выше в случае 60 Гц (стопорное кольцо обмотки ротора должно выдерживать центробежную силу при проектировании).

Но с более высокой частотой выходная мощность генератора и асинхронных двигателей будет выше для двигателя / генератора того же размера из-за более высокой скорости на 20%.

50 Гц VS 60 Гц ПО КПД

Конструкция таких магнитных машин такова, что они действительно одно или другое. В некоторых случаях это может сработать, но не всегда. Переключение между разными частотами источника питания, безусловно, повлияет на эффективность и может означать необходимость снижения номинальных значений.Между системами 50 Гц и 60 Гц существует небольшая реальная разница, если оборудование рассчитано на соответствующую частоту.

Важнее иметь стандарт и придерживаться его. Более существенное различие состоит в том, что системы 60 Гц обычно используют 110 В (120 В) или около того для внутреннего источника питания, в то время как системы 50 Гц обычно используют 220 В, 230 В и т. Д. Для разных стран. Это приводит к тому, что домашняя проводка должна быть в два раза больше сечения для системы 110 В при той же мощности.Однако оптимальной считается система около 230 В (размер провода и требуемая мощность по сравнению с безопасностью).

60 Гц ЛУЧШЕ, ЧЕМ 50 Гц?

Нет большой разницы между 50 Гц и 60 Гц, в принципе ничего плохого или хорошего. Для независимого энергетического оборудования, такого как корабли, самолеты или изолированные области, такие как газовые / масляные установки, может быть разработана любая частота (например, 400 Гц) в зависимости от пригодности.

Источник: http://www.gohz.com/difference-between-50hz-and-60hz-frequency

РАБОТА ДВИГАТЕЛЕЙ 60 ГЦ, 50 ГЦ быть специально спроектированным и изготовленным для 50 Гц.Часто доставка продуктов с частотой 50 Гц такова, что желателен альтернативный курс действий с использованием продуктов с частотой 60 Гц.

Общие правила эксплуатации двигателей 60 Гц в системах 50 Гц касаются того факта, что напряжение за цикл должно оставаться постоянным при любом изменении частоты. Кроме того, поскольку двигатель будет работать только на пяти шестых от скорости 60 Гц, выходная мощность в лошадиных силах при 50 Гц ограничена максимум пятью шестыми от номинальной мощности.

Источник: U.S. Motors http://www.usmotors.com/TechDocs/ProFacts/50Hz-Operation-60Hz.aspx

ЧТО НУЖНО УЧИТАТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ 50 ГЦ ПРИ 60 ГЦ?

Машины, импортируемые в США, часто рассчитаны на рабочую частоту 50 Гц — если они не предназначены для работы с частотой 60 Гц. Это может быть проблематичным для электродвигателей. Это особенно актуально при работе с насосом и вентилятором.

Часто дистрибьюторы и покупатели этого оборудования предполагают, что производитель оригинального оборудования принял это во внимание.Это распознается, когда двигатели поступают в ремонт, разгоряченные от перегрузки.

Преобразователь частоты (VFD) может использоваться для правильного решения проблем, связанных с работой оборудования с частотой 50 Гц и частотой 60 Гц.

Скорость двигателя прямо пропорциональна рабочей частоте. Изменение рабочей частоты насоса или вентилятора увеличивает рабочую скорость и, следовательно, увеличивает нагрузку на двигатель. Нагрузка насоса или вентилятора — это нагрузка с переменным крутящим моментом. Нагрузка с переменным крутящим моментом зависит от куба скорости.

Двигатель 50 Гц, работающий на частоте 60 Гц, будет пытаться вращаться с увеличением скорости на 20%. Нагрузка станет в 1,23 (1,2 x 1,2 x 1,2) или в 1,73 раза больше (173%), чем на исходной частоте. Переконструировать двигатель для такого увеличения мощности невозможно.

Одним из решений может быть модификация приводного оборудования для уменьшения нагрузки. Это может включать в себя обрезку диаметра крыльчатки вентилятора или крыльчатки для обеспечения такой же производительности при 60 Гц, как и у агрегата при 50 Гц.Для этого потребуется консультация с производителем оборудования. Есть и другие соображения, связанные с увеличением скорости помимо увеличения нагрузки. К ним относятся механические ограничения, пределы вибрации, рассеивание тепла и потери.

Лучшее решение — использовать двигатель с той скоростью, для которой он был разработан. Если это 50 Гц, то можно установить частотно-регулируемый привод. Эти приводы преобразуют сетевую мощность 60 Гц в мощность 50 Гц на клеммах двигателя.

Это решение дает множество других преимуществ.К этим преимуществам относятся:

  • повышенная эффективность
  • регулировка мощности (часто лучше, чем поставляет электросеть)
  • защита двигателя от перегрузки по току
  • улучшенное управление скоростью
  • программируемый выход для выполнения других задач
  • повышенная производительность.

Источник: Precision Electric, Inc., Автор: Craig Chamberlin , 25 ноября 2009 г.

http: //www.precision-elec.com / faq-vfds-are-there-things-to-attribute-when-working-50-hz-equipment-at-60-hz /

Как измерить частоту — Hioki

Как измеряется частота? Приборы для измерения частоты и меры предосторожности при использовании методов измерения

Обзор

Многие люди не знают о частотах, используемых электрическими продуктами, которые они используют в повседневной жизни. Однако для некоторых устройств указана конкретная поддерживаемая частота, и использование этих продуктов с электричеством на неподдерживаемой частоте создает риск повреждения, пожара и других опасностей.

Некоторое электрическое оборудование, используемое в промышленности, спроектировано для работы на одной фиксированной или переменной частоте. Эта страница представляет собой легкое для понимания введение в фундаментальные знания о методах измерения частоты в контексте электрических измерений.

Правильное обращение с электрооборудованием, зная его частоту

В контексте переменного тока (AC) частота означает количество переключений электричества между положительным и отрицательным током за 1 секунду.Например, частота 30 Гц означает 30 волн в секунду, а частота 60 Гц означает 60 волн в секунду. При частоте 60 Гц волны быстрее чередуются между положительным и отрицательным электричеством.

Хотя в электросети используется одна фиксированная частота, есть опасения, что возрастающая сложность сети, например, из-за роста использования устройств, в которых используется силовая электроника, в частности инверторов, и количества связанных с сетью источников питания. источников, могут отрицательно повлиять на качество электроэнергии, вызывая такие проблемы, как аномалии напряжения и колебания частоты, которые могут повредить изделия.

Инверторы

, типичная технология, позволяющая эффективно использовать электрическую энергию, используются для управления скоростью двигателя путем изменения частоты потребляемой мощности. Изменяя частоту в соответствии с различными условиями, можно управлять скоростью двигателя для достижения эффективной работы.

Приборы для измерения частоты

Существует ряд инструментов, которые можно использовать для измерения частоты.

Мультиметры цифровые

Эти инструменты отображают измеренную частоту в виде числового значения на цифровом дисплее.Поскольку результаты отображаются в числовом виде, этот тип устройства имеет то преимущество, что у него меньше ошибок чтения. Помимо частоты, некоторые модели могут измерять ток, напряжение и другие параметры.

Анализаторы качества электроэнергии

Эти инструменты могут измерять частоту, напряжение, ток, значения мощности и формы сигналов, среди других явлений, чтобы точно определить причины проблем с оборудованием приема энергии и трансформаторами, а также неисправности электронных устройств управления.

Анализаторы мощности

Эти инструменты используются для измерения напряжения, тока и мощности с высокой степенью точности, включая как компоненты основной частоты, которые доминируют на выходе инвертора, так и гармоники, такие как компоненты несущей частоты.

Осциллографы

Эти инструменты могут наблюдать частотные формы сигналов. Они также могут измерять напряжение.

Многим пользователям необходимо измерять не только частоту, но также ток и напряжение, хотя им, возможно, никогда не понадобится измерять частоты инвертора.В следующем разделе рассказывается, как использовать цифровой мультиметр для измерения частоты в этом типичном сценарии использования.

Как измерить частоту цифровым мультиметром

Для измерения частоты цифровым мультиметром вам понадобится прибор с функцией измерения частоты. Сначала подготовьте цифровой мультиметр для измерения частоты.
Выберите «Hz» с помощью переключателя функций или ручки. Когда на цифровом дисплее отображается «Гц», вы выбрали функцию измерения частоты.

Вставьте красный и черный измерительные провода в клеммы для измерения частоты. Теперь прибор готов к измерению частоты. В большинстве случаев красный измерительный провод следует вставлять в клемму с маркировкой «Hz», а черный измерительный провод следует вставлять в клемму с маркировкой «COM». Некоторые модели могут измерять напряжение и частоту одновременно, а некоторые требуют, чтобы красный измерительный провод был вставлен в клемму «V».Обратитесь к руководству по эксплуатации вашего цифрового мультиметра, чтобы убедиться, что вы вставляете провода в правильные клеммы.

Единственный оставшийся шаг — подключить измерительные провода к цепи, которую вы хотите измерить. Проверьте измеренную частоту на цифровом дисплее, чтобы завершить процесс.

Меры предосторожности при измерении частоты

Цифровые мультиметры

упрощают измерение частоты, но при этом важно помнить о некоторых мерах предосторожности. Прежде чем подключать измерительные провода к какой-либо цепи, убедитесь, что функция измерения прибора настроена на измерение частоты (Гц).Это может привести к повреждению устройства, когда инструмент настроен на другую функцию.

Помните, что при измерении частоты течет ток. Соблюдайте осторожность в отношении риска поражения электрическим током, поскольку даже бытовые розетки находятся под напряжением 100 или 200 В. Кроме того, перемещение поворотного переключателя приводит к переключению измерительных цепей прибором. Непреднамеренная подача напряжения в прибор при выбранном диапазоне сопротивления может вызвать протекание большого тока к прибору, что может привести к срабатыванию автоматического выключателя, возникновению дугового разряда или другой аварии.

Сводка

Существует несколько причин, по которым вам может потребоваться измерение частоты, например, если вы выполняете техническое обслуживание оборудования или переезжаете в район с другой частотой сети. В таких ситуациях вам понадобится цифровой мультиметр или другой прибор, способный измерять частоту.

Цифровые мультиметры

просты в использовании даже для новичков. Почему бы не попробовать измерить частоту, когда это необходимо?

Приложения

Сопутствующие товары

Узнать больше

  • Что такое частота?

    Что означает частота для электричества? Введение в основы частот, региональные факторы и методы измерения

Так хорошо объяснили, Герц — ACUPWR

Когда электричество приходит в наши дома и на предприятия, оно проявляется в виде переменного тока.Прежде чем продолжить, важно знать, что существует два вида электрического тока: постоянный и переменный. DC — это аббревиатура от постоянного тока. DC, как следует из названия, движется напрямую и без какой-либо положительной / отрицательной полярности. Батареи работают от постоянного тока, и внутренние схемы электронных устройств также используют постоянный ток.

переменного тока, или переменного тока, , который был изобретен супергением Николя Тесла еще в 1880 году, является предпочтительным способом доставки электроэнергии от электростанции по линиям электропередач для распределения потребителям, поскольку он более эффективен и менее дорогой.Так было более 100 лет. В основном, мощность переменного тока движется по синусоидальному закону, чередуя положительные и отрицательные полюса. Каждый цикл от положительного к отрицательному приводит к тому, что электроны движутся вперед и назад, положительно (+) и отрицательно (-) с течением времени. В конечном итоге эти циклы создают электрическое тепло или рассеивание мощности. Независимо от того, в каком направлении движется ток (т.е. вперед или назад, положительный или отрицательный), если ток (амперы) и сила (напряжение) достаточны для удовлетворения требований электрического устройства, это устройство будет работать.

Частота сети переменного тока — это количество раз в секунду, когда переменный ток завершает полный цикл на 360 ° между положительным и отрицательным полюсами. График ниже иллюстрирует это.

(любезно предоставлено www.allaboutcircuits.com)

Циклов в секунду измеряется блоком Гц, (Гц), а частота переменного тока зависит от страны, и не обязательно от местного стандарта напряжения. Например, в США, Канаде и других странах при стандартном сетевом напряжении 110–120 В стандарт частоты составляет 60 Гц.В большинстве стран 220–240 В частота составляет 50 Гц, но Южная Корея использует 220–240 В с частотой 60 Гц, как и Перу, Филиппины, Саудовская Аравия и многие страны Карибского бассейна. Часто страны, где есть и 110–120 В, и 220–240 В, тем не менее, используют частоту переменного тока 60 Гц. В их число входят Бразилия, Куба, Белиз и Гайана. Затем есть Япония, в которой стандарт напряжения составляет 100 В, но частота переменного тока составляет 50 и 60 Гц, в зависимости от того, где вы находитесь в этой стране.

Часто большинство электронных устройств могут работать на частоте 50 или 60 Гц. Но — и это большое но — когда дело доходит до моторизованных приборов, в которых используются более мощные двигатели, таких как большие холодильники, морозильники, холодильники, стиральные и сушильные машины и др., Разница в 10 Гц между 50 и 60 составляет также разница между перегоранием мотора, порчей пищи и, по сути, большими машинами, не работающими со 100-процентной эффективностью. Это связано с тем, что двигатели работают быстрее или медленнее, чем они были разработаны.

С учетом необходимости преобразования частоты переменного тока, понижающие трансформаторы напряжения ACUPWR и AUC (от 220-240 В до 110-120 В) и повышающие модели соответственно имеют решение для частоты сети переменного тока, поэтому ваши устройства с двигателем будут с другой частотой все в порядке.Никакой другой трансформатор напряжения на рынке не делает этого! В конце концов, вы можете положиться на ACUPWR для всех ваших потребностей в преобразовании международного напряжения (частота и ).

Мы обсудим важный электромагнитный принцип полярности в в следующей публикации блога ACUPWR Papers.

Урок 44: Частота, длина волны и амплитуда

Теперь, когда вы кое-что знаете о свойствах двух основных типов волн (Урок 43), нам нужно убедиться, что вы можете посмотреть на индивидуальные характеристики, которые могут иметь волны.

  • Не все волны одинаковы!
  • Вы должны быть в состоянии видеть определенные «лица», которые может иметь каждая волна, на основе трех важных характеристик: частоты, длины волны и амплитуды.

Частота

Когда мы впервые начали рассматривать SHM , мы определили период как время, необходимое для завершения одного цикла … секунд на цикл

  • Частота — это то же самое, за исключением того, что мы собираемся все перевернуть.
  • Частота — это мера того, сколько циклов может произойти за определенный промежуток времени… циклов в секунду.
  • Если двигатель работает так, что совершает 50 оборотов за одну секунду, я бы сказал, что он имеет частоту 50 Гц.
  • Герц — это единица измерения частоты и просто означает, сколько циклов в секунду.
    • Сокращенно Гц .
    • Он назван в честь Генриха Герца, одного из членов семьи Герцев, внесших важный вклад в физику.
  • В формулах частота отображается как «f».

Поскольку частота и период являются точной противоположностью друг друга, существует пара очень простых формул, которые можно использовать для вычисления одной, если вы знаете другую…

Эти вычисления очень легко выполнить на калькуляторе с помощью кнопки x -1 .

Пример 1: Период маятника 4,5 с. Определите частоту этого маятника.

Точка означает, что потребуется 4.5 секунд, чтобы маятник один раз качнулся вперед и назад. Итак, я ожидаю, что моя частота будет десятичной, поскольку она совершит долю колебания в секунду.

Длина волны

Длина волны — это свойство волны, которое большинство людей (когда они знают, что искать) может быстро и легко обнаружить и использовать это как способ отличить волны друг от друга. Посмотрите на следующую диаграмму …

Рисунок 1

  • Любые части волны, которые направлены вверх, как горы, называются гребнями.Любая часть, которая спускается вниз, как долина, является желобом.
  • Длина волны определяется как расстояние от определенной высоты на волне до следующего пятна на волне, где она находится на той же высоте и движется в том же направлении.
    • Обычно измеряется в метрах, как и любая длина.
  • Нет специальной точки, в которой нужно начинать волну для измерения длины волны, просто убедитесь, что вы вернулись на ту же высоту, двигаясь в том же направлении.Большинству людей нравится измерять расстояние от одного гребня до следующего гребня (или от впадины до впадины) просто потому, что их легко обнаружить.

Рисунок 2

На продольной волне длина волны измеряется как расстояние между серединами двух сжатий или серединами двух расширений.

Рисунок 3

Это приводит нас к одной из наиболее важных формул, которые вы будете использовать при изучении волн.

  • Частота говорит нам, сколько волн проходит точку в секунду, что является обратной величиной времени .
  • Wavelength сообщает нам длину этих волн в метрах, почти как смещение .
  • Если мы умножим эти два вместе, мы действительно умножим 1 / с и м … что даст нам м / с, скорость волны!

v = скорость волны (м / с)
f = частота (Гц)
λ = длина волны (м)

Пример 2: Измеренная частота волны 60 Гц. Если его длина волны составляет 24 см, определяет , насколько быстро он движется.

Пример 3: Скорость света всегда 3.00e8 м / с. Определите частоту красного света с длиной волны 700 нм.

Будьте осторожны при изменении 700 нм на метры. Некоторые люди действительно увлечены тем, чтобы преобразовать его в обычную научную запись с одной цифрой перед десятичной дробью. Зачем беспокоиться? Он используется только в расчетах. Вы, вероятно, просто сделаете ошибку, изменив степень 10, поэтому просто замените мощность на префикс и оставьте все остальное в покое… 700 нм = 700 x 10 -9 м, так как «нано» — это 10 -9 .

Амплитуда

Амплитуда — это мера размера волны.

  • Представьте себе волну в океане. Это может быть небольшая рябь или гигантское цунами.
    • На самом деле вы видите волны разной амплитуды.
    • Они могут иметь одинаковую частоту и длину волны, но амплитуды волн могут сильно отличаться.

Амплитуда волны измеряется как:

  1. высота от точки равновесия до наивысшей точки гребня или
  2. Глубина от точки равновесия до самой нижней точки желоба

Рисунок 4

Когда вы измеряете амплитуду волны, вы действительно смотрите на энергию волны.

  • Для создания волны большей амплитуды требуется больше энергии.
  • Каждый раз, когда вам нужно помнить об этом, просто подумайте об усилителе домашней стереосистемы … он увеличивает амплитуду волн за счет использования большего количества электроэнергии.

Частота и генераторы переменного тока — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

В предыдущей главе мы узнали, что термин «цикл » означает «» от точки сигнала до того места, где форма сигнала начинает повторяться.Когда мы обсуждаем термин частота , мы имеем в виду, сколько циклов может произойти за одну секунду. Частота измеряется в Гц, (привет Генриху Герцу) или CPS, (циклов в секунду). На частоту генератора переменного тока влияют два фактора: скорость вращения и количество полюсов.

Рисунок 52. Цикл синусоидальной волны

Когда якорь вращается в поле, он начинает формировать форму волны (как мы видели в предыдущей главе). Одно полное механическое вращение якоря создает одну полную синусоидальную волну на двухполюсном генераторе переменного тока.Если двухполюсный генератор переменного тока совершит три полных оборота за одну секунду, он создаст три полных синусоидальных волны за эту одну секунду. Мы бы сказали, что частота составляет три цикла в секунду или три герца (как говорят крутые ребята).

Скорость вращения машины измеряется в оборотах в минуту или об / мин . Однако, когда мы имеем дело с частотой, нас интересуют не минуты, а секунды. Следовательно, число оборотов в минуту необходимо преобразовать в число оборотов в секунду ( об / мин, ).Поскольку в минуте 60 секунд, все, что нам нужно сделать, это разделить число оборотов в минуту на 60, чтобы преобразовать его в число оборотов в секунду.

Например, если якорь вращается со скоростью 1800 об / мин на двухполюсном генераторе переменного тока, мы можем сказать, что он вращается со скоростью 30 оборотов в секунду. Если этот генератор имеет два полюса, то за одну секунду он будет генерировать 30 циклов напряжения. Тогда можно сказать, что он имеет частоту 30 циклов в секунду или 30 Гц. Частота генератора переменного тока прямо пропорциональна скорости вращения генератора.

Если мы добавим полюса к генератору переменного тока, мы сможем изменить частоту. В двухполюсном генераторе переменного тока сторона А якоря (см. Рисунок 53) проходит с севера на юг, а затем с юга на север, чтобы создать одну полную синусоидальную волну. Если мы добавим еще два полюса, как на рисунке 54, то сторона А якоря пройдет мимо двух северных полюсов и двух южных полюсов за один полный механический оборот.

Рис. 53. Двухполюсный генератор переменного тока

Две полные синусоидальные волны создаются за один полный механический оборот.Если двухполюсный генератор переменного тока создает один цикл напряжения за одну секунду (или один герц частоты), четырехполюсный генератор переменного тока создает два цикла напряжения за одну секунду (или два герца).

Частота генератора прямо пропорциональна количеству полюсов генератора.

Рисунок 54. Четырехполюсный генератор переменного тока

Зная, что скорость вращения прямо пропорциональна частоте, а количество полюсов прямо пропорционально частоте, мы можем использовать формулу.Формула выглядит так:

Рисунок 55. Формула частоты

Где…

f = частота в герцах

P = количество полюсов

N = частота вращения в об / мин

Мы делим количество полюсов на два, потому что всегда будет набор из двух полюсов. Северный полюс не может быть без юга. Мы делим обороты на 60, потому что нас интересуют обороты в секунду, а не обороты в минуту. Формулу на рисунке 56 можно объединить так:

Рисунок 56.Комбинированная частотная формула

Это видео покажет вам, как частота связана с числом оборотов в минуту и ​​числом полюсов генератора переменного тока.

Как обороты и количество полюсов влияют на частоту. видео The Electric Academy находится под лицензией Creative Commons Attribution License.

Крайне низкочастотное излучение / линии электропередач

Kelly Classic, сертифицированный медицинский физик

Каждый человек подвергается воздействию сложной смеси электромагнитных полей (ЭМП). различных частот, которые пронизывают нашу окружающую среду.Воздействие на многие частоты ЭДС значительно увеличиваются по мере того, как технологии успехи не ослабевают, и появляются новые приложения. В то время как огромный преимущества использования электричества в повседневной жизни и здравоохранении бесспорно, за последние 20 лет широкая общественность стала все больше обеспокоены потенциальными неблагоприятными последствиями для здоровья воздействие электрических и магнитных полей на очень низких частотах (ELF). Такие риски возникают в основном из-за передачи и использования электрическая энергия на промышленных частотах 50/60 Гц.

Электромагнитные поля состоят из электрического (E) и магнитного (H). волны, путешествующие вместе. Они движутся со скоростью света и характеризуется частотой и длиной волны. Частота просто количество колебаний в волне в единицу времени, измеренное в единицах герц (1 Гц = 1 цикл в секунду), а длина волны равна расстояние, пройденное волной за одно колебание (или цикл).

КНЧ-поля — это поля с частотами до 300 Гц.В такие низкие частоты, длины волн в воздухе очень велики (6000 км на 50 Гц и 5000 км при 60 Гц) и, в практических ситуациях, электрический и магнитные поля действуют независимо друг от друга и измеряются в отдельности.

Электрические поля возникают из-за электрических зарядов. Они управляют движением других обвинений, находящихся в них. Их сила измеряется в единицах вольт на метр (В / м) или киловольт на метр (кВ / м). Когда заряжается накапливаются на объекте, они создают тенденцию к подобному или противоположному отталкиваемые или привлекаемые заряды соответственно.Сила этого тенденция характеризуется напряжением и измеряется в единицах вольт (В). Любое устройство, подключенное к электрической розетке, даже если устройство не включено, с ним будет связано электрическое поле, которое пропорционально напряжению источника, к которому он подключен. Электрические поля наиболее сильны рядом с устройством и уменьшаются с расстояние. Обычные материалы, такие как дерево и металл, защищают от них.

Магнитные поля возникают из-за движения электрических зарядов, то есть Текущий.Их сила измеряется в единицах ампер на метр (А / м). но обычно выражается через соответствующие магнитные индукция измеряется в единицах тесла (Тл) или миллитесла (мТл). В некоторых страны другая единица, называемая гауссом (G), обычно используется для измерение магнитной индукции (10000 Гс = 1 Тл). Любое устройство, подключенное к электрическая розетка, когда прибор включен и есть ток течет, будет иметь соответствующее магнитное поле, сила которого напрямую связан с током, поступающим из источника.Магнитный поля наиболее сильны рядом с устройством и уменьшаются с расстоянием. Наиболее распространенные материалы не защищают их.

Естественные уровни электрического и магнитного поля 50/60 Гц чрезвычайно низкий, порядка 0,0001 В / м и 0,00001 микротесла (мкТл), соответственно. Воздействие на человека полей КНЧ в первую очередь связано с производство, передача и использование электроэнергии для Например, линии электропередач. Электроэнергия от электростанций распространяется по общинам по высоковольтным линиям электропередачи.Трансформаторы используются для понижения напряжения при подключении к жилые распределительные линии, которые доставляют энергию в дома. Электрические и магнитные поля под воздушными линиями электропередачи могут составлять 12 кВ / м и 30 мкТл соответственно. Вокруг создания станции и подстанции, электрические поля до 16 кВ / м и магнитные могут быть найдены поля до 270 мкТл.

Электрические и магнитные поля в домах зависят от многих факторов, включая удаленность от местных линий электропередачи, количество и тип электрические приборы, используемые в доме, а также конфигурация и положение бытовой электропроводки.Электрические поля вокруг большинства бытовые приборы и оборудование обычно не превышают 500 В / м и магнитные поля обычно не превышают 150 мкТл. В обоих случаях поле уровни могут быть значительно выше на малых расстояниях, но они быстро уменьшаются с расстоянием.
На рабочем месте вокруг существуют электрические и магнитные поля. электрооборудование и проводка во всей промышленности. Рабочие, чья работа он предназначен для обслуживания линий передачи и распределения, которые могут подвергаться воздействию очень большие электрические и магнитные поля.В пределах генерирующих станций и подстанции, электрические поля более 25 кВ / м и магнитные поля в может быть превышено 2 мТл. Сварщики могут подвергаться воздействию магнитного поля. воздействие достигает 130 мТл. Рядом с индукционными печами и промышленными Магнитные поля электролитических ячеек могут достигать 50 мТл. Офис рабочие подвергаются воздействию гораздо меньших полей при использовании оборудования такие как копировальные машины и видеотерминалы.

Единственный практический способ взаимодействия полей КНЧ с живыми тканями заключается в наведении в них электрических полей и токов.Тем не менее величина этих наведенных токов от воздействия полей КНЧ на уровни, обычно встречающиеся в нашей среде, меньше, чем токи происходящие в организме естественным путем. Имеющиеся данные о здоровье воздействие электрических полей предполагает, что эффекты воздействия до до 20 кВ / м мало и не имеет никаких последствий для здоровья. Электрические поля не было доказано, что они оказывают какое-либо влияние на воспроизводство или развитие у животных с напряженностью более 100 кВ / м.

Имеется мало подтвержденных экспериментальных доказательств того, что магнитное поле СНЧ поля могут влиять на физиологию и поведение человека при напряженности поля можно найти дома или в окружающей среде.Выявление добровольцев по нескольким часов до полей СНЧ до 5 мТл мало повлияли на ряд клинико-физиологические тесты, в том числе изменения крови, ЭКГ, сердце скорость, артериальное давление и температура тела. Некоторые исследователи сообщили, что воздействие поля снч может подавлять секрецию мелатонина, гормон, связанный с нашим дневным и ночным ритмом. Это было предложено что мелатонин может защищать от рака груди, так что такие подавление может способствовать увеличению заболеваемости раком груди уже инициирован другими агентами.Хотя есть некоторые свидетельства того, что эффекты мелатонина у лабораторных животных, волонтерские исследования не выявили подтвердили такие изменения у людей.

Нет убедительных доказательств того, что воздействие полей СНЧ вызывает прямое повреждение биологических молекул, в том числе ДНК. Таким образом маловероятно, что они могли инициировать процесс канцерогенеза. Однако исследования все еще продолжаются, чтобы определить, может ли воздействие снч влиять на продвижение рака или его совместное продвижение. Недавние исследования на животных показали не обнаружено доказательств того, что воздействие поля снч влияет на заболеваемость раком.В 1979 Вертхаймер и Липер сообщили о связи между детством лейкоз и некоторые особенности проводки, соединяющей их дома с электрические распределительные линии. С тех пор большое количество Для подтверждения этого важного результата были проведены исследования. Анализ этих работ Национальной академией наук США в 1996 г. предположил, что проживание возле линий электропередач было связано с повышенный риск лейкемии у детей (относительный риск RR = 1.5), но не с другими видами рака. Похожая связь между раком и Воздействие на взрослых в жилых помещениях в этих исследованиях не наблюдалось.

Многие исследования, опубликованные за последнее десятилетие по профессиональным воздействие полей КНЧ выявило ряд несоответствий. Они предполагают небольшое повышение риска лейкемии среди электромонтажники. Однако мешающие факторы, такие как возможные воздействие химикатов в рабочей среде, не было во многих из них адекватно учтены.Оценка поля ELF воздействие не коррелировало должным образом с риском рака среди подвергшихся предметы. Следовательно, существует причинно-следственная связь между воздействием поля КНЧ. и рак не подтвержден.

Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) опубликовал руководящие принципы пределов воздействия для всех ЭМП. В руководящие принципы обеспечивают адекватную защиту от известных последствий для здоровья и те, которые могут возникнуть при прикосновении к заряженным объектам во внешнем электрическое поле.Поскольку текущая научная информация слабо наводит на размышления и не устанавливает, что воздействие полей СНЧ на уровнях обычно встречающиеся в нашей среде обитания, могут вызвать неблагоприятные воздействие на здоровье, нет необходимости в каких-либо специальных защитных мерах для представителей широкой общественности. Где есть источники высокого СНЧ в полевых условиях, доступ общественности обычно ограничивается заборы или заграждения, чтобы не было никаких дополнительных защитных мер. нужный.

Защита от воздействия электрического поля 50/60 Гц может быть относительно легко достигается с помощью защитных материалов. Это необходимо только для рабочие на очень высоких полях. Чаще там, где электрические поля очень большие, доступ персонала ограничен. Здесь нет практичный и экономичный способ защиты от магнитных полей СНЧ. Где магнитные поля очень сильные, единственный практический метод защиты имеется возможность ограничить облучение персонала.

Сильные поля КНЧ вызывают электромагнитные помехи (EMI) в кардиостимуляторы или другие имплантированные электромедицинские устройства. Лица, использующие эти устройства, должны обратиться к своему врачу, чтобы определить их восприимчивость к этим эффектам. Офисные работники могут видеть движение изображения на экране своего компьютерного терминала. ELF магнитный поля вокруг клеммы более 1 мкТл (10 мГс) могут вызвать вмешательство в изображение на экране. Простое решение этого проблема состоит в том, чтобы перенести компьютер в другую часть комнаты, где магнитные поля ниже 1 мкТл.Эти магнитные поля находятся рядом с кабелями, подающими электроэнергию в офис или квартиру здания или трансформаторы, связанные с источниками питания для здания. Поля из этих источников обычно намного ниже уровни, вызывающие какие-либо проблемы со здоровьем.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ ЧТЕНИЕ

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *