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

(для регионов бесплатно)

Содержание

Что такое переменный ток: основные понятия

Что такое переменный ток. Определение переменного тока

Переменный ток – это направленное движение заряженных частиц, направление движения которых меняется на противоположное через равные промежутки времени. Если постоянный ток течет в одном направлении и не меняется по величине, то переменный ток может быть в данный момент положительным, а через определенный промежуток времени отрицательным.

Получение переменного тока

Вырабатывают переменный ток генераторы переменного напряжения, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Форма переменного тока может быть различной и зависит от его назначения. Форма переменного тока промышленного назначения и для бытовых нужд населения носит синусоидальный характер.

Он имеет такие характеристики как амплитуда, частота и период. Периодом синусоидального тока является его полный цикл колебания и измеряется временем совершения одного цикла колебания. Такие циклы повторяются и поэтому переменный ток еще называют циклическим.

Период обозначается буквой Т и выражается в секундах. Другим параметром синусоидального тока является частота, которая обратно пропорциональна периоду т. е. F = 1/Т. Если период переменного тока равен 1 секунде, то частота его будет равна 1 Гц.

Период, частота и амплитуда переменного тока

Существует два стандарта переменного тока – это 50 Гц и 60 Гц. В России используется частота сети 50 Гц, а в Канаде и США 60 Гц. Такой параметр как амплитуда, определяется его наибольшей величиной в определенный промежуток времени, она может иметь отрицательное или положительное значение.

Что такое трехфазный переменный ток

Если два синусоидальных сигнала одновременно достигают наибольшей амплитуды и нуля, то можно говорить что эти сигналы имеют одинаковую фазу, т. е. совпадают по фазе. Если эти сигналы имеют разные значения максимума и нуля, то они сдвинуты по фазе.

Электрическая схема соединений треугольник

В трехфазном переменном токе имеется три сигнала однофазного синусоидального тока сдвинутых относительно друг друга на 120°. Из многофазных электрических сетей в основном выбрана трехфазная сеть, как наиболее оптимальная. Трехфазная сеть состоит из 3-х однофазных сетей.

Такую однофазную сеть в трехфазной сети называют фазой. Возможны два вида соединения фаз в трехфазной сети – это соединение «треугольником» и «звездой». При соединении «звездой» одни концы генератора соединяются вместе и образуют нулевую точку, а другие провода обмоток идущие к нагрузкам называются линейными.

Напряжение между линейными проводами и нулевыми проводами называются фазным напряжением. А напряжение между линейными проводами называют линейным напряжением. Нулевой провод используется в случаях неравномерной нагрузки, позволяя выравнивать напряжение фаз.

Нейтральный провод применяется в схеме освещения, где создать равномерную нагрузку нелегко, так как не все лампы включаются одновременно и равномерно по фазам. Между фазными и линейными напряжениями имеется зависимость: Uл = √3*Uф ≈ 1,73*Uф. В трехфазных сетях по схеме «звезда» Uл – 380 В, а Uф = 220 В.

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях схемы звезда

Если нагрузка в электрической цепи по схеме «звезда» в трех фазах одинакова, т. е. симметрична, то в нейтральном проводе тока нет, или он минимальной величины. А если ток нейтрали незначителен, то и сечение нулевого провода значительно меньше, чем сечение линейного провода. Когда нагрузка одинакова, ток в нейтрали будет равен нулю.

Нейтраль в этом случае не нужна. Тогда используют схему соединения трехфазной сети «треугольник», где все концы соединяются с началами обмоток генератора и образуют схему «треугольник» без нейтрали. В схеме «треугольник» фазные и линейные напряжения равны Uл = Uф, а токи определяются по формуле – IЛ = √3*IФ, где линейный ток в 1,73 раза больше фазного.

Соединение по схеме «треугольник» иногда используется в освещении, но в основном такую схему применяют в трехфазных сетях с небольшим перекосом фаз. Также тяжёлый запуск асинхронных электродвигателей осуществляется по схеме «звезда», чтобы снизить большой пусковой ток электродвигателя, а достигнув рабочего режима, переходят на схему «треугольник».

Переменный электрический ток

Переменный ток – или AC (Alternating Current). Обозначение ( ~ ).

Электрический ток называется переменным, если он в течение времени меняет свое направление и непрерывно изменяется по величине.

Переменный ток, который используется для подключения бытовых или производственных электрических приборов, изменяется по синусоидальному закону:

 

 

График переменного тока

 

 

 

 

  • i – мгновенное значение тока
  • Im – амплитудное или наибольшее значение тока
  • f – значение частоты переменного тока
  • t – время

Широко используется переменный ток благодаря тому, что электроэнергия переменного тока технически просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока позволяет передавать электроэнергию по проводам на большие расстояния.

Период переменного тока

 

 

 

Промышленный переменный электрический ток получают при помощи электрических генераторов, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.

Переменный однофазный электрический ток имеет следующие основные характеристики:

f – частота переменного тока определяет количество циклов или периодов в единицу времени. За единицу измерения частоты переменного тока принят Герц ( Гц ):

1гц = 103кгц = 106мгц

Τ – период – время одного полного изменения переменной величины.

Если в 1 секунду происходит 1 период Τ, то частота f = 1 Гц ( Герц ).

1c = 103мс = 106мкс = 1012нс

В Российской Федерации период Τ переменного тока принят равным 0,02 секунды,следовательно по формуле f = 1/Τ

можно определить частоту переменного тока:

f = 1/0,02 = 50 Гц

ω – угловая скорость

Помимо частоты f при изучении цепей переменного тока вводится понятие угловой скорости ω. Угловая скорость ω связана с частотой f следующим соотношением:

ω=2πf

При частоте 50 Гц угловая скорость равна 314 рад/с (2 × 3,14 × 50 = 314).

Мгновенное значение (i,u,e,p) – значение величины в данный момент, мгновенное.

Максимальное или амплитудное значение (Im,Um,Em,Pm).

Эффективное значение тока – это величина переменного тока, равная такому току, который на сопротивлении R, создаёт тепловыделение равное данному переменному току, за тоже время t (I,U,E,P

).

Получение синусоидальной кривой

В системе декартовых прямоугольных координат совмещены тригонометрический круг и кривая, отражающая изменение величины тригонометрической функции sinβ от величины угла β между осью и радиусом-вектором r. Радиус-вектор r вращается против часовой стрелки. Повернем радиус-вектор на угол β и от конца вектора r проведем пунктиром прямую, параллельную оси . От окружности (точка а) по оси отложим в масштабе отрезок. Из конца отрезка построим перпендикуляр до пересечения с пунктирной прямой. Получим точку с в пересечении перпендикуляра и пунктирной прямой.

Синусоида переменного тока

Аналогичное построение проведем, увеличивая угол β, пока радиус-вектор повернется на угол

β = 360°, и получим точки аналогично точке с. Соединим точки плавной кривой, которая и будет отражать синусоидальный закон изменения величины переменного тока.

Понятие о фазе

Если две переменные величины одновременно проходят свои нулевые и максимальные значения, то они совпадают по фазе.

Если две переменные величины не одновременно проходят свои нулевые и максимальные значения, то они не совпадают по фазе.

В радиотехнике используются понятия:

 

1. Активное сопротивление ( Ra )

2. Индуктивное сопротивление ( XL – реактивное сопротивление )

3. Ёмкостное сопротивление ( XC – реактивное сопротивление )

Понятие об активном сопротивлении

Если по проводнику протекает ток, то вследствие явления самоиндукции, электроны распространяются не равномерно по сечению проводника, вследствие чего растёт сопротивление проводника.

Явление неравномерного распространения зарядов по сечению проводника называется – поверхностный эффект. Чем больше частота, тем больше сопротивление.

Понятие о переменном токе — Основы электроники

До сих пор мы рассматривали электрический ток, направ­ление и сила которого оставались постоянными, т. е. не изме­нялись с течением времени. Такой ток мы называли постоян­ным. При постоянном токе электроны движутся по проводнику все время в одном и том же направлении (если не считать хаотического теплового движения электронов), причем количе­ство движущихся электронов и скорость, их движения все время остаются постоянными.

Условное графическое изображение постоянного тока при­ведено на рисунке 1.

Рисунок 1. График переменного тока.

Переменный ток отличается от постоянного тем, что он периодически изменяет свое направление, т. е. течет по про­воднику то в одну, то в другую сторону.

Переменный ток можно получить при помощи очень про­стой схемы, изображенной на рисунке 2а. При каждом передви­жении переключателя изменяется лишь направление тока в цепи, сила же тока при этом остается все время неизменной.

Рисунок 2. Простейший способ получения переменного тока а) и его график б).

Графическое изображение переменного тока, полученного таким способом, приведено на рисунке 2б, где ток, протекающий по проводнику в одном направлении, отложен над горизонтальной осью времени, а ток обратного направления — под осью времени.

Рассмотрим другой, белее распространенный случай пере­менного тока, когда изменяется не только направление тока, но и его сила.

Представим себе проводник, согнутый в виде рамки и вра­щающийся в равномерном магнитном поле (рисунок 3).

Рисунок 3. Рамка вращающаяся в равномерном магнитном поле.

При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индук­ции. В этом случае форма ЭДС индукции возникающей в рамке, а при подключению нагрузки к ней и форма переменного электрического тока текущего по цепи будет иметь вид показанный на рисунке 4, то есть изменение переменного тока будет осуществляться по закону синиуса.

Рисунок 4. График синусоидального переменного тока.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

каким символом обозначается на электроустановках

Для успешной работы с электроустройствами требуется не только умение справляться с различными задачами по монтажу и ремонту, но и умение читать и понимать электрические схемы. Для унификации и облегчения понимания все элементы схем стандартизированы. Разные государства, а, порой, и разные предприятия могут иметь частично или полностью свою систему обозначений. Справедливости ради стоит отметить, что различия в обозначениях тока несущественны и большой путаницы практически никогда не возникает. Напряжение питания (или ток) имеет две основополагающие характеристики: величину и частоту. Если с первым параметром вопросов почти не возникает, то на втором следует остановиться подробнее.

Переменный ток в широком понимании

Что такое переменный ток

Напряжение может быть как постоянным, так и изменять свое мгновенное значение в каждый отрезок времени. При этом может изменяться не только величина параметра, но и его направление. В большинстве случаев переменный ток подразумевает изменение по синусоидальному закону и имеет знакопеременную величину. Это всем известное напряжение в бытовой и промышленных сетях электропитания. В более широком смысле напряжение может изменять свое значение без смены полярности.

Те, кто более глубоко знаком с электротехникой, могут сказать, что в данном случае речь идет о переменном напряжении с некоторой постоянной составляющей. Достаточно установить последовательно в цепь конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую, и на выходе получится знакопеременный электрический ток.

Обозначения на электрических схемах

Для однозначного толкования электрических схем разработана система графических обозначений. Она несколько меняется в разных странах, но общие принципы обозначений сохраняются. Переменный или постоянный ток обозначается строго определенными символами, чтобы избежать путаницы, неопределенности и неверного понимания.

В странах постсоветского пространства принято обозначение переменного тока графическим символом, который представляет собой отрезок синусоиды, поскольку под переменным в большинстве случаев подразумевается именно тот, который изменяется по синусоидальному закону.

Условное графическое обозначение

Иногда можно встретить равнозначное изображение в виде двух отрезков синусоиды. Такие обозначения полностью взаимозаменяемы. В отличие от них, обозначение постоянного тока имеет вид двух параллельных линий.

Условные графические символы используются для обозначения клемм питания, а также совместно с некоторыми другими обозначениями, например, для характеристики генератора или потребителя.

Генератор переменного напряжения и потребители

Зарубежная литература использует иной принцип обозначения. В основном используется аббревиатура от английских слов «Alternating current» – переменный ток и «Direct current» – постоянный ток. Соответственно, сокращения имеют вид AC и DC.

В некоторых случаях, кроме типа тока или напряжения, требуется добавлять информацию о их частоте, величине и количестве фаз. На схемах такие обозначения интуитивно понятны. К примеру, надпись 3 ~ 50Гц 220В может говорить только об одном, что используется трехфазное переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц.

В современных обозначениях зачастую встречается комбинация отечественной и зарубежной символики.

Измерительные приборы и электрооборудование

На электроизмерительных приборах можно видеть те же условные знаки, что и на электросхемах. В данном случае они говорят, с каким родом напряжения или тока может работать измерительный прибор. Для тех приборов, которые предназначены для работы в узкой области, символы рода тока или напряжения могут располагаться непосредственно на указателе (стрелочном индикаторе). Универсальные измерительные устройства снабжены переключателем рода и пределов измерений, поэтому все обозначения находятся возле соответствующих позиций.

Комбинированный измерительный прибор

Распространенные цифровые тестеры имеют следующие обозначения: 

  • ACA или ≈A – режим измерения переменного тока;
  • DCA или =А – режим измерения постоянного тока;
  • ACV или ≈V – режим измерения переменного напряжения;
  • DCV или =V – режим измерения постоянного напряжения.

Для электрического оборудования род питания указывается на шильдике или бирке. Устройства, где комбинированное питание, имеют на бирке знак переменного тока в виде отрезка синусоиды и одну горизонтальную черту.

Обозначение смешанного тока

Англоязычные производители для обозначения смешанного или комбинированного питания используют аббревиатуру AC/DC.

Практически всегда возле символа напряжения или тока указывается его величина: отдельно для переменного и отдельно для постоянного тока.

Особую символику можно увидеть на шильдике двигателей переменного напряжения. Там, кроме его рода, указывается еще и схема включения (звезда или треугольник) и величина питающего напряжения для каждого из вариантов.

Кроме этого двигатели характеризуются мощностью (током потребления) и величиной COSϕ, которая характеризует реактивную мощность потребителя. Эти данные также присутствуют на бирке изделия.

Информация по значению и роду питания важна для безопасности и правильного функционирования устройств. Для устранения ошибочного и непреднамеренного включения устройств к несоответствующим источникам питания, кроме условных обозначений, добавляется механическая защита. Так, вилки шнуров питания аппаратуры, использующей переменный ток, имеют иную форму штырей, чем для постоянного, что не допускает возможность неправильного подключения.

Видео

Оцените статью:

Принцип работы, отличия постоянного от переменного электрического тока

Электрический ток— это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах — ионов, а в газах — электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это электрический ток, у которого  свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток  из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.

Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока , потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется  в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).

Принцип работы переменного тока

Переменный ток  (AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока — частота, напряжение, число фаз.

Переменный ток может быть как одно- , так и  трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.

Основные характеристики переменного тока — действующее значение напряжения и частота.

Обратите внимание, как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.

Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).

И так мы подошли к понятию частота— это отношение числа полных циклов  (периодов) к единице времени периодически меняющегося  электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.

Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!

Источниками переменного тока являются все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями  к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему  в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах.  С электростанции, где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 Вольт, далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между фазой и нулем или землей напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.

И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи  выпрямителей.

  1. Первоначальный этап преобразования— это подключение диодного моста, состоящего из 4 диодов достаточной мощности (на рисунке ниже), который срезает верхние границы переменных синусоид или делает ток однонаправленным.
  2. Второй этап— это подключение параллельно на выход с диодного мостика конденсатора или сглаживающего фильтра, который исправляет провалы между пиками синусоид. Обратите внимание, как выглядит синусоида после прохождения через диодный мост (на рисунке выделена зеленным цветом).

    И как уменьшаются пульсации (изменения напряжения) после подключения конденсатора- на рисунке выделено синим цветом.

  3. Далее при необходимости для уменьшения уровня пульсаций,  дополнительно могут применяются стабилизаторы тока или  напряжения.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор — это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.

Инвертор технически сложное устройство, поэтому и цены на него не маленькие. Стоимость зависит напрямую от выходной максимальной мощности переменного тока.

Как правило, преобразование постоянного тока требуется в редких случаях. Например, для подключения от бортовой электросети автомобиля домашних электроприборов, инструмента и т. п. в походе, на даче и т. д.

Что такое фаза, ноль, заземление читайте в следующей нашей статье.

Каким образом происходит выпрямление переменного тока

Каким образом происходит выпрямление переменного тока

Переменный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Как известно, электростанции вырабатывают переменный ток. Переменный ток легко преобразуется с помощью трансформаторов, он передается по проводам с минимальными потерями, на переменном токе работают многие электродвигатели, в конце концов, все промышленные и бытовые сети работают сегодня именно на переменном токе.

Однако для некоторых применений переменный ток принципиально не годится. Заряжать аккумуляторы необходимо постоянным током, электролизные установки питаются постоянным током, светодиоды требуют постоянного тока, и много где еще просто не обойтись без постоянного тока, не говоря уже о гаджетах, где изначально используются аккумуляторы. Так или иначе, иногда приходится добывать постоянный ток из переменного путем его преобразования, для решения этой задачи и прибегают к выпрямлению переменного тока.

Для выпрямления переменного тока используют диодные выпрямители. Простейшая схема выпрямителя, содержащая всего один полупроводниковый диод, называется однополупериодным выпрямителем. Переменный ток здесь проходит через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого одним своим выводом соединена с анодом диода, а другим — с цепью нагрузки, которая в свою очередь, будучи присоединена к катоду диода, замыкает вторичную цепь трансформатора.

Рассмотрим, что происходит в первый момент времени, когда к аноду диода приложено положительное, относительно его катода, напряжение, действующее в течение первого полупериода переменного тока.

В этот момент электроны движутся от катода к аноду диода, через провод вторичной обмотки трансформатора, через дроссель и далее через нагрузку, — так замыкается цепь. Когда начинается противоположный полупериод, электроны от анода к катоду проникнуть не могут, поэтому тока в цепи во время этого полупериода нет. С наступлением следующего полупериода процесс повторяется.

Итак, поскольку ток в цепи течет лишь во время одного из полупериодов, такой тип выпрямления называется однополупериодным выпрямлением. А по причине того, что во время отрицательных полупериодов ток в цепь нагрузки не попадает, форма его получается пульсирующей, ведь действует он в одном направлении, хотя и изменяется по величине.

Сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя (катушки индуктивности) и конденсаторов, применяется в данной схеме для того, чтобы снизить уровень пульсаций на нагрузке, и сделать ток почти идеально постоянным. Практически переменную составляющую схема фильтра в нагрузку не пропускает, пропускает лишь постоянную составляющую.

Катушка обладает индуктивным сопротивлением, которое зависит от частоты тока, и чем выше частота — тем больше индуктивное сопротивление катушки, поэтому переменной составляющей пульсирующего тока катушка сопротивляется. Постоянную составляющую катушка пропускает легко.

Конденсатор же пропускает переменную составляющую, но не пропускает постоянную, и чем выше частота тока, тем сильнее конденсатор ее пропускает. В общем и целом чем больше емкость конденсатора и чем выше индуктивность катушки дросселя — тем меньше ненужной переменой составляющей в постоянном токе, текущем конкретно через нагрузку.

Итак, когда в цепи действует положительная полуволна тока, первый конденсатор заряжается до амплитудной величины переменного напряжения вторичной обмотки (минус падение напряжения на диоде). Когда действует отрицательная полуволна, электричество в конденсатор не поступает, и он, разряжаясь на нагрузку, поддерживает в ней постоянный ток.

Если бы не было дросселя, то поскольку напряжение на конденсаторе в ходе данного процесса уменьшалось бы, ток на нагрузке так или иначе имел бы сильные пульсации. Чтобы пульсации понизить, в цепь и добавляется дроссель (катушка), да еще и с дополнительным конденсатором, расположенным за ним. Второй конденсатор принимает на себя ток, идущий через дроссель, который уже почти не содержит пульсаций.

Чтобы пульсации сгладить еще лучше, применяют двухполупериодный выпрямитель. Двухполупериодный выпрямитель может быть реализован одним из двух способов. Он может быть выполнен по мостовой схеме (состоящей из четырех диодов), либо включать в себя всего два диода, но тогда вторичная обмотка трансформатора должна иметь удвоенное количество витков и вывод посередине между половинами обмоток.

Двухполупериодный выпрямитель работает следующим образом. В течение одного из полупериодов (допустим, положительного) ток направлен от анода к катоду верхнего по схеме диода, а нижний по схеме диод ток в это время не пропускает, он заперт (так же ведет себя единственный диод в однополупериодном выпрямителе во время отрицательной полуволны тока).

Ток замыкается через фильтр, нагрузку, и далее — через средний вывод на обмотку трансформатора. Когда наступает второй полупериод, полярность тока такова, что нижний по схеме диод пропускает ток через фильтр и через нагрузку, а верхний диод заперт. Далее процессы повторяются.

Поскольку ток здесь подается к нагрузке в течение каждого из двух периодов, такое выпрямление называется двухполупериодным выпрямлением, а выпрямитель — двухполупериодным выпрямителем. Пульсации на выходе здесь вдовое меньше, чем у однополупериодного выпрямления, поскольку частота выпрямленных импульсов вдвое больше, индуктивное сопротивление дросселя получается вдвое большим, а конденсаторы не успевают значительно разряжаться.

Ранее ЭлектроВести писали о переменном и постоянном токе в индустрии красоты.

По материалам electrik.info.

Переменный ток — это… Что такое Переменный ток?

Переме́нный ток, AC (англ. alternating current — переменный ток) — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.

Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае мгновенные значения тока и напряжения изменяются по гармоническому закону.

В устройствах-потребителях постоянного тока переменный ток часто преобразуется выпрямителями для получения постоянного тока.

Преимущества сетей переменного тока

  • Напряжение в сетях переменного тока легко преобразуется от одного уровня к другому путем применения трансформатора.
  • Асинхронные электродвигатели переменного тока проще и надежнее двигателей постоянного тока. (90% вырабатываемой электроэнергии потребляется асинхронными электродвигателями[источник не указан 1115 дней]).
  • Возможность передачи на более длинные расстояния, нежели постоянный.

Генерирование переменного тока

Преобразователь постоянного тока в переменный.

Переменный ток получают путем вращения рамки в магнитном поле. Принцип действия — явление электромагнитной индукции (появление индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока). В генераторах переменного тока вращается якорь из магнита (электромагнита) с несколькими полюсами (2, 4, 6 и т. д.), а с обмоток статора снимается переменное напряжение.

Стандарты частоты

В большинстве стран применяются частоты 50 или 60 Гц (60 — этот вариант принят в США) В некоторых странах, например, в Японии, используются оба стандарта. Частота 16 ⅔ Гц до сих пор используется в некоторых европейских железнодорожных сетях (Австрия, Германия, Норвегия, Швеция и Швейцария).

В текстильной промышленности, авиации, метрополитене и военной технике для снижения веса устройств или с целью повышения частот вращения могут применять частоту 400 Гц (однако, чаще всего — метрополитены электрифицированы по системе постоянного тока), а в морском флоте 500 Гц.

Электрификация ПТ

В России и СНГ около половины всех ЖД работает на переменном токе частотой 50Гц.[источник не указан 345 дней]

Ссылки

См. также

Как это работает Jameco Electronics

Меган Тунг

Переменный ток (переменный ток) — это когда электрический заряд периодически меняет направление. Для сравнения, постоянный ток (DC) — это когда электрический заряд течет только в одном направлении. В США направление тока меняется на противоположное с частотой 60 Гц (циклов в секунду). Наиболее распространенная форма волны переменного тока — это синусоидальная волна; хотя прямоугольные и треугольные волны — это другие формы сигналов для переменного тока.


Особый тип электрического генератора, называемый генератором переменного тока, предназначен для выработки переменного тока.Генератор работает так: вращающиеся магниты, известные как ротор, и проводник, намотанный катушками на железный сердечник, называемый статором. Когда статор совершает полный оборот, в статоре индуцируется электродвижущая сила в виде тока, создавая переменное напряжение. Электропитание переменного тока используется для подачи питания в дома, офисные здания и т. Д. Электропитание переменного тока также может использоваться для питания электродвигателей, таких как посудомоечные машины и холодильники.
Генерация и транспортировка переменного тока на большие расстояния относительно просты.Энергетические компании посылают очень высокое напряжение, чтобы передавать электроэнергию на большие расстояния. Переменный ток можно легко преобразовывать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов. Несколько трансформаторов используются для безопасной передачи нужного количества электроэнергии переменного тока от электростанций в дома.

Во-первых, электричество вырабатывается огромными генераторами с помощью ветра, угля, природного газа или воды. Затем переменный ток проходит через трансформаторы, чтобы увеличить напряжение, чтобы энергия передавалась на большие расстояния. Электрический заряд проходит по высоковольтным линиям электропередачи.Затем он достигает подстанции, где напряжение понижается, чтобы его можно было отправить по линиям электропередачи меньшего размера. Заряд проходит по распределительным линиям в район, где трансформаторы меньшего размера снова снижают напряжение, чтобы сделать электроэнергию безопасной для использования в домах. Затем мощность подключается к дому, где она проходит через счетчик, который измеряет, сколько энергии использует дом. Ток проходит через сервисную панель, где автоматические выключатели / предохранители защищают провода от перегрузки. Затем электричество проходит по проводам к розеткам и переключается в доме.


Для некоторых устройств потребуется адаптер переменного тока, который будет использовать другой трансформатор для преобразования электрических токов, получаемых от электрической розетки, в более низкий переменный ток, который может использовать электронное устройство. Количество трансформаторов, через которые должен пройти ток, зависит от максимальной силы тока, которую может выдержать электронное устройство.

Вам также может быть интересно прочитать: Как работает трансформатор


Меган Тунг проходит летнюю стажировку в Jameco Electronics , посещает Калифорнийский университет , Санта-Барбара (UCSB). Ее интересы включают фотографию, музыку, бизнес и инженерное дело.

Кредиты на фото: Солнечные школы

Что такое переменный ток? — Переменный ток: применение и история.

нагревается из-за отсутствия сопротивления проводов, а затем преобразовывается в более безопасную форму с меньшей мощностью для использования с трансформатором. Сегодня переменный ток используется для передачи информации (например, кабельных и телефонных сигналов).

Когда дело доходит до промышленности, переменный ток обычно не имеет большего практического преимущества, чем постоянный ток.Однако переменный ток используется в большинстве стран мира в случаях, когда используются электродвигатели, генераторы и системы распределения энергии. Чтобы понять почему, нужно знать немного больше о том, как работает переменный ток.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, генератор переменного тока может быть создан, когда магнитное поле вращается вокруг проводов, которые остаются неподвижными. Во время вращения ток в проводах меняется в зависимости от положения магнитного вала.Это называется оператором переменного тока или генератором переменного тока.

Постоянный ток также работает по принципу закона электромагнитной индукции Фарадея, но установка намного сложнее. В генераторах постоянного тока витая проводка соединяется с валом, а угольные щетки должны соединяться с медными полосками на вращающемся валу. Причина этого в том, что выходная полярность катушки постоянно меняется, поэтому ее необходимо переключать, чтобы внешняя цепь видела постоянную полярность.После этого генератор постоянного тока будет генерировать два импульса напряжения каждый раз, когда магнитный вал совершает оборот. Это становится проблемой, потому что вы хотите, чтобы постоянное напряжение, а не напряжение было «импульсами». Чтобы сделать ток постоянным, необходимо установить несколько катушек, контактирующих с угольными щетками. Это создает еще более сложную проблему, потому что, когда установлено слишком много катушек и щеток, гораздо легче выделяется тепло, что может создать проблемы для всей системы. Соприкасающиеся катушки и щетки также могут иногда вызывать «искру», что может стать причиной пожара.Из-за более сложной настройки и проблем, связанных с настройкой, переменный ток часто используется в промышленности из-за низкой стоимости и лучшей надежности.

Переменный ток также имеет другие преимущества, помимо низкой стоимости и менее сложной настройки. При распределении электроэнергии электрическая энергия должна транспортироваться во многие различные области на большие расстояния. Чтобы сделать это эффективно, наиболее эффективно транспортировать его с высоким напряжением и низким током, а затем «преобразовывать» его в более низкое напряжение и более высокий ток при доставке в дома и на предприятия.Это стало возможным благодаря использованию трансформаторов. Однако трансформаторы будут работать только с переменным током, а не с постоянным током. В результате мы видим, что переменный ток гораздо более распространен в приложениях для транспортировки электроэнергии.

Питание переменного тока: что это?

Мощность переменного тока относится к мощности переменного тока и относится к электрической мощности , протекающей в переменном направлении.

Что такое электроэнергия?

Мощность можно определить как уровень энергии, потребляемой в единицу времени. Единица измерения мощности — Ватт. в честь известного ученого восемнадцатого века Джеймса Ватта , который изобрел паровой двигатель.В механических системах мощность известна как , механическая мощность и представляет собой комбинацию сил и движения. В электрических системах электрическая мощность — это скорость потока электрической энергии через заданную точку в замкнутой цепи. Для наших приложений мы будем рассматривать только электрическую мощность .

В чем разница между переменным и постоянным током?

Электроэнергия может быть классифицирована как AC Power или Direct Current (DC) Power в зависимости от направления потока энергии.Мощность, возникающая в результате протекания тока в переменном направлении, называется мощностью переменного тока, а мощность, возникающая в результате протекания тока только в одном направлении, называется Мощность постоянного тока . Панели солнечных батарей генерируют мощность постоянного тока, и обычно мощность преобразуется в мощность переменного тока с использованием инвертора .

Как выглядит форма кривой переменного тока?

В цепях переменного тока поток электрического заряда (или, другими словами, электронов) периодически меняет свое направление.Чистый поток заряда — это произведенный электрический ток. Типичная форма волны переменного тока — это чистая синусоида , как показано на рисунке ниже.

AC Power (зеленая кривая). Источник: Wikipedia.org

Этот вид энергии чаще всего доставляется к бытовым и промышленным потребителям по линиям передачи . Он чрезвычайно универсален, поскольку уровень напряжения сети переменного тока можно легко изменить, установив трансформатор для удовлетворения различных потребностей передачи.

Частота

Период времени, в течение которого электрический заряд движется в обоих направлениях, называется полным циклом . Но этот процесс движения вперед и назад происходит очень и очень быстро. Электрический ток способен совершить множество циклов за одну секунду. Единица измерения электрического цикла — Гц (Гц) , а количество циклов, которые ток завершает за секунду, называется частотой тока. Типичная частота в странах Северной Америки — 60 Гц, , что означает, что ток завершает 60 циклов за одну секунду.В Европе и многих других странах стандарт 50 Гц .

Преимущества переменного тока

Одной из причин использования переменного тока в таком широком масштабе является его гибкость . Уровень напряжения сети переменного тока очень легко изменить с помощью трансформатора. Электроэнергия, передаваемая на более высоком уровне напряжения, имеет значительно более низкие потери . При любом постоянном токе передаваемая мощность прямо пропорциональна уровню напряжения. Это означает, что такое же количество мощности может быть передано с меньшим током за счет увеличения напряжения.Потери прямо пропорциональны квадрату тока, поэтому, когда текущий ток ниже, потери в линиях передачи меньше. Это причина того, почему электричество передается очень экономичным способом от электростанций в наши дома на большие расстояния при высоком или сверхвысоком уровне напряжения.

Солнечные панели с микро-инверторами Источник: solarpwr.cn

Электроэнергия переменного тока и солнечная промышленность

Переменный ток — это форма электричества, которым снабжаются предприятия и домашние хозяйства, поэтому мощность постоянного тока солнечной панели должна быть преобразована в полезную мощность переменного тока с помощью солнечного инвертора.Так называемые солнечные панели переменного тока или панели plug-and-play являются недавней тенденцией в отрасли и в основном представляют собой солнечные панели постоянного тока со встроенными микроинверторами . Технические преимущества микроинверторов, хотя и не получившие широкого распространения, представляют серьезную угрозу для классических струнных и центральных инверторов. Преимущество этих солнечных панелей переменного тока заключается в их гибкости в установке, обращении и простоте замены в случае неисправности.

Что такое переменный ток (AC)?

Что такое переменный ток?

AC относится к способу протекания тока в цепи, где он периодически меняется взад и вперед.Если вы помните математику в школе, как выглядит синусоидальная диаграмма, вам будет легче визуализировать, что происходит с питанием переменного тока. Изменение направления вперед и назад называется его частотой и выражается в герцах. Посмотрев на герцы, мы можем определить, сколько раз ток меняет свое направление на обратное в секунду. Чтобы помочь вам визуализировать, обратитесь к изображению ниже.

В Австралии наши бытовые электропитания составляют 240 вольт переменного тока, 50 герц (Гц). Это означает, что направление тока меняется назад и вперед со скоростью 50 раз в секунду.Переключение происходит настолько быстро, что ваша бытовая техника не перестает работать.

Как работает переменный ток?

Обычно переменный ток генерируется с помощью устройства, известного как генератор переменного тока. Генератор переменного тока — это устройство, которое генерирует переменный ток от источника движения, такого как турбина, приводимая в действие паром, ветряная мельница, турбина или даже проточная вода. Для генерации переменного тока проволочную петлю осторожно скручивают внутри магнитного поля.Магнитное поле индуцирует ток по кабелю. Проволока вращается с помощью паровой или ветряной турбины. Здесь скрученный кабель вращается, таким образом, периодически меняя магнитную полярность, что означает, что напряжение, а также ток будут чередоваться на проводе.

Кто изобрел переменный ток?

Первый генератор переменного тока был построен в 1835 году во Франции человеком по имени Ипполит Пикси. Это было устройство, которое требовалось запускать вручную, чтобы вращать магнит для генерации переменного тока.Только в начале двадцатого века мощность переменного тока стала мировым стандартом для электричества. Первые пионеры переменного тока, в том числе Никола Тесла, Кароли Зиперновски, Отто Блати и Микса Дери, оказали большое влияние на развитие мощности переменного тока в том виде, в каком она есть сейчас.

История переменного тока

В начале 1880-х годов и изобретатели, и предприятия хотели найти наиболее эффективный способ использования электроэнергии для питания своих домов, а также для уличного освещения.Эта потребность, как известно, вызвала битву за превосходство между переменным и постоянным током, известную как война токов. В тот же период Томас Эдисон построил электростанцию ​​постоянного тока в своем городском районе Нью-Йорка. Позже другой врач и инвестор, Вестингауз Джордж, приобрел патенты на силовые двигатели переменного тока и трансформаторы у Теслы Николы, которая была инвестором.

Даже когда Эдисон был занят созданием своей собственной электростанции постоянного тока, Вестингауз и Никола Тесла вместе со своими деловыми партнерами были заняты строительством своей запатентованной электростанции переменного тока в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.Westinghouse продолжала пропагандировать преимущества переменного тока перед постоянным, утверждая, что переменный ток потенциально может более эффективно передавать энергию на большие расстояния, в отличие от своего конкурента, постоянного тока.

Обычно система постоянного тока Эдисона требовала, чтобы электростанции располагались в пределах нескольких миль от клиентов. Вестингауз и Тесла, с другой стороны, полагали, что система переменного тока может доставлять электроэнергию за сотни миль от заводов.

По мере того, как битва продолжалась, весь мир постепенно начал верить, что переменный ток — лучший вариант. К началу двадцатого века практически все распределение электроэнергии во всем мире осуществлялось за счет переменного тока. Благодаря потенциальным преимуществам, даже сегодня мы передаем энергию через переменный ток.

Почему используется переменный ток?

Мы обычно используем переменную электрическую энергию переменного тока для питания наших светильников, телевизоров, компьютеров и всего остального в наших домах.Это потому, что он оказался более эффективным при подаче электроэнергии, чем постоянный ток. Как мы уже упоминали ранее, напряжения переменного тока могут быть изменены или преобразованы, и это делает его относительно более легким для транспортировки на большие расстояния, чем постоянного тока, преобразование которого может потребовать относительно более сложной электронной схемы. Проще говоря, для преобразования уровней напряжения и транспортировки на большие расстояния требуется только трансформатор. Такое преимущество переменного тока позволяет легко использовать его в электрических генераторах, системах распределения энергии и двигателях.

Опасен ли переменный ток?

Прежде всего, необходимо отметить, что все типы электрического тока, будь то постоянный или переменный ток, опасны. В любом случае, контакт постоянного или переменного тока с вашим телом может быть опасным.

Однако реальный эффект зависит от ряда факторов, в том числе от продолжительности контакта, величины подаваемого тока, приложенного напряжения, пути прохождения тока, а также от импеданса пораженного тела.Было проведено несколько экспериментов, чтобы помочь определить наиболее опасный тип тока, и результаты всегда дают один общий ответ; переменный ток.

Считается, что переменный ток в четыре-пять раз опаснее постоянного. Исследования доказали, что в случае поражения электрическим током с использованием переменного тока пострадавший подвергается последовательному сокращению мышц, что приводит к очень серьезным повреждениям мышц. Проще говоря, переменный ток может быть опасен. Это означает только то, что необходимо принимать во внимание разумные меры безопасности при работе устройства, использующего переменный ток.

Если вы хотите узнать больше, прочитайте нашу статью о переменном токе и постоянном токе. В любом случае, не стесняйтесь обращаться к нашему лицензированному электрику из Gordon’s Powers для всех ваших электрических услуг в Сиднее.

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — прикладное промышленное электричество

Переменный ток

Большинство студентов, изучающих электричество, начинают свое изучение с так называемого постоянного тока (DC), то есть электричества, протекающего в постоянном направлении и / или обладающего напряжением постоянной полярности.Постоянный ток — это вид электричества, производимого батареей (с определенными положительными и отрицательными клеммами), или вид заряда, генерируемый при трении определенных типов материалов друг о друга.

Переменный ток и постоянный ток

Такой же полезный и простой для понимания, как постоянный ток, это не единственный используемый «вид» электричества. Определенные источники электричества (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) естественным образом вырабатывают напряжения, меняющие полярность, меняя положительную и отрицательную на противоположные с течением времени.Либо как полярность переключения напряжения, либо как направление переключения тока вперед и назад, этот «вид» электричества известен как переменный ток (AC):

Рисунок 4.1 Постоянный и переменный ток

В то время как знакомый символ батареи используется как общий символ для любого источника постоянного напряжения, круг с волнистой линией внутри является общим символом для любого источника переменного напряжения.

Кто-то может задаться вопросом, зачем вообще возиться с такой вещью, как кондиционер. Верно, что в некоторых случаях переменный ток не имеет практического преимущества перед постоянным током.В приложениях, где электричество используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеют значения, пока на нагрузку подается достаточное напряжение и ток для получения желаемого тепла (рассеивание мощности). Однако с помощью переменного тока можно создавать электрические генераторы, двигатели и системы распределения энергии, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, и поэтому мы обнаруживаем, что переменный ток используется преимущественно во всем мире в приложениях с большой мощностью. Чтобы объяснить подробности того, почему это так, необходимы некоторые базовые знания о AC.

Генераторы переменного тока

Если машина сконструирована так, чтобы вращать магнитное поле вокруг набора неподвижных катушек с проволокой с вращением вала, переменное напряжение будет создаваться на катушках с проволокой, когда этот вал вращается, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Это основной принцип работы генератора переменного тока, также известного как генератор переменного тока :

Рисунок 4.2 Работа генератора переменного тока

Обратите внимание на то, как полярность напряжения на проволочных катушках меняется на противоположные по мере прохождения противоположных полюсов вращающегося магнита.При подключении к нагрузке эта реверсивная полярность напряжения создает реверсивное направление тока в цепи. Чем быстрее вращается вал генератора, тем быстрее будет вращаться магнит, что приведет к появлению переменного напряжения и тока, которые чаще меняют направление за заданный промежуток времени.

Хотя генераторы постоянного тока работают по тому же общему принципу электромагнитной индукции, их конструкция не так проста, как их аналоги переменного тока. В генераторе постоянного тока катушка с проволокой установлена ​​на валу, где магнит находится на генераторе переменного тока, и электрические соединения с этой вращающейся катушкой выполняются через неподвижные угольные «щетки», контактирующие с медными полосками на вращающемся валу.Все это необходимо для переключения изменяющейся выходной полярности катушки на внешнюю цепь, чтобы внешняя цепь видела постоянную полярность:

Рисунок 4.3. Работа генератора постоянного тока

. Показанный выше генератор будет вырабатывать два импульса напряжения на один оборот вала, причем оба импульса имеют одинаковое направление (полярность). Чтобы генератор постоянного тока вырабатывал постоянное напряжение , а не короткие импульсы напряжения каждые 1/2 оборота, имеется несколько наборов катушек, которые периодически контактируют со щетками.Схема, показанная выше, немного упрощена, чем то, что вы видите в реальной жизни.

Проблемы, связанные с замыканием и разрывом электрического контакта с движущейся катушкой, должны быть очевидны (искрение и нагрев), особенно если вал генератора вращается с высокой скоростью. Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше. Генератор переменного тока (генератор переменного тока) не требует для работы щеток и коммутаторов, поэтому он невосприимчив к этим проблемам, с которыми сталкиваются генераторы постоянного тока.

Двигатели переменного тока

Преимущества переменного тока перед постоянным током с точки зрения конструкции генератора также отражены в электродвигателях. В то время как двигатели постоянного тока требуют использования щеток для электрического контакта с движущимися катушками проволоки, двигатели переменного тока этого не делают. Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы (идентичны для этого руководства), двигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током через его неподвижные катушки провода для вращения вращающегося магнита. вокруг его вала, а двигатель постоянного тока зависит от контактов щетки, замыкая и размыкая соединения, для обратного тока через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

Трансформаторы

Итак, мы знаем, что генераторы переменного тока и двигатели переменного тока имеют тенденцию быть проще, чем генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Эта относительная простота означает большую надежность и более низкую стоимость производства. Но для чего еще нужен AC? Конечно, это должно быть что-то большее, чем детали конструкции генераторов и двигателей! Действительно есть. Существует эффект электромагнетизма, известный как взаимная индукция , при котором две или более катушек провода размещены так, что изменяющееся магнитное поле, создаваемое одной, индуцирует напряжение в другой.Если у нас есть две взаимно индуктивные катушки, и мы запитываем одну катушку переменным током, мы создадим переменное напряжение в другой катушке. При использовании в таком виде это устройство известно как трансформатор :

. Рисунок 4.4 Трансформатор «преобразует» переменное напряжение и ток.

Основное значение трансформатора — его способность повышать или понижать напряжение с катушки с питанием на катушку без питания. Напряжение переменного тока, индуцированное в обмотанной («вторичной») катушке, равно напряжению переменного тока на питаемой («первичной») катушке, умноженному на отношение витков вторичной катушки к виткам первичной катушки.Если вторичная обмотка питает нагрузку, ток через вторичную обмотку прямо противоположен: ток первичной обмотки умножается на соотношение первичных и вторичных витков. Эта взаимосвязь имеет очень близкую механическую аналогию, в которой крутящий момент и скорость используются для представления напряжения и тока соответственно:

Рисунок 4.5 Зубчатая передача умножения скорости снижает крутящий момент и увеличивает скорость. Понижающий трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток.

Если передаточное отношение обмотки изменено так, что первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная обмотка, трансформатор «увеличивает» напряжение от уровня источника до более высокого уровня на нагрузке:

Рисунок 4.6 Редукторная передача увеличивает крутящий момент и снижает скорость. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток.

Способность трансформатора с легкостью повышать или понижать переменное напряжение дает переменному току преимущество, не имеющее себе равных с постоянным током, в области распределения мощности на рисунке ниже. При передаче электроэнергии на большие расстояния гораздо эффективнее делать это с помощью повышенных напряжений и пониженных токов (провод меньшего диаметра с меньшими резистивными потерями мощности), затем понижать напряжение и повышать ток для промышленность, бизнес или потребительское использование.

Рисунок 4.7 Трансформаторы обеспечивают эффективную передачу электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния.

Трансформаторная технология сделала возможным распределение электроэнергии на большие расстояния. Без возможности эффективно повышать и понижать напряжение было бы непомерно дорого строить энергосистему для чего угодно, кроме использования на близком расстоянии (не более нескольких миль).

Какими бы полезными ни были трансформаторы, они работают только с переменным током, а не с постоянным током. Поскольку явление взаимной индуктивности основано на изменении магнитных полей на , а постоянный ток (DC) может создавать только постоянные магнитные поля, трансформаторы просто не будут работать с постоянным током.Конечно, постоянный ток может прерываться (пульсировать) через первичную обмотку трансформатора для создания изменяющегося магнитного поля (как это делается в автомобильных системах зажигания для выработки питания высоковольтной свечи зажигания от низковольтной батареи постоянного тока), но Импульсный постоянный ток не так уж отличается от переменного тока. Возможно, именно поэтому переменный ток в большей степени, чем какая-либо другая причина, находит такое широкое применение в энергосистемах.

  • DC означает «постоянный ток», что означает напряжение или ток, который сохраняет постоянную полярность или направление, соответственно, с течением времени.
  • AC означает «переменный ток», что означает напряжение или ток, который со временем меняет полярность или направление, соответственно.
  • Электромеханические генераторы переменного тока
  • , известные как генераторы переменного тока , имеют более простую конструкцию, чем электромеханические генераторы постоянного тока.
  • Конструкция двигателей переменного и постоянного тока
  • очень точно соответствует принципам конструкции соответствующих генераторов.
  • Трансформатор представляет собой пару взаимно индуктивных катушек, используемых для передачи мощности переменного тока от одной катушки к другой.Часто количество витков в каждой катушке устанавливается так, чтобы создать увеличение или уменьшение напряжения от активной (первичной) катушки к обмотке без питания (вторичной).
  • Вторичное напряжение = Первичное напряжение (вторичные витки / первичные витки)
  • Вторичный ток = первичный ток (первичные витки / вторичные витки)

Измерения величины переменного тока

На данный момент мы знаем, что переменное напряжение меняется по полярности, а переменный ток — по направлению.Мы также знаем, что переменный ток может изменяться множеством различных способов, и, отслеживая изменение во времени, мы можем построить его в виде «формы волны». Мы можем измерить скорость чередования, измерив время, необходимое для развития волны, прежде чем она повторится («период»), и выразить это как количество циклов в единицу времени или «частоту». В музыке частота такая же, как и высота звука , что является важным свойством, отличающим одну ноту от другой.

Однако мы сталкиваемся с проблемой измерения, если пытаемся выразить, насколько велика или мала величина переменного тока.С постоянным током, где величины напряжения и тока обычно стабильны, у нас нет проблем с выражением того, сколько напряжения или тока у нас есть в любой части цепи. Но как дать единичное измерение величины чему-то, что постоянно меняется?

Способы выражения величины сигнала переменного тока

Один из способов выразить интенсивность или величину (также называемую амплитудой ) величины переменного тока — это измерить высоту его пика на графике формы сигнала.Это известно как пик , пик или пик , значение сигнала переменного тока:

Рисунок 4.8 Пиковое напряжение формы сигнала.

Другой способ — измерить общую высоту между противоположными вершинами. Это известно как размах сигнала (P-P) сигнала переменного тока:

Рис. 4.9. Размах напряжения сигнала.

К сожалению, любое из этих выражений амплитуды сигнала может вводить в заблуждение при сравнении двух разных типов волн. Например, прямоугольная волна с пиком 10 вольт, очевидно, представляет собой большее количество напряжения в течение большего количества времени, чем треугольная волна с пиком 10 вольт.Влияние этих двух напряжений переменного тока, питающих нагрузку, будет совершенно различным:

Рисунок 4.10 Прямоугольная волна дает больший эффект нагрева, чем такая же треугольная волна пикового напряжения.

Один из способов выразить амплитуду различных форм волны более эквивалентным способом — это математически усреднить значения всех точек на графике формы волны до единого совокупного числа. Это измерение амплитуды известно как среднее значение сигнала.Если мы усредним все точки на форме волны алгебраически (то есть, чтобы считать их знак , либо положительным, либо отрицательным), среднее значение для большинства форм волны технически равно нулю, потому что все положительные точки компенсируют все отрицательные точки на протяжении полный цикл:

Рисунок 4.11 Среднее значение синусоиды равно нулю.

Это, конечно, будет верно для любой формы волны, имеющей участки равной площади выше и ниже «нулевой» линии графика. Однако, как практическая мера совокупного значения формы сигнала , «среднее» обычно определяется как математическое среднее абсолютных значений всех точек за цикл.Другими словами, мы вычисляем практическое среднее значение сигнала, рассматривая все точки на волне как положительные величины, как если бы форма сигнала выглядела так:

Рис. 4.12 Форма волны, измеренная измерителем «среднего отклика» переменного тока.

Нечувствительные к полярности движения механических счетчиков (счетчики, рассчитанные на одинаковую реакцию на положительные и отрицательные полупериоды переменного напряжения или тока) регистрируются пропорционально (практическому) среднему значению формы волны, потому что инерция стрелки по отношению к напряжению пружина естественным образом усредняет силу, создаваемую изменяющимися значениями напряжения / тока с течением времени.И наоборот, чувствительные к полярности движения измерителя бесполезно вибрируют при воздействии переменного напряжения или тока, их стрелки быстро колеблются около нулевой отметки, указывая истинное (алгебраическое) среднее значение нуля для симметричной формы волны. Когда в этом тексте упоминается «среднее» значение формы сигнала, предполагается, что подразумевается «практическое» определение среднего значения, если не указано иное.

Другой метод получения совокупного значения амплитуды сигнала основан на способности сигнала выполнять полезную работу при приложении к сопротивлению нагрузки.К сожалению, измерение переменного тока, основанное на работе, выполняемой осциллограммой, не совпадает со «средним» значением этой формы сигнала, потому что мощность , рассеиваемая данной нагрузкой (работа, выполняемая в единицу времени), не прямо пропорциональна величине ни того, ни другого. приложенное к нему напряжение или ток. Напротив, мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, приложенного к сопротивлению (P = E 2 / R и P = I 2 R). Хотя математика такого измерения амплитуды может быть непростой, польза от этого есть.

Рассмотрим ленточную пилу и лобзик, две части современного деревообрабатывающего оборудования. Пилы обоих типов режут дерево с помощью тонкого зубчатого металлического полотна с моторным приводом. Но в то время как ленточная пила использует непрерывное движение полотна для резки, лобзик использует возвратно-поступательное движение. Сравнение переменного тока (AC) с постоянным током (DC) можно сравнить со сравнением этих двух типов пил:

Рисунок 4.13. Аналогия постоянного и переменного тока ленточной пилой.

Проблема попытки описать изменяющиеся величины переменного напряжения или тока в одном совокупном измерении также присутствует в этой аналогии с пилой: как бы мы могли выразить скорость полотна лобзика? Полотно ленточной пилы движется с постоянной скоростью, подобно тому, как проталкивается постоянное напряжение или постоянный ток с постоянной величиной.С другой стороны, полотно лобзика движется вперед и назад, скорость его полотна постоянно меняется. Более того, возвратно-поступательное движение любых двух лобзиков может быть неодинаковым, в зависимости от механической конструкции пил. Один лобзик может двигать лезвие синусоидальным движением, а другой — треугольником. Оценка лобзика на основе его пиковой скорости будет вводить в заблуждение при сравнении одного лобзика с другим (или лобзика с ленточной пилой!). Несмотря на то, что эти разные пилы перемещают свои полотна по-разному, они одинаковы в одном отношении: все они режут древесину, и количественное сравнение этой общей функции может служить общей основой для оценки скорости полотна.

Представьте себе лобзик и ленточную пилу бок о бок, оснащенные одинаковыми лезвиями (одинаковым шагом зубьев, углом и т. Д.), Одинаково способными резать одинаковую толщину одного и того же вида древесины с одинаковой скоростью. Можно сказать, что эти две пилы были эквивалентны или равны по своей режущей способности. Можно ли использовать это сравнение, чтобы приписать «эквивалентную» скорость полотна ленточной пилы возвратно-поступательному движению полотна лобзика; связать эффективность лесозаготовки одного с другим? Это общая идея, используемая для присвоения измерения «эквивалента постоянного тока» любому переменному напряжению или току: независимо от величины постоянного напряжения или тока, будет происходить такое же количество рассеяния тепловой энергии через равное сопротивление:

Рисунок 4.14 Среднеквадратичное напряжение вызывает тот же эффект нагрева, что и такое же напряжение постоянного тока.

Как среднеквадратичное значение (СКЗ) соотносится с переменным током?

В двух схемах, приведенных выше, у нас одинаковое сопротивление нагрузки (2 Ом), рассеивающее одинаковое количество энергии в виде тепла (50 Вт), одна питается от переменного тока, а другая от постоянного тока. Поскольку изображенный выше источник переменного напряжения эквивалентен (с точки зрения мощности, подаваемой на нагрузку) 10-вольтовой батарее постоянного тока, мы бы назвали это «10-вольтовым» источником переменного тока. Более конкретно, мы бы обозначили его значение напряжения как 10 вольт RMS .Квалификатор «RMS» означает Среднеквадратичный , алгоритм, используемый для получения значения эквивалента постоянного тока из точек на графике (по сути, процедура состоит из возведения в квадрат всех положительных и отрицательных точек на графике формы сигнала, усреднения этих квадратов значений. , а затем извлечение квадратного корня из этого среднего, чтобы получить окончательный ответ). Иногда вместо «RMS» используются альтернативные термины эквивалент или эквивалент постоянного тока , но количество и принцип одинаковы.

Измерение амплитуды

RMS — лучший способ связать величины переменного тока с величинами постоянного тока или другими величинами переменного тока с различной формой волны при измерении электрической мощности. По другим соображениям лучше всего использовать измерения от пика до пика. Например, при определении правильного размера провода (допустимой нагрузки) для передачи электроэнергии от источника к нагрузке лучше всего использовать измерение среднеквадратичного тока, поскольку основная проблема с током — это перегрев провода, который является функцией рассеивание мощности, вызванное током через сопротивление провода.Однако при оценке изоляторов для работы в высоковольтных системах переменного тока измерения пикового напряжения являются наиболее подходящими, поскольку здесь основной проблемой является «пробой» изолятора, вызванный кратковременными скачками напряжения независимо от времени.

Инструменты, используемые для измерения амплитуды сигнала

Измерения размаха и пика лучше всего выполнять с помощью осциллографа, который может захватывать пики формы сигнала с высокой степенью точности благодаря быстрому срабатыванию электронно-лучевой трубки в ответ на изменения напряжения.Для измерений RMS будут работать аналоговые измерительные приборы (D’Arsonval, Weston, железная лопасть, электродинамометр), если они были откалиброваны в значениях RMS. Поскольку механическая инерция и демпфирующие эффекты движения электромеханического измерителя делают отклонение стрелки естественным образом пропорциональным среднему значению переменного тока, а не истинному среднеквадратичному значению, аналоговые измерители должны быть специально откалиброваны (или откалиброваны неправильно, в зависимости от как вы на это смотрите), чтобы указать напряжение или ток в единицах RMS.Точность этой калибровки зависит от предполагаемой формы волны, обычно синусоидальной волны.

Электронные счетчики, специально разработанные для измерения среднеквадратичных значений, лучше всего подходят для этой задачи. Некоторые производители инструментов разработали хитроумные методы определения среднеквадратичного значения любой формы волны. Один из таких производителей производит измерители True-RMS с крошечным резистивным нагревательным элементом, питаемым напряжением, пропорциональным измеряемому. Эффект нагрева этого элемента сопротивления измеряется термически, чтобы получить истинное среднеквадратичное значение без каких-либо математических вычислений, только законы физики в действии в соответствии с определением среднеквадратичного значения.Точность этого типа измерения RMS не зависит от формы волны.

Взаимосвязь пика, размаха, среднего и среднеквадратичного значения

Для «чистых» сигналов существуют простые коэффициенты преобразования для приравнивания значений пикового, разностного, среднего (практического, а не алгебраического) и среднеквадратичного значений друг к другу:

Рисунок 4.15 Коэффициенты преобразования для распространенных сигналов.

В дополнение к измерениям RMS, среднего, пика (пика) и размаха сигнала переменного тока существуют соотношения, выражающие пропорциональность между некоторыми из этих фундаментальных измерений.Пик-фактор сигнала переменного тока, например, представляет собой отношение его пикового (пикового) значения, деленного на его среднеквадратичное значение. Форм-фактор сигнала переменного тока — это отношение его среднеквадратичного значения к его среднему значению. Сигналы прямоугольной формы всегда имеют пик и коэффициент формы, равные 1, поскольку пик такой же, как среднеквадратичное и среднее значения. Синусоидальные сигналы имеют среднеквадратичное значение 0,707 (величина, обратная квадратному корню из 2) и форм-фактор 1,11 (0,707 / 0,636). Сигналы треугольной и пилообразной формы имеют среднеквадратичное значение 0.577 (величина, обратная квадратному корню из 3) и форм-фактор 1,15 (0,577 / 0,5).

Имейте в виду, что константы преобразования, показанные здесь для пиковых, среднеквадратичных и средних амплитуд синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн, верны только для чистых форм этих форм волны. Среднеквадратичные и средние значения искаженных форм волн не связаны одним и тем же соотношением:

Рис. 4.16. Сигналы произвольной формы не имеют простого преобразования.

Это очень важная концепция, которую необходимо понимать при использовании аналогового движения измерителя Д’Арсонваля для измерения переменного напряжения или тока.Аналоговый механизм Д’Арсонваля, откалиброванный для индикации среднеквадратичной амплитуды синусоидальной волны, будет точным только при измерении чистых синусоидальных волн. Если форма сигнала измеряемого напряжения или тока не является чистой синусоидой, показание измерителя не будет истинным среднеквадратичным значением формы сигнала, потому что степень отклонения стрелки в аналоговом перемещении измерителя Д’Арсонваля равна пропорционально среднему значению сигнала, а не среднеквадратичному значению. Калибровка измерителя RMS получается путем «перекоса» диапазона измерителя так, чтобы он отображал небольшое кратное среднее значение, которое будет равно значению RMS для конкретной формы волны, а — только для конкретной формы волны.

Поскольку форма синусоидальной волны является наиболее распространенной в электрических измерениях, она является формой волны, принятой для калибровки аналогового измерителя, а малое кратное, используемое при калибровке измерителя, составляет 1,1107 (коэффициент формы: 0,707 / 0,636: отношение среднеквадратичных значений деленное на среднее значение для синусоидального сигнала). Любая форма волны, отличная от чистой синусоидальной волны, будет иметь другое соотношение среднеквадратичных и средних значений, и, таким образом, измеритель, откалиброванный для синусоидального напряжения или тока, не будет показывать истинное среднеквадратичное значение при считывании несинусоидальной волны.Имейте в виду, что это ограничение применяется только к простым аналоговым счетчикам переменного тока, не использующим технологию True-RMS.

  • Амплитуда сигнала переменного тока — это его высота, как показано на графике во времени. Измерение амплитуды может принимать форму пика, размаха, среднего или среднеквадратичного значения.
  • Пиковая амплитуда — это высота сигнала переменного тока, измеренная от нулевой отметки до самой высокой положительной или самой низкой отрицательной точки на графике.Также известен как гребень амплитуда волны.
  • Полная амплитуда — это общая высота сигнала переменного тока, измеренная от максимальных положительных до максимальных отрицательных пиков на графике. Часто обозначается как «П-П».
  • Средняя амплитуда — это математическое «среднее» всех точек сигнала за период одного цикла. Технически, средняя амплитуда любой формы волны с участками равной площади выше и ниже «нулевой» линии на графике равна нулю.Однако в качестве практической меры амплитуды среднее значение сигнала часто вычисляется как математическое среднее абсолютных значений всех точек (принимая все отрицательные значения и считая их положительными). Для синусоиды среднее значение, вычисленное таким образом, составляет примерно 0,637 от его пикового значения.
  • «RMS» означает среднеквадратическое значение и является способом выражения величины переменного напряжения или тока в терминах, функционально эквивалентных постоянному току. Например, среднеквадратичное значение 10 вольт переменного тока — это величина напряжения, при которой через резистор заданного значения рассеивается такое же количество тепла, как и у источника питания постоянного тока на 10 вольт.Также известен как «эквивалент» или «эквивалент постоянного тока» для переменного напряжения или тока. Для синусоидальной волны среднеквадратичное значение составляет примерно 0,707 от его пикового значения.
  • Пик-фактор сигнала переменного тока — это отношение его пика (пика) к его среднеквадратичному значению.
  • Форм-фактор сигнала переменного тока — это отношение его среднеквадратичного значения к его среднему значению.
  • Аналоговые, электромеханические движения счетчика реагируют пропорционально среднему значению переменного напряжения или тока.Когда требуется индикация среднеквадратичного значения, калибровка измерителя должна быть соответственно «искажена». Это означает, что точность показаний RMS электромеханического измерителя зависит от чистоты формы сигнала: от того, точно ли она совпадает с формой сигнала, используемой при калибровке.

Рис. 4.17. Принципиальная схема однофазной системы электропитания мало что говорит о разводке практической силовой цепи.

Изображенная выше очень простая цепь переменного тока. Если бы рассеиваемая мощность нагрузочного резистора была значительной, мы могли бы назвать это «цепью питания» или «системой питания», а не рассматривать ее как обычную цепь.Различие между «силовой цепью» и «обычной цепью» может показаться произвольным, но с практической точки зрения это определенно не так.

Анализ практических цепей

Одной из таких проблем является размер и стоимость проводки, необходимой для подачи питания от источника переменного тока на нагрузку. Обычно мы не особо задумываемся об этом, если мы просто анализируем цепь ради изучения законов электричества. Однако в реальном мире это может стать серьезной проблемой.Если мы дадим источнику в приведенной выше схеме значение напряжения, а также дадим значения рассеиваемой мощности для двух нагрузочных резисторов, мы сможем определить потребности в проводке для этой конкретной схемы:

С практической точки зрения, проводка для нагрузок 20 кВт при 120 В перем. Тока довольно значительна (167 А).

[латекс] I = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {10kW} {120V} [/ латекс]

[латекс] I = 83,33A \ text {(для каждого нагрузочного резистора)} [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = I_ \ text {load # 1} + I_ \ text {load # 2} [/ latex]

[латекс] P_ {total} = (10 кВт) + (10 кВт) [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = (83.33 A) + (83,33 A) [/ латекс]

[латекс] P_ {total} = (20кВт) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {total} = 166,67 A} [/ латекс]

Из приведенного выше примера 83,33 ампера для каждого нагрузочного резистора на рисунке выше в сумме дают 166,66 ампера полного тока цепи. Это немалое количество тока, и для него потребуются медные проводники сечением не менее 1/0 калибра. Такая проволока имеет диаметр более 1/4 дюйма (6 мм) и весит более 300 фунтов на тысячу футов.Учтите, что медь тоже не дешевая! В наших интересах найти способы минимизировать такие затраты, если мы проектируем энергосистему с проводами большой длины.

Один из способов сделать это — увеличить напряжение источника питания и использовать нагрузки, рассчитанные на рассеивание 10 кВт каждая при этом более высоком напряжении. Нагрузки, конечно, должны иметь более высокие значения сопротивления, чтобы рассеивать ту же мощность, что и раньше (по 10 кВт каждая) при более высоком напряжении, чем раньше. Преимущество будет заключаться в меньшем потреблении тока, что позволяет использовать меньший, более легкий и дешевый провод:

[латекс] I = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {10кВт} {240V} [/ латекс]

[латекс] I = 41.67 A \ text {(для каждого нагрузочного резистора)} [/ latex]

[латекс] I_ {total} = I_ \ text {load # 1} + I_ \ text {load # 2} [/ latex]

[латекс] P_ {total} = (10 кВт) + (10 кВт) [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = (41,67 A) + (41,67 A) [/ латекс]

[латекс] P_ {total} = (20кВт) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {total} = 83,33 A} [/ латекс]

Теперь общий ток цепи равен 83.33 ампера, вдвое меньше, чем было раньше. Теперь мы можем использовать проволоку калибра 4, которая весит меньше половины того, что весит проволока калибра 1/0 на единицу длины. Это значительное снижение стоимости системы без снижения производительности. Вот почему разработчики систем распределения электроэнергии предпочитают передавать электроэнергию с использованием очень высоких напряжений (многие тысячи вольт): чтобы извлечь выгоду из экономии, получаемой за счет использования меньшего, более легкого и более дешевого провода.

Опасности повышения напряжения источника

Однако это решение не лишено недостатков.Еще одна практическая проблема, связанная с силовыми цепями, — опасность поражения электрическим током от высокого напряжения. Опять же, обычно это не то, на чем мы сосредотачиваемся при изучении законов электричества, но это очень серьезная проблема в реальном мире, особенно когда имеют дело с большими объемами энергии. Повышение эффективности, достигаемое за счет увеличения напряжения в цепи, представляет повышенную опасность поражения электрическим током. Энергораспределительные компании решают эту проблему, протягивая свои линии электропередач вдоль высоких опор или башен и изолируя линии от несущих конструкций с помощью больших фарфоровых изоляторов.

В точке использования (потребителя электроэнергии) все еще остается вопрос, какое напряжение использовать для питания нагрузок. Высокое напряжение обеспечивает большую эффективность системы за счет уменьшения тока в проводнике, но не всегда целесообразно держать силовую проводку вне досягаемости в точке использования, как это может быть поднято в распределительных системах. Этим компромиссом между эффективностью и опасностью разработчики европейских энергосистем решили рискнуть, поскольку все их домашние хозяйства и бытовая техника работают при номинальном напряжении 240 вольт вместо 120 вольт, как в Северной Америке.Вот почему туристы из Америки, посещающие Европу, должны иметь небольшие понижающие трансформаторы для своих портативных приборов, чтобы понижать мощность 240 В переменного тока (вольт переменного тока) до более подходящих 120 В переменного тока.

Решения для подачи напряжения потребителям

Понижающие трансформаторы в конечной точке энергоснабжения

Есть ли способ одновременно реализовать преимущества повышения эффективности и снижения угрозы безопасности? Одним из решений может быть установка понижающих трансформаторов в конечной точке энергопотребления, как это должен делать американский турист, находясь в Европе.Однако это было бы дорого и неудобно для чего угодно, кроме очень малых нагрузок (где трансформаторы можно построить дешево) или очень больших нагрузок (где стоимость толстых медных проводов превысила бы стоимость трансформатора).

Две низковольтные нагрузки в серии

Альтернативным решением может быть использование источника более высокого напряжения для подачи питания на две последовательно соединенные нагрузки с более низким напряжением. Этот подход сочетает в себе эффективность высоковольтной системы с безопасностью низковольтной системы:

Рисунок 4.18 Последовательно подключенные нагрузки 120 В перем. Тока, приводимые в действие источником 240 В перем. Тока при общем токе 83,3 А.

Обратите внимание на обозначения полярности (+ и -) для каждого показанного напряжения, а также на однонаправленные стрелки для тока. По большей части я избегал обозначать «полярности» в цепях переменного тока, которые мы анализировали, даже несмотря на то, что обозначения действительны для обеспечения системы отсчета для фазы. В следующих разделах этой главы фазовые отношения станут очень важными, поэтому я введу эти обозначения в начале главы для вашего ознакомления.

Ток через каждую нагрузку такой же, как и в простой 120-вольтовой цепи, но токи не складываются, потому что нагрузки включены последовательно, а не параллельно. Напряжение на каждой нагрузке составляет всего 120 вольт, а не 240, поэтому запас прочности выше. Имейте в виду, что у нас все еще есть полные 240 вольт на проводах системы питания, но каждая нагрузка работает при пониженном напряжении. Если кто-то и будет шокирован, скорее всего, это произойдет от контакта с проводниками конкретной нагрузки, а не от контакта с основными проводами энергосистемы.

Модификации конструкции с двумя сериями нагрузок

У этой конструкции есть только один недостаток: последствия отказа одной нагрузки разомкнутой или выключенной (при условии, что каждая нагрузка имеет последовательный переключатель включения / выключения для прерывания тока) не хороши. В случае последовательной цепи, если бы одна из нагрузок разомкнулась, ток остановился бы и в другой нагрузке. По этой причине нам необходимо немного изменить дизайн:

Рисунок 4.19 Добавление нейтрального проводника позволяет управлять нагрузками индивидуально.\ circ [/ латекс] [латекс] I_1 = \ frac {P_1} {E_1} [/ латекс] [latex] = \ frac {10kW} {120V} [/ latex] [латекс] I_1 = 83,33 А [/ латекс] [латекс] I_2 = \ frac {P_2} {E_2} [/ латекс] [latex] = \ frac {10kW} {120V} [/ latex] [латекс] I_2 = 83,33 А [/ латекс] [латекс] P_ {всего} = (10кВт) + (10кВт) [/ латекс] [латекс] = (20кВт) [/ латекс]

Двухфазная система питания

Вместо одного источника питания на 240 В мы используем два источника питания на 120 В (в фазе друг с другом!), Последовательно для получения 240 В, затем подводим третий провод к точке соединения между нагрузками, чтобы справиться с возможностью одного загрузочное отверстие.Это называется энергосистемой с расщепленной фазой . Три провода меньшего размера по-прежнему дешевле, чем два провода, необходимые для простой параллельной конструкции, поэтому мы все еще впереди по эффективности. Проницательный наблюдатель заметит, что нейтральный провод должен передавать только разность тока между двумя нагрузками обратно к источнику. В приведенном выше случае при идеально «сбалансированных» нагрузках, потребляющих одинаковое количество энергии, нейтральный провод пропускает нулевой ток.

Обратите внимание на то, как нейтральный провод подключен к заземлению со стороны источника питания.Это обычная особенность в энергосистемах, содержащих «нейтральные» провода, поскольку заземление нейтрального провода обеспечивает минимально возможное напряжение в любой момент времени между любым «горячим» проводом и заземлением.

Важным компонентом системы с разделенной фазой является двойной источник переменного напряжения. К счастью, спроектировать и построить его нетрудно. Поскольку большинство систем переменного тока в любом случае получают питание от понижающего трансформатора (понижая напряжение с высоких уровней распределения до напряжения пользовательского уровня, например 120 или 240), этот трансформатор может быть построен с вторичной обмоткой с центральным отводом:

Рисунок 4.20 Американское питание 120/240 В переменного тока поступает от сетевого трансформатора с центральным ответвлением.

Если переменный ток поступает непосредственно от генератора (генератора переменного тока), катушки могут быть аналогичным образом с центральным отводом для того же эффекта. Дополнительные расходы на включение центрального отвода в обмотку трансформатора или генератора минимальны.

Вот где действительно важны обозначения полярности (+) и (-). Это обозначение часто используется для обозначения фазировки нескольких источников переменного напряжения , поэтому ясно, помогают ли они («повышают») друг друга или противостоят («компенсируют») друг друга.Если бы не эта маркировка полярности, фазовые отношения между несколькими источниками переменного тока могли бы быть очень запутанными. Обратите внимание, что на схеме источники с расщепленной фазой (каждый 120 вольт 0 °) с отметками полярности (+) — (-), как и батареи с последовательным подключением, альтернативно могут быть представлены как таковые:

Рисунок 4.21. Источник 120/240 В переменного тока с разделенной фазой эквивалентен двум последовательным источникам переменного тока 120 В переменного тока.

Чтобы математически рассчитать напряжение между «горячими» проводами, мы должны из вычесть напряжения, потому что их отметки полярности показывают, что они противоположны друг другу:

Полярный

[латекс] \ begin {align} & 120 \ angle 0 \ text {°} \\ — & 120 \ angle 180 \ text {°} \\ = & \ pmb {120 \ angle 0 \ text {°}} \ конец {align} [/ latex]

Прямоугольный

[латекс] \ begin {align} & 120 + \ text {j} 0 \ text {V} \\ — & (- {120} + \ text {j} 0) \ text {V} \\ = & \ pmb {240 + \ text {j} 0 \ text {V}} \ end {align} [/ latex]

Если мы отметим общую точку соединения двух источников (нейтральный провод) одинаковой меткой полярности (-), мы должны выразить их относительные фазовые сдвиги как разнесенные на 180 °.В противном случае мы бы обозначили два источника напряжения, прямо противоположных друг другу, что дало бы 0 вольт между двумя «горячими» проводниками. Почему я трачу время на уточнение отметок полярности и фазовых углов? В следующем разделе будет больше смысла!

Системы электропитания в американских домах и легкой промышленности чаще всего бывают двухфазными, обеспечивая так называемое питание 120/240 В переменного тока. Термин «разделенная фаза» просто относится к источнику питания с разделенным напряжением в такой системе. В более общем смысле этот тип источника питания переменного тока называется однофазный, , потому что обе формы волны напряжения синфазны или синхронизированы друг с другом.

Термин «однофазный» противопоставляется другому типу энергосистемы, называемому «многофазный», который мы собираемся изучить подробно. Приносим извинения за длинное введение, приведшее к заглавной теме этой главы. Преимущества многофазных систем питания становятся более очевидными, если сначала хорошо разбираться в однофазных системах.

  • Однофазные системы питания определяются наличием источника переменного тока только с одной формой волны напряжения.
  • Расщепленная система питания — это система с несколькими (синфазными) источниками переменного напряжения, подключенными последовательно, доставляющими мощность на нагрузки с более чем одним напряжением и более чем двумя проводами. Они используются в первую очередь для достижения баланса между эффективностью системы (низкие токи в проводниках) и безопасностью (низкие напряжения нагрузки).
  • Источники переменного тока с разделенной фазой можно легко создать, отводя от средней точки обмотки катушек трансформаторов или генераторов переменного тока.

Фаза переменного тока

Все начинает усложняться, когда нам нужно связать два или более переменного напряжения или тока, которые не совпадают друг с другом.Под «несоответствием» я подразумеваю, что две формы сигнала не синхронизированы: их пики и нулевые точки не совпадают в одни и те же моменты времени. График на рисунке ниже иллюстрирует это.

Рис. 4.22. Формы волн вне фазы

Две волны, показанные выше (A и B), имеют одинаковую амплитуду и частоту, но они не совпадают друг с другом. Технически это называется фазовым сдвигом . Ранее мы видели, как можно построить «синусоидальную волну», вычислив тригонометрическую функцию синуса для углов от 0 до 360 градусов, то есть полного круга.Начальной точкой синусоидальной волны была нулевая амплитуда при нулевом градусе, прогрессирующая до полной положительной амплитуды при 90 градусах, нуля при 180 градусах, полной отрицательной при 270 градусах и возврата к начальной точке нуля при 360 градусах. Мы можем использовать эту угловую шкалу вдоль горизонтальной оси нашего графика формы волны, чтобы выразить, насколько далеко одна волна отличается от другой:

Рис. 4.23. Волна A опережает волну B на 45 °.

Сдвиг между этими двумя формами волны составляет около 45 градусов, причем волна «A» опережает волну «B».Выборка различных фазовых сдвигов представлена ​​на следующих графиках, чтобы лучше проиллюстрировать эту концепцию:

Рисунок 4.24 Примеры фазовых сдвигов.

Поскольку формы сигналов в приведенных выше примерах имеют одинаковую частоту, они будут отклоняться от шага на одинаковую угловую величину в каждый момент времени. По этой причине мы можем выразить фазовый сдвиг для двух или более сигналов одной и той же частоты как постоянную величину для всей волны, а не просто выражение сдвига между любыми двумя конкретными точками вдоль волн.То есть можно с уверенностью сказать что-то вроде: «Напряжение« A »сдвинуто по фазе на 45 градусов с напряжением« B »». Какая бы форма волны ни была впереди в своем развитии, говорят, что опережает , а следующая — отстает от . Фазовый сдвиг, как и напряжение, всегда является измерением относительно двух вещей. На самом деле не существует такой вещи, как сигнал с абсолютным измерением фазы и , потому что не существует известного универсального эталона для фазы. Обычно при анализе цепей переменного тока форма волны напряжения источника питания используется в качестве эталона для фазы, это напряжение указано как «xxx вольт при 0 градусах».”Любое другое переменное напряжение или ток в этой цепи будет иметь фазовый сдвиг, выраженный в терминах относительно этого напряжения источника. Это то, что делает расчеты цепей переменного тока более сложными, чем вычисления постоянного тока. При применении закона Ома и закона Кирхгофа величины переменного напряжения и тока должны отражать фазовый сдвиг, а также амплитуду. Математические операции сложения, вычитания, умножения и деления должны оперировать этими величинами фазового сдвига, а также амплитуды. К счастью, существует математическая система величин, называемая комплексных чисел , идеально подходящая для этой задачи по представлению амплитуды и фазы.Поскольку комплексные числа так важны для понимания цепей переменного тока, следующая глава будет посвящена только этому предмету.

  • Фазовый сдвиг — это когда две или более формы сигналов не совпадают друг с другом.
  • Величину фазового сдвига между двумя волнами можно выразить в градусах, как определено в градусах на горизонтальной оси графика формы волны, используемой при построении тригонометрической синусоидальной функции.
  • Сигнал , опережающий сигнал определяется как один сигнал, который опережает другие в своем развитии.Сигнал с запаздыванием на — это сигнал, который отстает от другого. Пример:
  • Расчеты для анализа цепей переменного тока должны учитывать как амплитуду, так и фазовый сдвиг форм сигналов напряжения и тока, чтобы быть полностью точными. Это требует использования математической системы под названием комплексных чисел .

Что такое двухфазные системы питания?

Двухфазные энергосистемы обеспечивают высокий КПД проводников. и — низкий риск для безопасности за счет разделения общего напряжения на меньшие части и питания нескольких нагрузок с этими меньшими напряжениями, потребляя при этом токи на уровнях, типичных для системы полного напряжения.Между прочим, этот метод работает так же хорошо для систем питания постоянного тока, как и для однофазных систем переменного тока. Такие системы обычно называют трехпроводными системами , а не с расщепленной фазой , потому что понятие «фаза» ограничивается переменным током.

Но из нашего опыта работы с векторами и комплексными числами мы знаем, что напряжения переменного тока не всегда складываются, как мы думаем, если они не совпадают по фазе друг с другом. Этот принцип, применяемый к энергосистемам, может быть использован для создания энергосистем с еще более высоким КПД проводников и меньшей опасностью поражения электрическим током, чем с расщепленными фазами.

Два источника напряжения, не совпадающих по фазе на 120 °

Предположим, что у нас есть два источника переменного напряжения, подключенных последовательно, как и в системе с расщепленной фазой, которую мы видели раньше, за исключением того, что каждый источник напряжения сдвинул по фазе на 120 ° друг с другом: (рисунок ниже)

Пара источников 120 В перем. Тока, фазированных под углом 120 °, аналогично разделенной фазе.

Поскольку каждый источник напряжения составляет 120 вольт, и каждый нагрузочный резистор подключен непосредственно параллельно своему соответствующему источнику, напряжение на каждой нагрузке должно также составлять 120 вольт.Учитывая ток нагрузки 83,33 А, каждая нагрузка все равно должна рассеивать 10 киловатт мощности. Однако напряжение между двумя «горячими» проводами не составляет 240 вольт (120 ∠ 0 ° — 120 ∠ 180 °), потому что разность фаз между двумя источниками не равна 180 °. Вместо этого напряжение:

[латекс] E_ {total} = (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) — (120 \ text {V} \ angle \ text {120 °}) [/ latex]

[латекс] \ pmb {E_ {total} = 207,85 \ text {V} \ angle \ text {-30 °}} [/ латекс]

Условно мы говорим, что напряжение между «горячими» проводниками составляет 208 вольт (округляя в большую сторону), и, таким образом, напряжение системы питания обозначено как 120/208 В.

Если мы посчитаем ток через «нейтральный» провод, то обнаружим, что он не равен нулю, даже при сбалансированном сопротивлении нагрузки. Закон Кирхгофа говорит нам, что токи, входящие и выходящие из узла между двумя нагрузками, должны быть равны нулю:

[латекс] I _ {\ text {load # 1}} + I _ {\ text {load # 2}} + I _ {\ text {нейтральный}} = 0A [/ latex]

[латекс] \ begin {align} I _ {\ text {нейтральный}} = & -I _ {\ text {load # 1}} — I _ {\ text {load # 2}} \\ = & — (83.33 A \ angle \ text {0 °}) — (83,33 A \ angle \ text {120 °}) \\ = & \ pmb {83,33 A \ angle \ text {240 °}} \ text {или} \ pmb { 83,33 A \ angle \ text {-120 °}} \ end {align} [/ latex]

Итак, мы обнаруживаем, что «нейтральный» провод несет полный ток 83,33 А, как и каждый «горячий» провод.

Обратите внимание, что мы по-прежнему передаем 20 кВт общей мощности двум нагрузкам, при этом «горячий» провод каждой нагрузки, как и раньше, выдерживает 83,33 А. При одинаковом количестве тока через каждый «горячий» провод, мы должны использовать медные проводники одинакового сечения, поэтому мы не снизили стоимость системы по сравнению с системой с разделением фаз 120/240.Однако мы добились повышения безопасности, потому что общее напряжение между двумя «горячими» проводниками на 32 вольт ниже, чем было в системе с расщепленной фазой (208 вольт вместо 240 вольт).

Три источника напряжения вне фазы 120 °

Тот факт, что нейтральный провод пропускает ток 83,33 А, открывает интересную возможность: поскольку он в любом случае несет ток, почему бы не использовать этот третий провод в качестве еще одного «горячего» проводника, запитав другой нагрузочный резистор третьим источником 120 В, имеющим фазу. угол 240 °? Таким образом, мы могли бы передать на больше мощности (еще 10 кВт) без необходимости добавления дополнительных проводников.Посмотрим, как это может выглядеть:

Рис. 4.25. Если третья нагрузка смещена под углом 120 ° к двум другим, токи такие же, как и для двух нагрузок.

Полифазная схема

Эта схема, которую мы анализировали с тремя источниками напряжения, называется многофазной цепью . Префикс «поли» просто означает «более одного», как в « поли, теизм» (вера в более чем одно божество), « поли, гон» (геометрическая форма, состоящая из нескольких отрезков линии: например, пятиугольник и шестиугольник ) и « поли атомный» (вещество, состоящее из нескольких типов атомов).Поскольку все источники напряжения находятся под разными фазовыми углами (в данном случае три разных фазовых угла), это схема « поли фаза». В частности, это трехфазная цепь , которая используется преимущественно в крупных системах распределения электроэнергии.

Однофазная система

Давайте рассмотрим преимущества трехфазной системы питания по сравнению с однофазной системой с эквивалентным напряжением нагрузки и мощностью. Однофазная система с тремя нагрузками, подключенными напрямую параллельно, будет иметь очень высокий общий ток (83.33 раза по 3, или 250 ампер.

Рисунок 4.26 Для сравнения, три нагрузки по 10 кВт в системе 120 В переменного тока потребляют 250 А.

Для этого потребуется медный провод сечением 3/0 ( очень большой, !), С плотностью около 510 фунтов на тысячу футов и со значительным ценником. Если бы расстояние от источника до нагрузки составляло 1000 футов, нам потребовалось бы более полутонны медного провода для выполнения этой работы.

Двухфазная система

С другой стороны, мы могли бы построить двухфазную систему с двумя нагрузками по 15 кВт, 120 вольт.

Рисунок 4.27. Система с разделенной фазой потребляет половину тока 125 А при 240 В переменного тока по сравнению с системой на 120 В переменного тока.

Наш ток вдвое меньше того, что было при простой параллельной схеме, что является большим улучшением. Мы могли бы обойтись без использования медного провода калибра 2 при общей массе около 600 фунтов, из расчета около 200 фунтов на тысячу футов с тремя участками по 1000 футов каждый между источником и нагрузками. Тем не менее, мы также должны учитывать повышенную угрозу безопасности, связанную с наличием в системе 240 вольт, даже если каждая нагрузка получает только 120 вольт.В целом существует большая вероятность поражения электрическим током.

Трехфазная система

Если сравнить эти два примера с нашей трехфазной системой (рис. Выше), преимущества очевидны. Во-первых, токи в проводниках немного меньше (83,33 ампер против 125 или 250 ампер), что позволяет использовать гораздо более тонкий и легкий провод. Мы можем использовать провод калибра 4 с плотностью около 125 фунтов на тысячу футов, что составит 500 фунтов (четыре участка по 1000 футов каждый) для нашей примерной схемы.Это обеспечивает значительную экономию затрат по сравнению с системой с разделением фаз, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что максимальное напряжение в системе ниже (208 против 240).

Остается ответить на один вопрос: как вообще можно получить три источника переменного напряжения, фазовые углы которых разнесены точно на 120 °? Очевидно, что мы не можем отводить по центру обмотку трансформатора или генератора переменного тока, как мы это делали в системе с расщепленной фазой, поскольку это может дать нам только формы волны напряжения, которые либо совпадают по фазе, либо не совпадают по фазе на 180 °.Возможно, мы могли бы придумать способ использования конденсаторов и катушек индуктивности для создания фазовых сдвигов на 120 °, но тогда эти фазовые сдвиги также будут зависеть от фазовых углов наших импедансов нагрузки (замена резистивной нагрузки емкостной или индуктивной нагрузкой изменится. все!).

Лучший способ получить нужный сдвиг фаз — это генерировать его в источнике: сконструировать генератор переменного тока (генератор переменного тока), обеспечивающий мощность таким образом, чтобы вращающееся магнитное поле проходило через три набора проволочных обмоток, каждая из которых установите на расстоянии 120o по окружности машины, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 4.28 (a) Однофазный генератор переменного тока, (b) Трехфазный генератор переменного тока.

Вместе шесть «полюсных» обмоток трехфазного генератора переменного тока соединены, чтобы образовать три пары обмоток, каждая пара вырабатывает переменное напряжение с фазовым углом 120 °, смещенным от любой из двух других пар обмоток. Межсоединения между парами обмоток (как показано для однофазного генератора переменного тока: перемычка между обмотками 1a и 1b) для простоты не показаны на чертеже трехфазного генератора.

В нашем примере схемы мы показали три источника напряжения, соединенные вместе в конфигурации «Y» (иногда называемой конфигурацией «звезда»), с одним выводом каждого источника, привязанным к общей точке (узлу, к которому мы подключили «нейтраль»). Дирижер). Обычный способ изобразить эту схему подключения — нарисовать обмотки в форме буквы «Y», как показано на рисунке ниже.

Рисунок 4.29. Y-образная конфигурация генератора.

Конфигурация «Y» — не единственный доступный нам вариант, но, вероятно, поначалу ее легче всего понять.Подробнее об этом мы поговорим позже в этой главе.

  • Однофазная система питания — это система, в которой имеется только один источник переменного напряжения (одна форма волны напряжения источника).
  • Система с расщепленной фазой — это система, в которой есть два источника напряжения, сдвинутых по фазе на 180 ° друг от друга, которые питают две последовательно соединенные нагрузки. Преимуществом этого является возможность иметь более низкие токи в проводниках при сохранении низкого напряжения нагрузки по соображениям безопасности.
  • Многофазная система питания использует несколько источников напряжения, находящихся под разными фазовыми углами друг от друга (много «фаз» формы волны напряжения в работе). Многофазная система питания может обеспечивать большую мощность при меньшем напряжении с проводниками меньшего сечения, чем однофазные или двухфазные системы.
  • Источники сдвинутого по фазе напряжения, необходимые для многофазной энергосистемы, создаются в генераторах переменного тока с несколькими наборами обмоток проводов. Эти наборы обмоток расположены по окружности вращения ротора под желаемым углом (-ами).

Трехфазный генератор

Давайте возьмем схему трехфазного генератора переменного тока, представленную ранее, и посмотрим, что происходит при вращении магнита.

Рисунок 4.30 Трехфазный генератор переменного тока

Фазовый сдвиг на 120 ° является функцией фактического углового сдвига трех пар обмоток. Если магнит вращается по часовой стрелке, обмотка 3 будет генерировать свое пиковое мгновенное напряжение ровно 120 ° (вращения вала генератора) после обмотки 2, которое достигнет своего пика 120 ° после обмотки 1.Магнит проходит через каждую пару полюсов в разных положениях во вращательном движении вала. То, где мы решим разместить обмотки, будет определять величину фазового сдвига между формами сигналов переменного напряжения обмоток. Если мы сделаем обмотку 1 нашим «эталонным» источником напряжения для фазового угла (0 °), то обмотка 2 будет иметь фазовый угол -120 ° (120 ° с запаздыванием или 240 ° вперед), а обмотка 3 — угол -240 °. (или 120 ° вперед).

Чередование фаз

Эта последовательность фазовых сдвигов имеет определенный порядок.Для вращения вала по часовой стрелке порядок 1-2-3 (сначала обмотка 1 пика, затем обмотка 2, затем обмотка 3). Этот порядок повторяется, пока мы продолжаем вращать вал генератора.

Рисунок 4.31 Чередование фаз по часовой стрелке: 1-2-3.

Однако, если мы обратим вращение вала генератора переменного тока (повернем его против часовой стрелки), магнит пройдет мимо пар полюсов в противоположной последовательности. Вместо 1-2-3 у нас будет 3-2-1.Теперь форма волны обмотки 2 будет вперед 120 ° впереди 1 вместо запаздывания, а 3 будет еще на 120 ° впереди 2.

Рисунок 4.32 Последовательность фаз при вращении против часовой стрелки: 3-2-1.

Порядок последовательностей сигналов напряжения в многофазной системе называется чередованием фаз или чередованием фаз . Если мы используем многофазный источник напряжения для питания резистивных нагрузок, чередование фаз не будет иметь никакого значения. Независимо от того, 1-2-3 или 3-2-1, значения напряжения и тока будут одинаковыми.Как мы вскоре увидим, есть некоторые применения трехфазного питания, которые зависят от того, имеет ли чередование фаз ту или иную сторону.

Детекторы чередования фаз

Поскольку вольтметры и амперметры были бы бесполезны для определения чередования фаз в действующей системе питания, нам нужен какой-то другой инструмент, способный выполнять эту работу.

В одной оригинальной схеме используется конденсатор для введения сдвига фаз между напряжением и током, который затем используется для определения последовательности путем сравнения яркости двух индикаторных ламп на рисунке ниже.

Рисунок 4.33 Детектор последовательности фаз сравнивает яркость двух ламп.

Две лампы имеют одинаковое сопротивление нити накала и одинаковую мощность. Конденсатор рассчитан на то, чтобы иметь примерно такое же реактивное сопротивление на системной частоте, что и сопротивление каждой лампы. Если бы конденсатор был заменен резистором, равным сопротивлению ламп, две лампы светились бы с одинаковой яркостью, схема сбалансирована. Однако конденсатор вносит фазовый сдвиг между напряжением и током в третьем плече цепи, равный 90 °.Этот фазовый сдвиг больше 0 °, но меньше 120 ° приводит к смещению значений напряжения и тока на двух лампах в соответствии с их фазовым сдвигом относительно фазы 3.

Обмен горячими проводами

Существует гораздо более простой способ изменить чередование фаз, чем реверсирование вращения генератора, с помощью : просто поменяйте местами любые два из трех «горячих» проводов, идущих к трехфазной нагрузке.

Этот трюк станет более понятным, если мы еще раз посмотрим на последовательность фаз трехфазного источника напряжения:

1-2-3 вращение: 1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3.. .

3-2-1 вращение: 3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1. . .

То, что обычно называют чередованием фаз «1-2-3», с таким же успехом можно назвать «2-3-1» или «3-1-2», двигаясь слева направо в числовой строке выше? Точно так же противоположное вращение (3-2-1) можно так же легко назвать «2-1-3» или «1-3-2».

Начиная с чередования фаз 3-2-1, мы можем попробовать все возможности для замены любых двух проводов за раз и посмотреть, что произойдет с результирующей последовательностью на рисунке ниже.

Рисунок 4.34. Все возможности перестановки любых двух проводов.

Независимо от того, какую пару «горячих» проводов из трех мы выберем для замены, чередование фаз в конечном итоге меняется на противоположное (1-2-3 меняются на 2-1-3, 1-3-2 или 3-2. -1, все равнозначно).

  • Чередование фаз или чередование фаз — это порядок, в котором формы волны напряжения многофазного источника переменного тока достигают своих соответствующих пиков. Для трехфазной системы есть только две возможные последовательности фаз: 1-2-3 и 3-2-1, соответствующие двум возможным направлениям вращения генератора.
  • Чередование фаз не влияет на резистивные нагрузки, но влияет на несимметричные реактивные нагрузки, как показано в работе схемы детектора поворота фаз.
  • Чередование фаз можно изменить, поменяв местами любые два из трех «горячих» выводов, подающих трехфазное питание на трехфазную нагрузку.

Трехфазное соединение звездой (Y)

Первоначально мы исследовали идею трехфазных систем питания, соединив три источника напряжения вместе в так называемой конфигурации «Y» (или «звезда»).Такая конфигурация источников напряжения характеризуется общей точкой подключения, соединяющей одну сторону каждого источника.

Рисунок 4.35 Трехфазное соединение «Y» имеет три источника напряжения, подключенных к общей точке.

Если мы нарисуем схему, показывающую, что каждый источник напряжения представляет собой катушку с проводом (генератор переменного тока или обмотку трансформатора), и произведем небольшую перестановку, конфигурация «Y» станет более очевидной на рисунке ниже.

Рисунок 4.36. Трехфазное четырехпроводное соединение «Y» использует «общий» четвертый провод.

Три проводника, идущие от источников напряжения (обмоток) к нагрузке, обычно называются линиями , а сами обмотки обычно называют фазами . В системе с Y-соединением может или не может быть (рисунок ниже) нейтральный провод, присоединенный к точке соединения посередине, хотя это, безусловно, помогает облегчить потенциальные проблемы, если один из элементов трехфазной нагрузки выйдет из строя, как обсуждалось. ранее.

Рисунок 4.37 Трехфазное трехпроводное соединение «Y» не использует нейтральный провод.

Значения напряжения и тока в трехфазных системах

Когда мы измеряем напряжение и ток в трехфазных системах, нам нужно уточнить значение , где мы измеряем . Напряжение сети означает величину напряжения, измеренного между любыми двумя проводниками линии в сбалансированной трехфазной системе. В приведенной выше схеме линейное напряжение составляет примерно 208 вольт. Фазовое напряжение относится к напряжению, измеренному на любом одном компоненте (обмотка источника или сопротивление нагрузки) в сбалансированном трехфазном источнике или нагрузке.Для схемы, показанной выше, фазное напряжение составляет 120 вольт. Термины линейный ток и фазный ток следуют той же логике: первый относится к току через любой один линейный проводник, а второй — к току через любой один компонент.

Источники и нагрузки, подключенные по схеме Y, всегда имеют линейные напряжения выше фазных, а линейные токи равны фазным токам. Если источник или нагрузка, подключенные по схеме Y, сбалансированы, линейное напряжение будет равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3:

.

Для цепей «Y»:

[латекс] \ begin {align} \ tag {4.1} \ text {E} _ {\ text {line}} & = \ sqrt {3} \ text {E} _ {\ text {phase}} \\ \ text {I} _ {\ text {line}} & = \ text {I} _ {\ text {phase}} \ end {align} [/ latex]

Однако конфигурация «Y» не единственная допустимая для соединения трехфазного источника напряжения или элементов нагрузки.

Трехфазная конфигурация, треугольник (Δ)

Другая конфигурация известна как «Дельта» из-за ее геометрического сходства с одноименной греческой буквой (Δ). Обратите внимание на полярность каждой обмотки на рисунке ниже.

Рисунок 4.38 Трехфазное, трехпроводное соединение Δ не имеет общего.

На первый взгляд кажется, что три таких источника напряжения создают короткое замыкание, электроны текут по треугольнику, и ничто иное, как внутренний импеданс обмоток, сдерживает их. Однако из-за фазовых углов этих трех источников напряжения это не так.

Закон Кирхгофа о напряжении при соединении треугольником

Одной из быстрых проверок этого является использование закона Кирхгофа по напряжению, чтобы увидеть, равны ли три напряжения вокруг контура нулю.Если они это сделают, тогда не будет доступного напряжения для проталкивания тока вокруг этого контура и, следовательно, не будет циркулирующего тока. Начиная с верхнего витка и двигаясь против часовой стрелки, наше выражение KVL выглядит примерно так:

[латекс] (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text {240 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text { 120 °}) [/ латекс]

Все равно нулю?

Да!

Действительно, если мы сложим эти три векторные величины вместе, они в сумме дадут ноль.Другой способ проверить тот факт, что эти три источника напряжения могут быть соединены вместе в петлю без возникновения циркулирующих токов, — это разомкнуть петлю в одной точке соединения и рассчитать напряжение на разрыве:

Рисунок 4.39 Напряжение в открытом состоянии Δ должно быть нулевым.

Начиная с правой обмотки (120 В 120 °) и продвигаясь против часовой стрелки, наше уравнение KVL выглядит следующим образом:

[латекс] (120 \ text {V} \ angle \ text {120 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text { 240 °}) + \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ латекс]

[латекс] 0 + \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ латекс]

[латекс] \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ латекс]

Конечно, на разрыве будет нулевое напряжение, что говорит нам о том, что ток не будет циркулировать в треугольной петле обмоток, когда это соединение будет выполнено.

Установив, что трехфазный источник напряжения, подключенный по схеме Δ, не сгорит дотла из-за циркулирующих токов, перейдем к его практическому использованию в качестве источника питания в трехфазных цепях. Поскольку каждая пара линейных проводов подключается непосредственно к одной обмотке в цепи Δ, линейное напряжение будет равно фазному напряжению. И наоборот, поскольку каждый линейный проводник присоединяется к узлу между двумя обмотками, линейный ток будет векторной суммой двух соединяющихся фазных токов.Неудивительно, что результирующие уравнения для Δ-конфигурации выглядят следующим образом:

Для цепей Δ («треугольник»):

[латекс] \ begin {align} \ tag {4.2} \ text {E} _ {\ text {line}} & = \ text {E} _ {\ text {phase}} \\ \ text {I} _ {\ text {line}} & = \ sqrt {3} \ text {I} _ {\ text {phase}} \ end {align} [/ latex]

Анализ схемы примера соединения треугольником

Давайте посмотрим, как это работает на примере схемы: (Рисунок ниже)

Когда каждое сопротивление нагрузки получает 120 В от соответствующей фазной обмотки источника, ток в каждой фазе этой цепи будет 83.33 ампера:

[латекс] I \: = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I \: = \ frac {10 кВт} {120 В} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I = 83.33A} \ text {(для каждого нагрузочного резистора и обмотки источника)} [/ латекс]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = √3 \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = √3 (83,33 A) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {\ text {I} _ {\ text {line}} = 144,34 A} [/ латекс]

Преимущества трехфазной системы Delta

Таким образом, ток каждой линии в этой трехфазной системе питания равен 144.34 ампера, что значительно больше, чем линейные токи в системе с Y-соединением, которую мы рассматривали ранее. Можно задаться вопросом, не потеряли ли мы все преимущества трехфазного питания здесь, учитывая тот факт, что у нас такие большие токи в проводниках, что требует более толстого и более дорогого провода. Ответ — нет. Хотя для этой схемы потребуются три медных проводника калибра 1 (на расстоянии 1000 футов между источником и нагрузкой это составляет чуть более 750 фунтов меди для всей системы), это все же меньше, чем 1000+ фунтов меди, необходимых для Однофазная система, обеспечивающая одинаковую мощность (30 кВт) при одинаковом напряжении (120 В между проводниками).

Одним из явных преимуществ системы с Δ-соединением является отсутствие нейтрального провода. В системе с Y-соединением нейтральный провод был необходим на случай, если одна из фазных нагрузок выйдет из строя (или отключится), чтобы не допустить изменения фазных напряжений на нагрузке. Это не обязательно (или даже возможно!) В схеме с Δ-соединением. Когда каждый элемент фазы нагрузки напрямую подключен к соответствующей обмотке фазы источника, фазное напряжение будет постоянным независимо от обрывов в элементах нагрузки.

Пожалуй, самым большим преимуществом источника с Δ-подключением является его отказоустойчивость. Одна из обмоток трехфазного источника, подключенного по схеме Δ, может открыться при отказе (рисунок ниже) без влияния на напряжение или ток нагрузки!

Рис. 4.40. Даже при выходе из строя обмотки источника линейное напряжение по-прежнему составляет 120 В, а напряжение фазы нагрузки по-прежнему составляет 120 В. Единственная разница заключается в дополнительном токе в оставшихся функциональных обмотках источника.

Единственным последствием разрыва обмотки источника для источника, подключенного по схеме Δ, является увеличение фазного тока в остальных обмотках.Сравните эту отказоустойчивость с системой с Y-соединением, имеющей обмотку с открытым источником, на рисунке ниже.

Рис. 4.41. Разомкнутая обмотка источника «Y» уменьшает вдвое напряжение на двух нагрузках подключенной нагрузки Δ.

При подключении нагрузки по схеме Δ два сопротивления испытывают пониженное напряжение, в то время как одно остается при исходном линейном напряжении, 208. Нагрузка, подключенная по схеме Y, постигает еще худшую судьбу (рисунок ниже) с таким же отказом обмотки в схеме с подключением по схеме Y. источник.

Рисунок 4.42 Обмотка с открытым истоком системы «Y-Y» снижает вдвое напряжение на двух нагрузках и полностью теряет одну нагрузку.

В этом случае два сопротивления нагрузки испытывают пониженное напряжение, а третье полностью теряет напряжение питания! По этой причине источники с Δ-соединением предпочтительнее для надежности. Однако, если требуются двойные напряжения (например, 120/208) или предпочтительны для более низких линейных токов, предпочтительной конфигурацией являются системы с Y-соединением.

  • Проводники, подключенные к трем точкам трехфазного источника или нагрузки, называются линиями .
  • Три компонента, составляющие трехфазный источник или нагрузку, называются фазами .
  • Напряжение линии — это напряжение, измеренное между любыми двумя линиями в трехфазной цепи.
  • Фазовое напряжение — это напряжение, измеренное на отдельном компоненте трехфазного источника или нагрузки.
  • Линейный ток — это ток через любую линию между трехфазным источником и нагрузкой.
  • Фазный ток — это ток через любой компонент, содержащий трехфазный источник или нагрузку.
  • В симметричных Y-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3, а линейный ток равен фазному току.
  • Для цепей «Y»:

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

  • В симметричных Δ-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, а линейный ток равен фазному току, умноженному на квадратный корень из 3.
  • Для цепей Δ («треугольник»):

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

  • Трехфазные источники напряжения, подключенные по схеме Δ, обеспечивают большую надежность в случае отказа обмотки, чем источники с подключением по схеме Y. Однако источники, подключенные по схеме Y, могут выдавать такое же количество энергии при меньшем линейном токе, чем источники, подключенные по схеме Δ.

Переменный ток — Energy Education

Переменный ток (AC) — это тип электрического тока, вырабатываемого подавляющим большинством электростанций и используемого в большинстве систем распределения электроэнергии.Переменный ток дешевле генерировать и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. [1] Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше. В отличие от постоянного тока направление и сила переменного тока меняются много раз в секунду.

Недвижимость

Рис. 1. Анимация из моделирования [2] переменного тока PhET, которое было значительно замедлено.См. Для сравнения постоянный ток.

Переменный ток меняет направление потока заряда (60 раз в секунду в Северной Америке (60 Гц) и 50 раз в секунду в Европе (50 Гц)). Обычно это вызвано синусоидально изменяющимися током и напряжением, которые меняют направление, создавая периодическое движение назад и вперед для тока (см. Рисунок 1). Несмотря на то, что этот ток течет назад и вперед много раз в секунду, энергия по-прежнему непрерывно течет от электростанции к электронным устройствам.{2} R [/ math]

Мощность, передаваемая по линии, однако, имеет другое выражение:

[математика] P_ {передано} = IV [/ математика]

Как видно из первого уравнения, мощность, потерянная при передаче, пропорциональна квадрату тока через провод. Следовательно, предпочтительно минимизировать ток через провод, чтобы уменьшить потери энергии.Конечно, минимизация сопротивления также уменьшит потери энергии, но ток оказывает гораздо большее влияние на количество потерянной энергии из-за того, что его значение возводится в квадрат. Второе уравнение показывает, что если напряжение увеличивается, ток уменьшается эквивалентно для передачи той же мощности. Следовательно, напряжение в линиях передачи очень высокое, что снижает ток, что, в свою очередь, сводит к минимуму потери энергии при передаче. Вот почему переменный ток предпочтительнее постоянного тока для передачи электричества, так как намного дешевле изменить напряжение переменного тока.Однако существует предел, при котором более нецелесообразно использовать переменный ток по сравнению с постоянным током (см. Передача HVDC).

Использование и преимущества

Большинство устройств (например, большие заводские динамо-машины), которые напрямую подключены к электросети, работают на переменном токе, а электрические розетки в домах и коммерческих помещениях также подают переменный ток. Устройства, которым требуется постоянный ток, например ноутбуки, обычно имеют адаптер переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный. [5]

Переменный ток является предпочтительным во всем мире, поскольку он имеет много явных преимуществ по сравнению с постоянным током. Для полной разбивки различий между ними см. AC vs DC. Некоторые преимущества включают: [6]

  • Дешевое и эффективное повышение напряжения с помощью трансформаторов. Как объяснялось выше, это позволяет осуществлять энергоэффективную передачу электроэнергии по линиям электропередач. Эта эффективная передача энергии экономит энергетическим компаниям и потребителям много денег и помогает уменьшить загрязнение, поскольку электростанциям не нужно компенсировать потерю электроэнергии за счет использования большего количества топлива.
  • Низкие затраты на техническое обслуживание высокоскоростных двигателей переменного тока.
  • Легко отключить ток (например, с помощью автоматического выключателя), поскольку ток естественным образом стремится к нулю каждые 1/2 цикла. Например, автоматический выключатель может отключать примерно 1/20 постоянного тока от переменного тока.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета, которая исследует, как работает переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

AC и DC (переменный ток и постоянный ток) — разница и сравнение

Электроэнергия течет двумя способами: переменным током (AC) или постоянным током (DC) .Электричество или «ток» — это не что иное, как движение электронов по проводнику, например по проводу. Разница между переменным и постоянным током заключается в направлении потока электронов. В постоянном токе электроны стабильно движутся в одном направлении, или «вперед». В переменном токе электроны постоянно меняют направление, иногда идя «вперед», а затем «назад».

Переменный ток — лучший способ передавать электричество на большие расстояния.

Таблица сравнения

Сравнительная таблица переменного и постоянного тока
переменного тока постоянного тока
Количество передаваемой энергии Безопасно для передачи на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока не начнет терять энергию.
Причина направления потока электронов Вращающийся магнит вдоль провода. Постоянный магнетизм вдоль провода.
Частота Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны. Частота постоянного тока равна нулю.
Направление Он меняет направление на противоположное при движении по контуру. Он течет по контуру в одном направлении.
Ток Это ток, величина которого меняется со временем Это ток постоянной величины.
Поток электронов Электроны меняют направление движения — вперед и назад. Электроны стабильно движутся в одном направлении или «вперед».
Получено от Генератор переменного тока и сеть. Элемент или батарея.
Пассивные параметры Импеданс. Только сопротивление
Коэффициент мощности Входит между 0 и 1. это всегда 1.
Типы Синусоидальный, трапециевидный, треугольный, квадратный. Чистый и пульсирующий.
Переменный и постоянный ток. По горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной оси — напряжение.

Истоки переменного и постоянного тока

Магнитное поле около провода заставляет электроны течь в одном направлении вдоль провода, потому что они отталкиваются отрицательной стороной магнита и притягиваются к положительной стороне.Так родилась мощность постоянного тока от батареи, в первую очередь благодаря работе Томаса Эдисона.

Генераторы переменного тока

постепенно заменили систему батарей постоянного тока Эдисона, потому что переменный ток безопаснее передавать на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Вместо постоянного приложения магнетизма к проводу ученый Никола Тесла использовал вращающийся магнит. Когда магнит был ориентирован в одном направлении, электроны текли к положительному положению, но когда ориентация магнита менялась, электроны также вращались.

Видео сравнения переменного и постоянного тока

Применение трансформаторов переменного тока

Еще одно различие между переменным и постоянным током заключается в количестве энергии, которое он может переносить. Каждая батарея предназначена для выработки только одного напряжения, и это напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока не начнет терять энергию. Но напряжение переменного тока от генератора на электростанции может быть увеличено или уменьшено с помощью другого механизма, называемого трансформатором .Трансформаторы располагаются на электрическом столбе на улице, а не на электростанции. Они изменяют очень высокое напряжение на более низкое, подходящее для вашей бытовой техники, такой как лампы и холодильники.

Хранение и преобразование из переменного тока в постоянный и наоборот

AC можно даже переключить на постоянный ток с помощью адаптера, который вы можете использовать для питания аккумулятора вашего ноутбука. DC можно «подтолкнуть» вверх или вниз, только это немного сложнее. Инверторы изменяют постоянный ток на переменный. Например, для вашего автомобиля инвертор изменит 12 вольт постоянного тока на 120 вольт переменного тока, чтобы запустить небольшое устройство.Хотя постоянный ток можно хранить в батареях, вы не можете хранить переменный ток.

Список литературы

Поделитесь этим сравнением:

Если вы дочитали до этого места, подписывайтесь на нас:

«Переменный ток против постоянного (переменный ток против постоянного)».

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *