Naizmjenična struja

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
     Sinusoidna
Tri primjera izmjeničnih struja:      Sinusoidna struja      Struja mreškanja uzeta iz dva poluprstena istosmjernog generatora      Ispravljena i izglađena struja izvučena iz armature DC generatora s velikim brojem krugova i kolektorskih ploča

Izmjenična struja je električna struja čija se veličina tijekom vremena mijenja, obično u smjeru u električnom krugu [1] .

Iako se izmjenična struja često prevodi na engleski kao izmjenična struja , pojmovi nisu ekvivalentni. Pojam izmjenične struje (AC) u užem smislu označava sinusoidnu struju, u širem smislu - periodičnu izmjeničnu struju (odnosno periodičnu dvosmjernu struju). Simboli na električnim uređajima: ili (znak sinusoida ), ili latiničnim slovima ...

Opći pojam izmjenične struje

Budući da se izmjenična struja u općem slučaju mijenja u električnom krugu ne samo po veličini , već i po smjeru, jedan od smjerova izmjenične struje u krugu se konvencionalno smatra pozitivnim, a drugi, suprotno prvom, negativnim. U skladu s tim, vrijednost trenutne vrijednosti izmjenične struje u prvom slučaju smatra se pozitivnom, au drugom - negativnom.

Jačina izmjenične struje je skalarna veličina, njen predznak je određen smjerom u kojem struja teče u krugu u razmatranom trenutku - pozitivno ili negativno.

Veličina izmjenične struje koja odgovara danom trenutku vremena naziva se trenutna vrijednost izmjenične struje .

Maksimalna trenutna vrijednost izmjenične struje koju dosegne tijekom svoje promjene naziva se amplituda struje ...

Graf ovisnosti izmjenične struje o vremenu naziva se nesavijeni dijagram izmjenične struje.
Prošireni dijagram izmjenične sinusne struje

Na slici je prikazan detaljan dijagram izmjenične struje koja se tijekom vremena mijenja po veličini i smjeru. Na horizontalnoj osi - vremenskoj osi - vremenski intervali su ucrtani u određenoj skali, a na okomitoj osi - jačina struje, pri čemu je pozitivan smjer odabran prema gore, a negativan prema dolje.

U početnom trenutku vremena struja je nula ... Zatim, s vremenom, raste u pozitivnom smjeru, odjednom doseže maksimalnu vrijednost , nakon čega se smanjuje i u trenutku vremena postaje nula. Zatim, prolazeći kroz nultu vrijednost, struja mijenja svoj smjer u suprotan, odnosno struja postaje negativna, zatim raste u apsolutnoj vrijednosti (težeći prema dolje), dostiže maksimum (u apsolutnoj vrijednosti) na , a zatim opada (u apsolutnoj vrijednosti), težeći nuli i na postaje nula.

Periodična izmjenična struja

Prošireni dijagram periodične izmjenične struje

Periodična izmjenična struja je električna struja koja, u pravilnim intervalima , ponavlja cijeli ciklus svojih promjena, vraćajući se na svoju izvornu vrijednost.

U prikazanom dijagramu, u pravilnim intervalima trenutni grafikon se reproducira u cijelosti bez ikakvih promjena.

Vrijeme , tijekom kojeg izmjenična periodična struja čini puni ciklus svojih promjena, vraćajući se na svoju izvornu vrijednost, naziva se period izmjenične struje .

Recipročna vrijednost perioda naziva se frekvencija izmjenične struje:

, gdje
- AC frekvencija;
- period izmjenične struje.

Izražavanje vremena u sekundama (s), tada ćemo imati:

, odnosno dimenzija frekvencije izmjenične struje jednaka je T −1 , a u SI se izražava u s −1 .

Frekvencija izmjenične struje brojčano je jednaka broju razdoblja u odnosu na vremenski period.

Jedinica za mjerenje frekvencije izmjenične struje je 1 herc (Hz) - u čast Heinricha Hertza . U osnovnim jedinicama SI, herc se izražava na sljedeći način: 1 Hz = 1 s −1 . Decimalni višekratnici i podvišekratnici formiraju se pomoću standardnih SI prefiksa .

Frekvencija izmjenične struje je jedan herc ako je period struje jedna sekunda (jedan potpuni ciklus u jednoj sekundi).

Standardi frekvencije

U većini zemalja u elektrotehnici se koriste frekvencije od 50 ili 60 Hz (od kojih je druga prihvaćena u SAD-u i Kanadi ). U nekim zemljama, kao što je Japan , koriste se oba standarda (pogledajte Frekvencija izmjenične struje ).

16 ⅔ Hz se još uvijek koristi u nekim europskim željezničkim mrežama ( Austrija , Njemačka , Norveška , Švedska i Švicarska ), 25 Hz na starijim željezničkim prugama u SAD-u (vidi članak ).

U zrakoplovstvu i vojnoj tehnici frekvencija od 400 Hz koristi se za smanjenje težine uređaja ili povećanje brzine motora izmjenične struje.

Brzina rotora sinkroni motor određuje se formulom:

, gdje

- AC frekvencija;

Je broj parova polova.

Budući da je minimalni broj parova polova jednak jedan, sinkroni elektromotor koji radi na izmjeničnu struju frekvencije 50 herca razvija 3.000 o/min , a elektromotor koji radi na izmjeničnu struju frekvencije 400 herca - 24.000 o/min . Brzina rotora asinkronog elektromotora manja je od frekvencije struje koja ga napaja i ovisi o opterećenju. Klizanje je razlika između brzine vrtnje rotirajućeg magnetskog polja i brzine rotacije rotora.

U tehnologiji prijenosa informacija (osobito u radiotehnici ) koriste se više frekvencije - reda milijuna i milijardi herca.

AC sinusoidna struja

Oscilacije njihala također se pokoravaju zakonu sinusa .
Ako zapišete projekciju putanje matematičkog njihala na pokretnu papirnatu traku, dobit ćete sinusoidu .

Sinusoidna struja je periodična izmjenična struja koja se skladno mijenja tijekom vremena.

Sinusoidna struja se smatra elementarnom, odnosno ne može se razložiti na druge jednostavnije izmjenične struje [2] .

AC sinusoidna struja izražava se formulom:

, gdje

- amplituda sinusne struje;

- određeni kut , koji se naziva faza sinusne struje .

Sinusoidna strujna faza promjene proporcionalno vremenu ...

Faktor uključeno u fazni izraz Je kutna (kružna) frekvencija izmjenične struje , koja je konstantna.

Kutna frekvencija sinusna struja ovisi o frekvenciji ove struje i određuje se formulom:

, gdje

- kutna frekvencija sinusoidne struje;

- frekvencija sinusoidne struje;

- period sinusne struje;

Je li ukupni kut izražen u radijanima .

Ovisnost sinusoidne struje o vremenu
Ovisnost sinusne struje o kutu ωt
Razdoblje odgovara kutu , polovica razdoblja injekcija itd…

Na temelju formule , možete odrediti dimenziju kutne (kružne) frekvencije:

, gdje

- dimenzija vremena u minus prvi stupanj,

Je kut u radijanima, što je bezdimenzionalna veličina.

Faza sinusoidna struja se mjeri u radijanima .

1 radijan = 57,29 ° = 57 ° 17 ′, kut 90 ° = radijan, kut 180 ° = radijan, kut 270 ° = radijan, kut 360° = radijan,
gdje
radijan; - broj "pi" , ° - kutni stupanj i -kutna minuta .

Formula opisuje slučaj kada promatranje promjene izmjenične sinusoidne struje počinje od trenutka ... Ako početni trenutak vremena nije jednak nuli, tada formula za određivanje trenutne vrijednosti izmjenične sinusoidne struje ima sljedeći oblik:

, gdje

- faza izmjenične sinusne struje;

- kut koji se naziva početna faza izmjenične sinusne struje .

AC početna faza
AC početna faza

Ako je u formuli prihvatiti , onda ćemo imati

, i ...

Početna faza je faza sinusoidne struje u to vrijeme ...

Početna faza izmjenične sinusne struje može biti pozitivna ili negativan veličina. Na trenutna vrijednost sinusoidne struje u vremenu pozitivno, za - negativan.

Ako početna faza , tada se struja određuje formulom ... Njegova trenutna vrijednost u trenutku jednaki

, odnosno jednak pozitivnoj amplitudi struje.

Ako početna faza , tada se struja određuje formulom ... Njegova trenutna vrijednost u trenutku jednaki

, odnosno jednak negativnoj amplitudi struje.

Višefazna izmjenična struja

Dvije sinusne struje su jedna s drugom u fazi
Sinusoidne struje su fazno pomaknute za kut

Dvije izmjenične sinusne struje su u fazi ako imaju istu fazu i stoga istovremeno dosežu svoju nultu i maksimalnu vrijednost istog predznaka.

Lijeva ilustracija prikazuje nesložene trenutne dijagrame. i ... Struje i su u fazi.

Dvije izmjenične sinusoidne struje su međusobno pomaknute po fazi ako imaju različite faze.

Na desnoj ilustraciji, struje i van faze za kut , jer

...

Trenutno fazna vodeća struja u kutu , ili, drugim riječima, struja zaostaje u fazi u odnosu na struju u kutu ...

Trofazna struja

Detaljan dijagram trofazne struje.      Faza "A" (ili U1), fazni pomak 0 °      Faza "B" (ili U2), fazni pomak 120 °      Faza "C" (ili U3), fazni pomak 240 °
Trofazni električno spojeni sustav, zvjezdasto spojen na nulu : generator G lijevo, opterećenje M desno.
Trofazni električno spojen sustav, a generator G i opterećenje M su spojeni u trokut.

Među polifaznim sustavima izmjenične sinusne struje najviše se koristi trofazni sustav napajanja .

Trofazni sustav je skup od tri jednofazna električna kruga u kojima djeluju tri elektromotorne sile iste frekvencije, fazno pomaknute jedna u odnosu na drugu za kut ...

Stator trofaznog alternatora ima tri potpuno identične zavojnice smještene na zajedničkom prstenastom ( toroidalnom ) magnetskom krugu , pomaknute jedna u odnosu na drugu za 120 °. Sinusoidne elektromotorne sile induciraju se u namotima, 120° izvan faze jedna u odnosu na drugu.

Ako se u prvom svitku inducira elektromotorna sila ,

tada će se u drugom svitku inducirati elektromotorna sila ,

u trećem svitku – elektromotorna sila ,

gdje , i - trenutne vrijednosti elektromotornih sila u pojedinim zavojnicama;

, i - amplitude elektromotornih sila u pojedinim zavojnicama.

Ako je opterećenje spojeno na svaku zavojnicu, tada će u ovim krugovima teći sljedeće struje:

,

gdje , i - trenutne vrijednosti struja u prvom, drugom i trećem svitku;

, i - amplitude struja u zavojnicama;

, i - kutovi faznog pomaka između elektromotornih sila i struja u zavojnicama.

Trofazni sustav naziva se simetričnim ako su amplitude elektromotornih sila u pojedinim fazama generatora jednake po veličini, odnosno: ...

Ako su u trofaznom sustavu pojedinačne faze potpuno neovisne jedna o drugoj električni krugovi , onda se takav sustav naziva električno nepovezanim , ima malo prednosti u odnosu na jednofazni sustav i ne nalazi praktičnu primjenu.

Trofazni sustav naziva se električno spojen ako su njegove pojedine faze međusobno električni spojene.

Trofazni električno spojeni sustav ima prednosti u odnosu na jednofazni sustav, jer zahtijeva manje metala za žice dok prenosi istu snagu.

Još jedna prednost trofaznog sustava je mogućnost dobivanja rotacijskog magnetskog polja , uz pomoć kojeg se provodi rad asinkronih motora, jednostavnih dizajna i praktičnih u radu.

Rotacijsko magnetsko polje također se koristi za rad kondenzatorskih , jednofaznih i dvofaznih asinkronih motora, ali su njihove karakteristike inferiornije od trofaznih asinkronih motora.

Трёхфазные системы как генератора, так и потребителя могут быть соединены «звездой» с нейтральным проводом, «звездой» без нейтрального провода или «треугольником».

  • Соединение «звездой» с нейтральным проводом — четырёхпроводное, нейтральный провод обеспечивает независимость работы только одной фазы потребителя от другой фазы, так как при малом падении напряжения в проводах напряжения на фазах потребителя относительно мало изменяются с изменением нагрузки фаз. Применяется при неравномерной нагрузке на фазы.
  • Соединение «звездой» без нейтрального провода — трёхпроводное, если результирующий ток в нейтральном проводе равен нулю, то отпадает необходимость в нём, что даёт экономию цветных металлов при передаче одной и той же мощности потребителю. Трёхфазная трёхпроводная система, соединённая «звездой», может применяться там, где нагрузка на фазы равномерна, например, при подключении трёхфазного асинхронного двигателя.
Если при трёхфазной трёхпроводной системе, соединённой «звездой», нагрузка оказывается неравномерной, то это ведёт к перераспределению напряжений на фазах потребителя в соответствии с их нагрузками и система перестаёт быть симметричной.
Например, если одну фазу потребителя « закоротить », то есть её напряжение станет равным нулю, то на остальных фазах напряжение возрастёт в против нормального. Это явление называется « перекос фаз ». В бытовых условиях «перекос фаз» происходит, например, когда в домашнем распределительном щите по какой-то причине отсоединяется нулевой провод.
  • Соединение «треугольником» — трёхпроводное. Применяется в основном потребителями с целью увеличения крутящего момента трёхфазного асинхронного двигателя, соответственно увеличивается его электрическая мощность при неизменном числе оборотов. Обмотки переключаются с «звезды» на «треугольник».
Или наоборот, когда необходимо электродвигатель (соединение обмоток «звезда»), рассчитанный, например, на напряжение 380 В включить под напряжение 220 В, в этом случае (обмотки также переключаются с «звезды» на «треугольник») его электрическая мощность и крутящий момент остаются неизменными.

Двухфазный ток

Упрощённая схема двухфазного генератора и диаграмма двухфазного переменного тока .
— внешнее постоянное магнитное поле.
Синхронный двухфазный двигатель постоянного тока (BLDC) привода вентилятора системы охлаждения компьютера . Постоянное напряжение питания (обычно 12 вольт) встроенной в вентилятор микросхемой преобразуется в двухфазный переменный ток.

Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол или на 90°.

Если две обмотки расположить в пространстве так, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны и эти обмотки питать двухфазным синусоидальным током, то в системе возникнут два взаимноперпендикулярных магнитных потока . Вектор суммарного магнитного поля будет вращаться с постоянной угловой скоростью , равной частоте питающего напряжения. При этом возникает вращающееся магнитное поле . Ротор выполненный в виде короткозамкнутого « беличьего колеса » или представляющий собой металлический цилиндр связанный с валом , будет вращаться, производя механическую работу.

Частота вращения двухфазного асинхронного двигателя, как и асинхронного трёхфазного двигателя , будет несколько меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля и зависит от нагрузки на валу — при её увеличении скорость вращения двигателя снижается. Разность частот питающего тока и частотой вращения называют частотой скольжения.

Действующее значение переменного синусоидального тока

Если все положительные и отрицательные мгновенные значения переменного синусоидального тока сложить, то их сумма будет равна нулю. Но если алгебраическая сумма всех мгновенных значений за период равна нулю, то и среднее значение этого тока за период также равно нулю: .

Среднее значение синусоидального тока за период не может служить для измерения этого тока.

Чтобы судить о величине переменного синусоидального тока, переменный ток сравнивают с постоянным током по их тепловому действию.

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты , выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке электрической цепи , пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и электрического сопротивления участка цепи.

Количество теплоты в Джоулях : ;

Количество теплоты в калориях : , где

— сила тока, Ампер ;

— электрическое сопротивление, Ом ;

— время в секундах .

Два тока, один из которых синусоидальный, а другой постоянный , эквивалентны по тепловому действию, если они, протекая по одинаковым сопротивлениям , за одинаковые отрезки времени выделяют одинаковое количество тепла.
Действующее значение переменного синусоидального тока численно равно току постоянному, эквивалентному данному синусоидальному току, то есть выделяющему порознь с ним в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени одинаковое количество тепла.

Найдено экспериментально, а затем подтверждено теоретически, что величина действующего значения переменного синусоидального тока находится в строго определённой зависимости от амплитуды этого тока: , то есть действующее значение переменного синусоидального тока в раз меньше амплитуды этого тока.

Амперметр электромагнитной или электродинамической системы , включенный в цепь переменного синусоидального тока, показывает действующее значение тока.

Аналогично действующему значению переменного синусоидального тока можно говорить о действующем значении переменной синусоидальной электродвижущей силы или переменного синусоидального напряжения .

Действующее значение напряжения в меньше его амплитуды: или .

Вольтметр электромагнитной или электродинамической системы , включенный в сеть переменного синусоидального тока, показывает действующее значение синусоидального напряжения.

Например, в электрической розетке электрическое напряжение , так как это действующее значение, амплитудное напряжение будет Вольт .

Данные формулы справедливы только для синусоидального тока, если импульсы будут треугольной, пилообразной, прямоугольной или иной формы — требуется другая методика вычисления.


Методом математического анализа можно определить среднее значение переменного синусоидального тока за половину периода, например за положительную полуволну синусоиды.

Среднее значение переменного синусоидального тока за половину периода равно .

Также можно определить отношение действующего значения тока к среднему за половину периода (положительную полуволну). Это отношение для синусоидального тока равно:

.

Генерирование переменного тока

Простейший генератор переменного тока : если вокруг проволочной катушки, намотанной на магнитопровод из трансформаторной стали вращать маховик с установленными в нём несколькими парами постоянных магнитов , то в катушке (условно показан один виток) будет наводиться синусоидальная ЭДС , а при подключении нагрузки в электрической цепи появится переменный ток.
Применяется на транспортных средствах ( мопеды , лёгкие мотоциклы , снегоходы , гидроциклы , а также на подвесных лодочных моторах ), работает совместно с выпрямителем и регулятором напряжения (см. магдино ) .

Принцип действия генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в проволочном контуре ( проволочной рамке ), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле .


Электродвижущая сила генератора переменного тока определяется по формуле:

, где

— количество витков;

магнитная индукция магнитного поля в вольт - секундах на квадратный метр ( Тл , Тесла );

— длина каждой из активных сторон контура в метрах ;

угловая скорость синусоидальной электродвижущей силы, в данном случае равная угловой скорости вращения магнита в контуре;

фаза синусоидальной электродвижущей силы.


Частота переменного тока, вырабатываемого генератором, определяется по формуле:

, где

— частота в герцах ;

— число оборотов ротора в минуту ;

— число пар полюсов.


По количеству фаз генераторы переменного тока бывают:

Инверторы

Постоянный ток может быть преобразован в переменный с помощью инвертора .

Недорогие модели инверторов имеют на выходе переменный ток несинусоидальной формы, обычно прямоугольные импульсы или модифицированная синусоида . Для получения синусоидального тока инвертор должен иметь задающий генератор (как правило, специализированная микросхема , формирующая электрический сигнал синусоидальной формы, который затем управляет работой тиристорных или транзисторных электронных ключей .

Фазорасщепитель

Трёхфазный ток может быть получен из однофазного при помощи фазорасщепителя . Эти электрические машины применяются, в частности, на электровозах , таких как ВЛ60 , ВЛ80 .

Сети переменного тока

Четырёхпроводная линия электропередачи 220/380 В, такие ЛЭП распространены в районах одноэтажной застройки, в сельской местности.
Два нижних провода — сеть проводного радиовещания .
Преобразование напряжения в электрических сетях
Схема разводки трёхфазной сети в многоквартирных жилых домах.

Производители электроэнергии ( ГЭС , ТЭС , ТЭЦ , атомные и другие электростанции ) генерируют переменный ток промышленной частоты (в России — 50 Гц), напряжением порядка 10 — 20 кВ.

Затем электрический ток поступает на трансформаторные подстанции , которые находятся рядом с электростанциями, где происходит повышение электрического напряжения .

Переменный ток высокого напряжения передаётся потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Повышение напряжения необходимо для того, чтобы уменьшить потери в проводах ЛЭП (см. Закон Джоуля — Ленца , при увеличении электрического напряжения уменьшается сила тока в электрической цепи, соответственно уменьшаются тепловые потери) .

Самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокчетав работала под напряжением 1 миллион 150 тысяч вольт.

На другом конце линии электропередачи находится понижающая трансформаторная подстанция, где высоковольтный переменный ток понижается трансформаторами до нужного потребителю значения.

В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередачи передаётся трёхфазный ток , однако существуют линии электропередачи постоянного тока , например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс , высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр , материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность , передавать электроэнергию между энергосистемами , использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия ) .

В России в электрических сетях общего назначения используется трёхфазный ток с межфазным напряжением 380 Вольт .

Качество электрической энергии — её электрическое напряжение и частота должны строго соблюдаться.

К жилым домам (на сельские улицы) подводятся четырёхпроводные (три фазовых провода и один нейтральный (нулевой) провод ) линии электропередачи (воздушные или кабельные ЛЭП) с межфазным напряжением 380 вольт (с 2003 года 400 Вольт по ГОСТ 29322-2014). В отдельную квартиру (или в сельский дом) подводится фазовый провод и нулевой провод, электрическое напряжение между «фазой» и «нулём» составляет 220 вольт (с 2003 года 230 Вольт по ГОСТ 29322-2014). Определить, где какой провод можно с помощью индикатора фазы .

Например, в первую квартиру подводится фаза «A», во вторую квартиру — фаза «B», в третью квартиру — фаза «C» и так далее…

Электрификация железных дорог на переменном токе

Российский пассажирский электровоз переменного тока ЭП1П , выпускается на Новочеркасском электровозостроительном заводе .

В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение ~ 25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь) подаётся на контактный провод , вторым (обратным) проводом служат рельсы . Также проводится электрификация по системе 2 × 25 кВ (два по двадцать пять киловольт) , когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение ~ 50 кВ (обычно до 55 кВ, с учётом потерь) , а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ (то есть 25 кВ) . Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 × 25 кВ в переделке не нуждаются.

Проводится политика на дальнейшее расширение полигона тяги переменного тока как за счёт вновь электрифицируемых участков, так и за счёт перевода некоторых линий с постоянного тока на переменный ток. Переведены в 1990-е — 2000-е годы:

Также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61 Д , ВЛ82 и ВЛ82 М , ЭП10 , ЭП20 ).

См. также

Примечания

  1. Д. Г. Максимов. Курс электротехники. — Издание третье, переработанное. — Москва: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1958. — С. 298. — 786 с.
  2. Теоретическая и практическая важность синусоидального гармонического тока обусловлена тем, что он имеет минимальную ширину спектра . Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации гармонических составляющих, имеющих соответствующие амплитуды, частоты и фазы. См. Гармонические колебания#Применение , Ряд Фурье .

Ссылки