Цепи переменного тока. определение и основные характеристики

Измерьте ток с магнитным датчиком

В качестве альтернативы предыдущих схем, вы можете измерить переменный ток с одним магнитным датчиком (датчик Холла).

Просто приближается датчик в проводе получается сигнал, пропорциональный ток, который проходит через него.

Теоретически, можно было бы также использовать этот метод для измерения постоянного тока, но система будет чувствительна к каждой магнитной несимметрии. Так что в этом проекте мы ограничимся для измерения переменного тока с частотой электрической сети.

Этот метод не требует никаких электрических соединений с проволочными путями от напряжения сети, так что это очень безопасно.

В документации, которая разряжается в конце этой статьи вы найдете таблицу с инициалами датчиков, которые будут использоваться, совет поместить датчик, изображения для ссылок и процедур калибровки шкалы.

Мощность в активном сопротивлении

Мгновенное значение мощности для цепи с резистором:

Из рисунка видно, что потребляемая резистором мгновенная мощность остается все время положительной, но пульсирует с удвоенной по отношению к силе тока и э. д. с. частотой.

Действующее значение мощности:

Активная мощность в цепи с идеальной катушкой индуктивности и конденсатором равна 0. Реактивная мощность определяется выражением:

Аналогично можно проделать для цепи с идеальным конденсатором:

В произвольной цепи переменного тока потребляемая одновременно активной и реактивной нагрузками суммарная мощность

Но так как , следовательно, . Мы приходим к выводу, что суммарная средняя мощность, потребляемая полной цепью переменного тока, равна активной мощности.

где S — полная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока, ВА;

a — сдвиг по фазе между колебаниями э. д. с. и силы тока.

Дополнительно по теме

  • История формирования ТОЭ
  • Основные понятия электрических цепей
  • Электрические цепи постоянного тока
  • Пример расчета цепей постоянного тока
  • Электрические цепи переменного тока
  • Расчет цепей переменного тока
  • Символический метод расчета цепей
  • Резонансные явления
  • Переходные процессы
  • Трехфазные цепи
  • Симметричные составляющие трехфазной системы
  • Нелинейные цепи
  • Несинусоидальные токи и напряжения
  • Магнитные цепи

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

  1. частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
  2. амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;
  3. действующее значение

    . Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;

  4. форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

  1. он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
  2. при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
  3. сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

  1. трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
  2. индукционные нагреватели;
  3. дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток, в отличие от постоянного, с определенной периодичностью меняет направление и величину. Генерируется он путем вращения проволочного витка в магнитном поле или, наоборот, магнитного поля при неподвижном витке.

Наводимая ЭДС зависит от синуса угла, на который повернут ротор генератора. Потому все переменные электрические величины являются синусоидальными. Существует два вида цепей переменного тока – одно- и трехфазные.

Параметры переменного тока:

  1. амплитуда: максимальное отклонение от нуля. Оно достигается при положении плоскости витка перпендикулярно силовым линиям поля. В момент времени, когда плоскость витка и силовые линии становятся параллельными, ЭДС падает до нуля, затем меняет знак;
  2. частота: число полных циклов за секунду (в основном используется ток частотой в 50 Гц);
  3. мгновенное значение: величина параметра в данный момент времени;
  4. действующее значение (см. ниже).

Недостаток переменного тока: при малых частотах опаснее для живых организмов, чем постоянный.

Однофазные

В однофазной цепи генератор имеет одну обмотка для индукции ЭДС и к ней подключен один проводник. Источников тока может быть и несколько, но они должны работать в одной фазе и на одной частоте.

Трехфазные

В статоре генератора 3-фазной цепи имеется 3 обмотки для индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол в 120 n градусов, где n — число пар полюсов. Соответственно, наводимые в каждой обмотке ЭДС отличаются по фазе на угол в 120 градусов (электрический угол).

При отдельном подключении каждой обмотки для передачи энергии требуется 6 проводов. Систему называют несвязной и сегодня она не применяется ввиду повышенных затрат материалов.

Экономически более целесообразна связанная система, когда обмотки соединены одним из двух способов:

  1. «звездой». Обмотки одной стороной замкнуты в одной точке. Это дает возможность применить один нулевой провод, общий для всех фаз, то есть система получается 4-проводной. А если токи в фазах равны (симметричная нагрузка), необходимость в использовании нулевого провода отпадает: токи гасят друг друга (их векторная сумма равна нулю). В этом случае применяется 3-проводная система;
  2. «треугольником». Обмотки образуют замкнутый контур: каждая своим концом подключается к началу следующей. В каждой фазе формируется линейное напряжение, равное фазному. Но величина фазного тока окажется в 1,72 раза ниже линейного.

Трехфазная система электроснабжения превосходит однофазную в следующем:

  1. требуется меньше материалов для изготовления силовых кабелей;
  2. для одной установки доступно два напряжения: фазное (фаза – нейтраль) и линейное (фаза – фаза). То есть при изменении схемы подключения нагрузки со «звезды» на «треугольник», получают два уровня мощности;
  3. есть возможность получать вращающееся магнитное поле, чем удешевляется конструкция электродвигателей и других устройств. Для этого в статоре двигателя размещают равноудаленно три обмотки, подключенные к разным фазам;
  4. система уравновешена. К примеру, 3-фазные люминесцентные светильники почти не мерцают, в отличие от 1-фазных. В таком светильнике имеется три лампы или группы ламп, подключенных к разным фазам. Когда светимость одной лампы уменьшается, соседняя разгорается. Происходит взаимокомпенсация.

Благодаря уравновешенности одинаково распределяется нагрузка на генератор и тот служит дольше.

Различия токов

Незнание отличий приводит к неправильному подключению потребителей напряжения к источникам питания. Это вызывает повреждение приборов или, того хуже, опасные для жизни ситуации.

Чтобы чётко разобраться, какой ток называется переменным, какой постоянным, нужно сопоставить параметры.

При сравнении характеристик этих двух видов электричества выделяют отличия:

  1. Физические – у переменного тока сила и направление состоят во временной зависимости. В бытовой сети частота пульсации – 50 Гц. Полярность изменяется по синусоиде 50 раз за секунду. Носители зарядов постоянного тока направленности не меняют.
  2. Конструктивные – на выводах или контактах у DC присутствуют « + » и «– », а у АС на электродах – «ноль» и «фаза». В случае трёхфазной сети 4 контакта: один «ноль» и три «фаза».
  3. Принцип вырабатывания – постоянный ток получают в результате электролитических и химических реакций окисления, работы генераторов постоянного тока и солнечных батарей. Переменный ток вырабатывается трёхфазными генераторами.
  4. В преобразовании – оба вида получают путём превращения одного в другой посредством полупроводниковых выпрямителей и инверторов.

Принцип получения переменной ЭДС

Реферат

по дисциплине: «Электротехника»

на тему: «Электрические цепи переменного тока»

Работу выполнил: Семенов Д.А. Проверил: Моисеева О.В.

2. Принцип получения переменной ЭДС. Действующее значение тока и напряжения

3. Метод векторных диаграмм

4. Цепь переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью

5. Цепь переменного тока с разной нагрузкой

6. Последовательная цепь, содержащая активное сопротивление, индуктивность и емкость

7. Резонанс напряжений и токов

8. Проводимость и расчет электрических цепей

10. Список литературы

Введение

До конца 19 века использовались только источники постоянного тока – химические элементы и генераторы. Это ограничивало возможности передачи электрической энергии на большие расстояния. Как известно, для уменьшения потерь в линиях электропередачи необходимо использовать очень высокое напряжение. Однако получить достаточно высокое напряжение от генератора постоянного тока практически невозможно. Проблема передачи электрической энергии на большие расстояния была решена только при использовании переменного тока и трансформаторов.

Принцип получения переменной ЭДС

Переменный ток имеет ряд преимуществ по сравнению с постоянным: генератор переменного тока значительно проще и дешевле генератора постоянного тока; переменный ток можно трансформировать; переменный ток легко преобразуется в постоянный; двигатели переменного тока значительно проще и дешевле, чем двигатели постоянного тока.

В принципе переменным током можно назвать всякий ток, который с течением времени изменяет свою величину, но в технике переменным током называют такой ток, периодически изменяет и величины и направление. Причем среднее значение силы такого тока за период Т равно нулю. Периодическим переменный ток называется потому, что через промежутки времени Т, характеризующие его физические величины принимают одинаковые значения.

В электротехнике наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, т.е. ток, величина которого изменяется по закону синуса (или косинуса), обладающий рядом достоинств по сравнению с другими периодическими токами.

Переменный ток промышленной частоты получают на электростанциях с помощью генераторов переменного тока (трехфазных синхронных генераторов). Это довольно сложные электрические машины, рассмотрим только физические основы их действия, т.е. идею получения переменного тока.

Пусть в однородном магнитном поле постоянного магнита равномерно вращается с угловой скоростью ω рамка площадью S .(рис. 1).

Магнитный поток через рамку будет равен:

где α – угол между нормалью к рамке n и вектором магнитной индукции B. Поскольку при равномерном вращении рамки ω= α/t, то угол α будет изменяться по закону α= ω t и формула(1.1) примет вид:

Поскольку при вращении рамки пересекающий ее магнитный поток все время меняется, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС индукции Е :

Е= -dФ/dt =BSωsinωt =E0sinωt (1.3)

где Е0 = BSω – амплитуда синусоидальной ЭДС. Таким образом, в рамке возникнет синусоидальная ЭДС, а если замкнуть рамку на нагрузку, то в цепи потечет синусоидальный ток.

Величину ωt = 2πt/Т = 2πft, стоящую под знаком синуса или косинуса, называют фазой колебаний, описываемых этими функциями. Фаза определяет значение ЭДС в любой момент времени t. Фаза измеряется в градусах или радианах.

Время Т одного полного изменения ЭДС (это время одного оборота рамки) называют периодом ЭДС. Изменение ЭДС со временем может быть изображено на временной диаграмме (рис. 2).

Величину, обратную периоду, называют частотой f = 1/T. Если период измеряется в секундах, то частота переменного тока измеряется в Герцах. В большинстве стран, включая Россию, промышленная частота переменного тока составляет 50Гц (в США и Японии – 60 Гц).

Величина промышленной частоты переменного тока обусловлена технико-экономическими соображениями. Если она слишком низка, то увеличиваются габариты электрических машин и, следовательно, расход материалов на их изготовление; заметным становится мигание света в электрических лампочках. При слишком высоких частотах увеличиваются потери энергии в сердечниках электрических машин и трансформаторах. Поэтому наиболее оптимальными оказались частоты 50 – 60 Гц. Однако, в некоторых случаях используются переменные токи как с более высокой, так и более низкой частотой. Например, в самолетах применяется частота 400 Гц. На этой частоте можно значительно уменьшить габариты и вес трансформаторов и электромоторов, что для авиации более существенно, чем увеличение потерь в сердечниках. На железных дорогах используют переменный ток с частотой 25 Гц и даже 16,66 Гц.

Источник



Устройство катушки

Катушку изготавливают путем наматывания на цилиндрический или тороидальный каркас провода в изоляции. Изоляция — обязательный атрибут, без нее из-за межвиткового замыкания, катушка превратится в обычный проводник.


На концах намотанного провода устанавливают контакты. С их помощью катушка индукции подключается в цепь последовательно с нагрузкой. Внутрь каркаса может помещаться металлический сердечник.

При изготовлении катушки провод наматывают двумя способами:

  1. в один слой: такую обмотку называют «рядовой с шагом»;
  2. в несколько слоев: способ обозначают терминами «внавал» или «универсал».

Расстояние, на которое витки провода отстоят друг от друга, называется шагом. При намотке некоторых катушек шаг постепенно увеличивают (прогрессивный шаг), чем добиваются снижения паразитной емкости.

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

  • улучшая эффективность электрического фильтра;
  • улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

  • по схеме моста;
  • по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Схема устройства стабилизатора напряжения

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Будет интересно Что такое заземление простыми словами

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатораU2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iнодновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Силовой трансформатор

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Диодный мост

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Работа и мощность электрического тока

Формула мощности (Р) электрического тока напрямую зависит от его работы (А). Под работой тока подразумевается преобразование электрической энергии в механический, тепловой, световой или иной ее вид. Величина данного процесса напрямую зависит от времени его протекания, силы тока и напряжения в сети. Это можно выразить следующей формулой – А=IxUxt. Произведение (IxU) является ничем иным как мощностью. Следовательно, чем выше напряжение или сила тока в сети, тем большую мощность имеет электрический ток и большую работу он может совершить за единицу времени. Формула мощности электрического тока имеет следующий вид – Р=А/t или Р=IxU.

Работа электрического тока формулаФормула мощности электрического тока

Поэтому, если необходимо вычислить, какую работу производит ток, протекая по цепи в течение определенного времени, необходимо умножить мощность на временной промежуток, выраженный в секундах. Рассмотрим применение формул расчета работы и мощности электрического тока на примере электрического двигателя, подключенного к сети 220 В, а сила тока, измеренная амперметром для этого участка, составила 10А.

Р (мощность двигателя) = 10А (сила тока) х 220В (напряжение в сети) = 2200 Вт = 2,2 кВт.

Зная данный показатель, а также реальное или предполагаемое время функционирования электродвигателя можно определить какую работу он совершит за этот отрезок времени или другим словами сколько будет потрачено электроэнергии. Если двигатель был включен, например, 1 час, то можно найти искомое значение.

А (работа, совершенная двигателем) = 2,2 кВт (мощность) х 1 (время работы в часах) = 2,2 кВт ч. Именно этот показатель будет отражен на приборе учета расхода электроэнергии.

Исходя из того, что электрический ток является физическим процессом, то какой-либо его неизвестный параметр можно определить, зная его остальные характеристики. Приведем наиболее распространенные формулы для определения характеристик электрической цепи применяемые в электротехнике.

Мощность

  • P= U* I
  • P= R* I2
  • P = U2/ R

В заключение отметим, что приведенная информация справедлива для цепей с постоянным электрическим током. Формулы, применяемые для расчета характеристик переменного тока, будут отличаться за счет введения дополнительных переменных и характеристик свойственных данному типу электричества.

https://youtube.com/watch?v=MdDENv5vsJc

Подключение трансформатора тока

Подключение трансформатора тока в цепь может осуществляться сразу несколькими способами:

Схема 1

Итак, данная система состоит сразу из трех трансформаторов тока, которые обобщены и закреплены в одну звезду. Эту схему принято использовать в качестве цепной защиты от короткого замыкания (будь то многофазное или однофазное замыкание). В том случае, если по цепи проходит ток ниже установленного уровня реле (ka 1-ka 3), то режим работы будет считаться нормальным и цепная защита короткого замыкания не сработает.

Схема №1

Стоит сказать, что ток, протекающий в цепи от ka 0-реле, принято воспринимать в виде геометрической суммы тока (сумма всех 3-х его фаз) Если увеличить в какой-либо фазе ток, то защитная цепь короткого замыкания включится в работу (реле (ka 1-ka 3)).
Для отключения трансформатора в этой цепи и схеме необходимо по-просту приземлить ток.

Схема 2

Вторая схема подключения трансформатора тока в цепь имеет схожие черты с первой. Однако, есть существенные отличия, о которых нельзя не сказать

Итак, это структура, включающая несколько трансформаторов тока, как правило, используется в целях безопасности цепи от межфазного замыкания (важное замечание – электрическая цепь имеет нейтральную заземленность)

Схема №2

Данная система начнет работать в случае прохождения тока через реле (опять же ka 1-ka 3) и наличия не самых мощных элементов (потребителя и источника).

Схема 3

Пришло время поговорить и о схеме под номером три, не имеющей серьезных отличий от предыдущих. Она представляет из себя некое соединение в форме треугольника, где нормальный режим работы осуществляется путем проникновения тока в реле.

Схема №3

Как правило, эта структура применяется в электрических установках для проведения релейных ( релейных – означает дифференциальных, которые отличаются своей селективностью и быстротой действия).

Схема 4

И, наконец, последний – четвертый вид схемы.

Схема №4

Данная структура считается достаточно практичной и универсальной. Это связано с тем, что процесс подключения трансформатора тока в таком виде не только позволяет защитить электрическую цепь от однофазных/межфазных замыканий, но и способна повысить величину тока в необходимых реле.

Отключение также происходит путем заземления.