Параметры
В характеристике переменного тока различают параметры основные и дополнительные.
- частота;
- период;
- амплитуда;
- действующее значение.
Дополнительные:
- угловая частота;
- фаза;
- мгновенное значение.
Рассмотрим их подробно.
Частота
Буквенное обозначение — f, единица измерения — герц (Гц). Обозначает число полных циклов колебаний тока за секунду.
Частота переменного тока на выходе простейшего генератора определяется частотой вращения его ротора. В системе электроснабжения России и других стран бывшего СССР, используется ток частотой 50 Гц.
Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте
В ряде случаев частоту путем преобразования тока повышают. К примеру, в инверторных сварочных аппаратах и импульсных блоках питания — до 20 – 80 кГц. При такой частоте значительно уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем. В некоторых устройствах частоту доводят до нескольких МГц.
Период
Обозначение — «Т», единица измерения — секунда. Период — продолжительность полного цикла колебаний тока. С частотой данный параметр связан следующей зависимостью:
Т = 1 / f.
Соответственно, в электросети период тока составляет 1 / 50 = 0,02 с = 20 мс.
Амплитуда
Максимальное значение силы тока или ЭДС, соответствует вершине полуволны. Обозначается, соответственно, Imи Um. За период, указанные величины достигают амплитудных значений дважды — с положительным и отрицательным знаком.
Действующее значение
Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному по производимой работе. Постоянно меняющийся переменный ток неудобно использовать в расчетах, потому его заменяют действующим значением. Обозначается литерами I и U.
Для синусоидальных тока и ЭДС определяется по формуле:
I = 2^(-1/2) * Im = (1/1,414) * Im = 0,707 Im;
U = 2^(-1/2) * Um = 0.707 Um;
Напряжение 220 В бытовой электросети — это действующее значение. Амплитуда составляет 311 В. Аналогично, если говорят, что нагрузка потребляет ток в 5А, подразумевают действующее значение. Амплитуда тока составляет 7,07 А.
Угловая частота
Обозначает скорость изменения угла α в формуле расчета ЭДС. Соответствует угловой частоте вращения ротора. Поскольку за один период угол а меняется на 2π при стандартной частоте f = 50 Гц, угловая частота составит: ω = 2π * 50 = 100 π.
Фаза — характер изменения угла α относительно точки отсчета времени. Токи и ЭДС могут совпадать по фазе или иметь сдвиг. Последний измеряется в радианах, градусах или долях периода. При сдвиге по фазе на π (1/2 периода) говорят, что величины находятся в противофазе.
Сдвиг фаз переменного тока и напряжения
Виды тока, классификация
В физике различают следующие виды тока:
- постоянный — не меняющий величину, направление во времени;
- переменный — меняющий свои параметры;
- периодический — повторяющий свои мгновенные значения через определенные временные промежутки в одинаковой последовательности;
- синусоидальный — изменяющий свою величину по синусоидальному закону;
- высокой частоты;
- пульсирующий.
Если речь идет о движении макроскопических заряженных тел (к примеру, дождевых капель), то ток принято называть конвекционным. Если же имеется в виду движение заряженных частиц внутри макроскопических тел, то говорят о токе проводимости.
§ 77. Трехфазный ток
Из систем многофазного тока наибольшее применение на практике получил трехфазный синусоидальный ток.
Трехфазный синусоидальный ток получается следующим образом. Если в однородном магнитном поле полюсов N — S (рис. 169) поместить три витка, расположив каждый из них по отношению к другому под углом 120°, и вращать витки с постоянной угловой скоростью, то в витках будут индуктироваться э.д.с., которые также будут сдвинуты по фазе на 120°. Если принять начальную фазу первого витка равной нулю, то э.д.с. в витках выразятся следующими уравнениями:
e1 = Еm1 sin ωt;
e2 = Em2 sin(ωt — 120°);
e3 = Em3 sin(ωt — 240°).
Рис. 169. Вращение витков в однородном магнитном поле
Справа на рис. 169 показана векторная диаграмма э.д.с. трех витков. Как было сказано выше, длина векторов равна действующему значению э.д.с.
На практике для получения трехфазного тока на статоре генератора переменного тока помещают три обмотки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 120°. Они называются фазными обмотками, или просто фазами генератора.
На рис. 170 слева схематически показан двухполюсный генератор трехфазного тока. На статоре машины имеются три обмотки с одинаковым числом витков, сдвинутые на 120° (для двухполюсной машины). Буквами A, В и С отмечены начала; буквами X, Y и Z — концы обмоток.
Рис. 170. Получение трехфазного переменного тока
Основное магнитное поле создается обмоткой, имеющейся на роторе. Через щетки и кольца к концам этой обмотки подается постоянное напряжение от специального генератора постоянного тока или от выпрямителя. Ротор генератора при помощи первичного двигателя (паровой турбины, гидротурбины, двигателя внутреннего сгорания и т. п.) приводится во вращение; его магнитное поле пересекает обмотки статора и в них индуктируются синусоидальные э.д.с.
Справа на той же фигуре показаны кривые изменения индуктированных э.д.с. во всех трех обмотках. Положение, в котором показан ротор на левой части фигуры, отмечено на правой части пунктиром ае1. В этот момент катушка I находится над серединами полюсов электромагнита, величина индуктированной в ней э.д.с. имеет максимальное значение и направлена согласно правилу правой руки от конца катушки к ее началу. э.д.с. в катушке II отстает по фазе от э.д.с. в катушке I на 1/3 периода и э.д.с. в катушке III отстает от э.д.с. в катушке II также на 1/3 периода.
Катушки II и III находятся в зоне действия южного полюса электромагнита ротора, поэтому индуктированные э.д.с. в этих катушках направлены от их начала к концу.
Три такие же синусоиды, как показано на рис. 170, можно получить путем вращения трех векторов, изображающих в масштабе максимальную величину э.д.с. в катушках статора генератора и сдвинутых один относительно другого на 120° (рис. 171).
Рис. 171. Построение трех синусоид, сдвинутых по фазе на 120°, путем вращения трех векторов, расположенных под углом 120°
Все сказанное ранее об электродвижущих силах относится также к токам и напряжениям. В соответствии с данным выше общим определением отметим, что система трех переменных э.д.с. одной частоты и одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе одна относительно другой на 120° [2π/3], называется трехфазной симметричной системой.
Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и делаются из провода одного сечения. Э.д.с., индуктированные в этих обмотках, будут равны по величине. Если каждая из трех фаз генератора будет работать на отдельную нагрузку (рис. 172), то мы будем иметь несвязанную трехфазную систему. В этом случае генератор связан с потребителем шестью проводами. Ток, протекающий в фазе, согласно закону Ома,
| Iф | Uф | , |
| zф |
где Iф — фазный ток;
Uф — напряжение фазной обмотки генератора;
zф — полное сопротивление фазы потребителя.
Рис. 172. Шестипроводная система трехфазного тока
Несвязанная система трехфазного тока на практике не применяется.
Существуют два основных способа соединения фазных обмоток генераторов, трансформаторов и потребителей трехфазного тока: соединение по схеме звезды и соединение по схеме треугольника.
Нужно отметить, что русский инженер М. О. Доливо-Добровольский своими работами (1888 г.) способствовал быстрому внедрению трехфазного тока и широкому распространению его на практике.
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:
на Восточно-Сибирской железной дороге: участок Слюдянка — Иркутск — Зима; — на Октябрьской железной дороге: участок Лоухи — Мурманск; — на Приволжской железной дороге: Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы; — на Северо-Кавказской железной дороге: участки Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.
Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).
Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна
Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.
Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.
Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость)
В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот»
Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.
Как распределяются виды энергии в каждой системе
Различные виды энергии используются в жилых и коммерческих зданиях, на транспорте, в промышленности и электроэнергетике. Электроэнергетическая система является крупнейшим потребителем первичной и используется для выработки электроэнергии. Почти вся электроэнергия используется в зданиях и промышленности. Общее количество электроэнергетической системы, используемой в жилых и коммерческих зданиях, промышленности и транспорте огромное.
Почти все ядерное топливо используется в электроэнергетической системе для выработки электроэнергии. Её доля в России составляет 18% от первичной энергии. Во Франции – 75%, Венгрии – 52% , Украине – 56%. В среднем в мире порядка 10%.
Смесь первичных источников широко варьируется в различных системах спроса. Энергетическая политика, призванная повлиять на использование конкретного основного источника с целью повлиять на окружающую среду, экономическую или энергетическую безопасность сосредоточивается на системах, которые являются основными пользователями этого типа энергии. Например, 71% нефти используется в транспортной системе, где она потребляет 92% от общего объема первичного энергопотребления.
Политика по сокращению потребления нефти чаще всего относится к транспортной системе. Эта политика обычно стремится увеличить эффективность автомобильного топлива или поощрять развитие альтернативных видов топлива.
Около 91% угля и только 1% из нефти, используется для выработки электроэнергии, что выявляет стратегию, влияющую на выработку электроэнергии, и имеет гораздо большее значение на использование угля, чем использование нефти.
Некоторые первичные виды энергии, такие как ядерная и угольная, полностью или преимущественно используются для добычи электричества. Другие, такие как природный газ и возобновляемые источники, более равномерно распределены по системам. Аналогичным образом сейчас транспорт почти полностью зависит от одного вида топлива (нефтяного).
Однако электроэнергетика с внедрением новых технологий больше использует различные источники энергии для выработки электричества. Например, идут практические реализации для получения электричества из биомассы.
Изменяется ли потребление топлива с течением времени
Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.
Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.
Слайды и текст этой презентации
трехфазный переменный ток
Генераторы переменного тока
Генераторы переменного тока
(устаревшее «альтерна́тор») — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.
При одинаковых габаритах, массе активных материалов (стали и меди) и потерях энергии мощность однофазной машины в 1,5 раза меньше мощности трехфазной машины. Поэтому для электрификации используется трехфазная система переменного тока.
Генераторы переменного тока
Соединение обмоток генератора.
Обмотки генератора соединяют между собой в звезду или в треугольник.
Соединение обмоток генератора.
Соединении обмоток генератора звездой: концы всех трех фаз соединяют в общую точку О, а к началам подсоединяют провода, отводящие энергию в сеть.
три провода называются линейными, а напряжение между любыми двумя линейными проводами — линейным напряжением
Соединение обмоток генератора ЗВЕЗДОЙ
Общая точка соединения концов называемый нулевым проводом
Напряжение между любым из трех линейных проводов и нулевым проводом равно напряжению между началом и концом одной фазы, т. е. фазному напряжению Uф.
Соединение обмоток генератора.
Соединении обмоток генератора треугольником: начало каждой фазы соединяется с концом другой фазы. Таким образом, три фазы генератора образуют замкнутый контур.
при соединении обмоток генератора треугольником линейное напряжение равно фазному: Uл = Uф.
Соединении обмоток генератора треугольником:
Приняв направление фазных и линейных токов за положительное, которое указано на рисунке а, на основании первого закона Кирхгофа для мгновенных значений токов можно написать следующие выражения:
iA = iАВ — iСА; iВ = iВС — iАВ; iС = iСА — iВС.
Так как токи синусоидальны, заменим алгебраическое вычитание мгновенных значений токов геометрическим вычитанием векторов, изображающих действующие значения токов:
Соединении обмоток генератора треугольником:
Из векторной диаграммы рисунка легко определить соотношение между линейными и фазными токами при соединении обмоток генератора в треугольник:
Трехфазные электрические цепи
Мощность трехфазной цепи
Активная мощность трехфазной цепи
Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз:
фазах; φ — сдвиг фаз между напряжением и током в фазах.
Активная мощность в симметричной трехфазной цепи
,
Реактивная мощность трехфазной цепи
В симметричной трехфазной цепи суммарная реактивная мощность равна утроенной реактивной мощности одной фазы:
Полная мощность трехфазной цепи
S = 3UфIф= √3UлIл. Мгновенная мощность трехфазной цепи равна сумме мгновенных мощностей фаз; в симметричной трехфазной цепи она постоянна, равна активной мощности, а сама цепь называется уравновешенной.
Определение, откуда берется, основные источники
В металлах и полупроводниках такими частицами выступают электроны, в газах — электроны и ионы, в электролитах — анионы и катионы.
Источники электрического тока бывают:
- Механическими. Это генераторы, которые при помощи падающей воды, газового или парового потока преобразуют механическую энергию в электрическую.
- Тепловыми. В этом случае ток возникает из-за разности температур двух контактирующих термопар — чем больше разность, тем сильнее ток.
- Световыми. Здесь речь идет о превращении энергии света в электричество при помощи солнечных батарей.
- Химическими, основанными на особенностях взаимодействия разных элементов.
Во всех случаях для существования постоянного тока необходимо наличие свободных зарядов, электрического поля, обеспечивающего их движение, замкнутой электрической цепи. В каждом источнике происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц, скапливающихся на его полюсах.
Принцип работы
Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:
Здесь:
- f – частота сети в Герцах;
- p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).
Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.
Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.
Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля
Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2
Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:
Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.
Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.
Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.
Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.
Статор
Статор асинхронного двигателя состоит из трёх частей: корпуса, сердечника и обмотки. Корпус статора служит в качестве опоры для электродвигателя. Изготавливают его из стали или чугуна, сваркой или литьём. К прочности корпуса предъявляются высокие требования, так как при работе возникают вибрации в результате которых может сместиться ротор, что приведёт к заклиниванию мотора и выходу его из строя.
Статор асинхронного двигателя
Есть и ещё одно требование — геометрия корпуса должна быть идеальной. Между обмоткой статора и ротором зазор делают в несколько миллиметров, так что малейшие отклонения могут быть критичны.
Сердечник статора
Сердечник статора асинхронного электродвигателя изготавливают из наборных металлических пластин. Так как сердечник является магнитопроводом, металл используется магнитная электротехническая сталь. Для уменьшения потерь из-за вихревых потоков сердечник набирается из пластин, покрытых слоем диэлектрика (лак).
Сердечник статора набирается из тонких металлических изолированных пластин
Толщина одной пластины — 0,35-0,5 мм. Они собираются в единый пакет, так чтобы пазы всех пластин совпадали. В эти пазы затем укладываются витки обмотки.
Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя
Статор асинхронного электромотора чаще всего имеет трёхфазную обмотку возбуждения. Она называется так, потому что является причиной движения ротора. Обмотка статора состоит из катушек, навитых из медной проволоки которые укладываются в пазы сердечника. Каждая обмотка может состоять из нескольких витков проволоки или из одного витка. Провод используется специальный, с лаковым покрытием, которое изолирует витки друг от друга и от стенок сердечника.
Как уже говорили, чаще всего обмотка статора асинхронного двигателя имеет три фазы. В этом случае оси катушек расположены со сдвигом 120°. При таком строении магнитное поле имеет два полюса и делает один полный оборот за один цикл трёхфазного питания. При частоте в электросети равной 50 Гц, скорость вращения поля (и ротора) 50 об/сек или 3000 об/мин.
Укладка катушек обмотки статора асинхронного двигателя
Для уменьшения скорости вращения ротора в асинхронном двигателе обмотку делают с большим количеством полюсов. Так с четырехполюсным стартером скорость вращения будет вдвое меньше — 1500 об/мин. Обмотка с шестью полюсами статора даёт втрое меньшую скорость — 1000 об/мин. С восемью полюсами — в четыре раза меньше, т. е. 750 об/мин. Ещё более «медленные» электромоторы делают очень редко.
Концы обмоток статора выводятся на клеммную коробку корпуса. Тут они могут соединяться по принципу «звезда» или «треугольник» в зависимости от типа подаваемого питания (220 В или 380 В).
Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода.
Обрывы на линии достаточно часто возникают по вине мастеров – они забывают подключить фазу либо ноль. Такие поломки достаточно распространены. Так же довольно часто происходит процесс отгорания нуля на подъездном щитке например, из-за высокой нагрузки в системе.
Если происходит порыв на любом участке цепи, то прекращает функционировать вся цепь, т.к. она размыкается
В таких ситуациях совершенно не важно, какой провод поврежден – фаза или ноль. То же самое случается и при порыве между распределительным щитом многоэтажки и щитком в подъезде
При таком порыве все потребители, которые были подключены к данному щитку, будут без электроэнергии.
Все ситуации, которые мы попытались описать выше, имеют место быть. Они могут показаться сложными, но не несут никакой опасности для человечества. Ведь обрыв произошел только одного провода, поэтому это совершенно не опасно.
Очень тревожная ситуация – когда пропадает контакт между контуром заземления на подстанции и средним пунктом, к которому поступает все напряжение внутридомового щитка.
Именно в таком варианте электрический ток движется по контурам AB, BC, CA. Совокупное напряжение этих контуров 380В. Именно по этой причине и возникает достаточно опасная ситуация – один щиток может вообще не иметь напряжения, потому что хозяин отключит все электроприборы, а на другом образуется очень высокий уровень напряжения, около 380В. Это может способствовать выходу из строя многих приборов, потому что для них необходимо напряжение в 220В.
Естественно, появление данной ситуации можно избежать. Имеется масса недорогого/дорогостоящего оборудования, которое защитит вашу технику от скачков напряжения. К такому оборудованию относится и стабилизатор напряжения. Различают такие виды стабилизаторов:
- Однофазный;
- Трехфазный.
Источник: