В помощь мастеру. Выпуск 2.

Z1vПеременное напряжение, ток, мощность, частота, фаза, cos(ϕ).

В предыдущем «Выпуске 1» были рассмотрены основные понятия и определения постоянного напряжения, тока, мощности.

В этой статье рассмотрим максимально коротко и просто, самое важное для переменного напряжения и тока.

Постоянный ток с течением времени не меняет своё направления. У него на клеммах есть плюс (+) и (-). Переменный ток со временем меняет направление. У него на клеммах нет обозначений плюс и минус.

Примеры источников постоянного напряжения и тока мы уже называли. Это батареи, аккумуляторы, выпрямители и т.д.

Источниками переменного напряжения и тока являются генераторы. Простейшим примером генератора переменного напряжения (тока) является вращающаяся между полюсами постоянного магнита рамка из проводника.

рамк с ручкой 2нv

Согласно закону электромагнитной индукции, в такой рамке будет появляться ЭДС (электродвижущая сила). На контактах рамки будет напряжение, величина и знак которого будет меняться в зависимости от положения рамки относительно полюсов магнита, т.е. переменное напряжение. Если к контактам рамки подключить нагрузку, то через нее потечет переменный ток.

Условно это изменение можно отобразить синусоидой.

Синус U v

На этом графике по вертикальной оси, выше 0 положительное напряжение (Um), ниже 0 отрицательное напряжение (-Um). По горизонтальной оси время.

Время, в течение которого процесс проходит полностью, называется периодом. На графике обозначен “T”. Далее процесс повторяется. Для рамки период равен 360 градусов, что на графике соответствует 2π. Период измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и т.д.

Величина обратная периоду (Т) называется частота (F). Измеряется в Герцах (Гц), килогерцах (кГц), мегагерцах (мГц) и т.д.

F(Гц) = 1/ Т (с)

Стандарт частоты в электросетях большинства стран 50 Гц, в некоторых 60 Гц.

При непрерывном вращении рамки процесс формирования напряжения на ее контактах так же непрерывный. Измерение периода мы можем начать в любой момент и его величина будет одинаковой. На графике это показано обозначением периода Т вверху и внизу.

Например, рамка находится в положении, когда напряжение на ее контактах равно 0 (самая левая точка графика). Повернув рамку на 90 градусов (1/4 Т) мы получим максимум положительного напряжения. При дальнейшем повороте рамки положительное напряжение плавно уменьшится до 0. Это 180 градусов поворота рамки (1/2 Т ). Положительная полуволна закончилась.

При дальнейшем повороте рамки на ее контактах будет расти напряжение противоположной, отрицательной полярности, так как стороны рамки будут приближаться к противоположным полюсам магнита. При 270 градусах (3/4 Т) отрицательное напряжение на контактах рамки достигнет своего максимального отрицательного значения. При дальнейшем повороте рамки оно будет плавно уменьшаться и при положении рамки 360 градусов (Т) станет равно 0. Далее процесс повторяется.

При измерении переменного напряжения вольтметры показывают не амплитудное значение (Ua=Um), которое соответствует максимуму на графике, а действующее, которое равно:

Ud = Ua/√2     или   Ud = 0,707 Ua

220 В это действующее значение напряжения в квартирной розетке. При этом амплитудное значение напряжения составляет :

220В : 0,707 = 310 В

Об этом нужно помнить при замене радиодеталей, которые по схеме соединены с розеткой. Их допустимое рабочее напряжение должно быть не 220 В, а с запасом превышать 310 В.

Если между магнитами расположить три рамки, смещенные друг относительно друга на 120 градусов, то на выходе генератора мы получим три синусоиды, максимумы и минимумы которых также будут смещены друг относительно на те же 120 градусов. В этом случае говорят о трехфазном переменном напряжении, а сдвиг 120 градусов, называют углом сдвига фаз и обозначают (ϕ).

3 рамки кз c vfuy v

Переменное напряжение, в отличие от постоянного, с помощью трансформаторов можно повышать и понижать. Это очень важно при передаче электрической энергии на большие расстояния.

Рассмотрим на примере.

Допустим, нам нужно передать электрическую мощность 10 кВт на расстояние 10 км. Определение мощности (Р=U×I) мы уже рассмотрели в предыдущем «Выпуске 1«.

Из справочника берем сопротивление 1 км провода, например, А-120, оно приблизительно равно 0,27 Ом, значит 10 км это 2,7 Ом.

Если напряжение 220В, то ток будет равен: 10000 Вт: 220 В = 45,5 А. (Для упрощения сдвигом фаз пренебрегаем).

Падение напряжения на линии электропередач составит: 45,5 х 2,7 Ом = 123 В.

Т.е. более половины энергии потеряется в линии передач в виде тепла. Очевидно, что это недопустимо.

Если при помощи трансформатора мы повысим напряжение до 10000 В, то при передаче той же мощности ток составит 10000 Вт : 10000 В = 1 А.

Падение напряжения составит 1 А х 2,7 Ом = 2,7 В.

Т.е. до потребителя дойдет 220В – 2,7 В = 217,3 В это почти 99%.

На месте напряжение снова понижается до значения 220 В и подается потребителю.

Переменное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров можно преобразовать в постоянное напряжение нужной величины и мощности. Подробнее об этом можно посмотреть здесь.

Переменное напряжение и ток в нагрузках с индуктивностью и емкостью не совпадают по фазе. Другими словами максимум напряжения и тока во времени сдвинуты относительно друг друга. Мощность определяется как произведение  величины напряжения на величину тока. При наличии сдвига фаз между ними это учитывается дополнительным коэффициентом cos (φ), где (φ) – угол сдвига фаз напряжения и тока. Формула определения мощности в этом случае имеет вид:

Р = U × I × cos(φ)

Подробнее об этом можно посмотреть здесь и здесь.

Если нагрузка активная и значения напряжения и тока совпадают, угол сдвига фаз (φ) равен 0, cos(φ) при этом равен 1 и формула определения мощности имеет вид, как и в случае постоянного напряжения и тока:

Р = U × I

 

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *