Как из постоянного тока сделать переменный схема: Как из постоянного тока сделать переменный: схемы, виды преобразователей

Способы преобразования постоянного напряжения в переменное

Эйси в диси и диси в эйси) — преобразования постоянного тока в переменный и наоборот.

Источники тока и напряжения — это розетки или батарейки на бытовом уровне. На более продвинутым уровне познания электричества для получения тока и напряжения применяются другие варианты.

И для определенных целей может пригодится как ток постоянной величины, так и ток переменной величины. Поэтому важно уметь преобразовывать один во второй без существенных потерь.

Для преобразования постоянного тока в переменный используется инвертор — устройство, предназначенное для получения из постоянного тока одной величины переменный ток другой величины.

Для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямление формы синусоиды до пульсирующего значения, или до формы прямой. Для этих целей служат — выпрямительные диоды, выпрямители, схемы выпрямления, диодные мосты — как бы это всё об одном и том же, но есть нюансы.

Выпрямительный диод

— полупроводник, принцип которого на википедии сравнивают с действием обратного клапана (обратный клапан кстати встречается в аквариумистике в схеме компрессора), «амперка» же сравнивает данный радиокомпонент с ниппелем (как у камеры авто или велосипеда). Так вышеприведенные системы пропускают в одном направлении воду или воздух, выпрямительные же диоды работают с потоком электронов.

Назначение выпрямительного диода в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямлении).

Выпрямитель — устройство, преобразующее переменный ток в постоянный пульсирующий. Может быть однополупериодный, двухполупериодный; однофазный, трехфазный, многофазный; диодный (мостовой), тиристорный (используется для изменения величины мощности выпрямленного сигнала).

Схемы выпрямления — различные схемы, на входе у которых переменный ток, а на выходе различный выпрямленный. Самыми популярными являются: схема Ларионова, схема Греца, схема Миткевича. И опять же 1-,2-х полупериодные; 1-, 3-х фазные и их сочетания.

Диодный мост — специальное устройство, состоящее из диодов, которые собраны в определенной последовательности. Можно сделать своими руками, предварительно рассчитав, или же купить готовый по требуемым параметрам.

Также особо важную роль в выпрямлении берут на себя сглаживающие фильтры

— различные индуктивные и емкостные фильтры, используемые в схемах выпрямления для получения из тока пульсирующего ток постоянный.

Вот такие основные способы преобразования постоянки в переменку и наоборот. Далее у меня в планах более подробно описать изложенное в этом материале, но в других статьях.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Самое популярное

Как из постоянного тока сделать переменный? Какой ток опаснее

Использование в повседневной жизни различных электрических приборов и устройств, работающих благодаря электроэнергии, обязывает нас иметь минимальные познания в области электротехники. Это знания, которые сохраняют нам жизнь. Ответы на вопросы о том, как из постоянного тока сделать переменный, какое напряжение должно быть в квартире и какой ток опасен, современный человек должен знать, чтобы избежать поражения и гибели от него.

Способы получения электричества

Сегодня невозможно представить свою жизнь без электроэнергии. Ежедневно все население нашей планеты использует миллионы ватт электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Но очередной раз, включая электрочайник, человек не задумывается о том, какой путь пришлось проделать электричеству, чтобы он смог заварить себе утреннюю чашку ароматного кофе.

Существует несколько способов получения электричества:

• из тепловой энергии;
• из энергии воды;
• из атомной (ядерной) энергии;
• из ветровой энергии;
• из солнечной энергии и др.

Для того чтобы понять природу возникновения электрической энергии, рассмотрим несколько примеров.

Электричество из энергии ветра

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Самый простой способ его получения — энергия природных сил.

В данном примере от энергии ветра. Природный феномен дующего с различной силой ветра люди научились использовать давно. Укрощает ветер простой ветряк, оборудованный приводом и соединённый с генератором. Генератор и вырабатывает электрическую энергию.

Излишки тока при постоянном использовании ветряка можно накапливать в аккумуляторных батареях. Выработанный постоянный экологически чистый ток в быту и производстве не применяется.

Полученный и преобразованный в переменный ток, он идет для бытового использования. Накопленные излишки электричества хранятся в аккумуляторных батареях. При отсутствии ветра запасы электричества, хранящиеся в аккумуляторах, преобразуются и поступают на нужды человека.

Электроэнергия из воды

К большому сожалению, этот вид природной энергии, дающий возможность получать электричество, не везде имеется. Рассмотрим способ получения электричества там, где воды много.

Простейшая ГЭС, сделанная из дерева по принципу мельницы, размер которой порядка 1,5 метров, способна обеспечить электричеством, используемым и на отопление, частное подсобное хозяйство. Такую бесплотинную ГЭС сделал русский изобретатель, уроженец Алтая — Николай Ленев. Он создал ГЭС, перенести которую могут два взрослых мужчины. Все дальнейшие действия аналогичны получению электричества от ветряка.

Вырабатывают электричество и крупные электростанции и гидростанции. Для промышленного получения электричества применяют огромные котлы, дающие пар. Температура пара достигает 800 градусов, а давление в трубопроводе поднимается до 200 атмосфер. Этот перегретый пар с высокой температурой и огромным давлением поступает на турбину, которая начинает вращаться и вырабатывать ток.

То же самое происходит и на гидроэлектростанциях. Только здесь вращение происходит за счёт больших скорости и объема воды, падающей с огромной высоты.

Обозначение тока и применение его в быту

Постоянный ток обозначается DC. На английском языке пишется как Direct Current. Он в процессе работы со временем не меняет своих свойств и направления. Частота постоянного тока равна нулю. Обозначают его на чертежах и оборудовании прямой короткой горизонтальной черточкой или двумя параллельными черточками, одна из которых пунктирная.

Используется постоянный ток в привычных нам аккумуляторах и батарейках, используемых в огромном числе различного типа устройств, таких как:

• счетные машинки;
• детские игрушки;
• слуховые аппараты;
• прочие механизмы.

Все ежедневно пользуются мобильным телефоном. Зарядка его происходит через блок питания, компактный преобразователь DC/AC, включаемый в бытовую розетку.

Электрические приборы потребляют переменный однофазный ток. Электроприборы заработают только с подключением трансформатора и выпрямителя тока. Многие производители устанавливают преобразователь DC/AC непосредственно в сам агрегат. Это намного упрощает эксплуатацию электрооборудования.

Как из постоянного тока сделать переменный?

Выше говорилось, что все аккумуляторы, батарейки для фонариков, пультов телевизоров имеют постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, существует современное устройство под названием инвертор, он с легкостью из постоянного тока сделает переменный. Рассмотрим, как это применимо в повседневности.

Бывает, что во время нахождения в автомашине человеку необходимо срочно распечатать на ксероксе документ. Ксерокс имеется, машина работает и, включив в прикуриватель переходник на инвертор, он может подключить к нему ксерокс и распечатать документы. Схема преобразователя достаточно сложна, особенно для людей, которые имеют отдаленное понятие о работе электричества. Поэтому в целях безопасности лучше не пытаться самостоятельно соорудить инвертор.

Переменный ток и его свойства

Протекая, переменный ток в течение одной секунды меняет направление и величину 50 раз. Изменение движения тока — это его частота. Обозначается частота в герцах.

У нас частота тока 50 герц. Во многих странах, например США, частота равна 60 герц. Также бывает трёхфазный и однофазный переменный ток.

Для бытовых нужд приходит электричество, равное 220 вольтам. Это действующее значение переменного тока. Но амплитуда тока максимального значения будет больше на корень из двух. Что в итоге даст 311 вольт. То есть фактическое напряжение бытовой сети составляет 311 вольт. Для изменения постоянного тока на переменный применяются трансформаторы, в которых используются различные схемы преобразователей.

Передача тока по высоковольтным линиям

Все электрические наружные сети несут по своим проводам переменный ток различного напряжения. Оно может колебаться от 330000 вольт до 380 вольт. Передача осуществляется только переменным током. Данный способ транспортировки — самый простой и дешёвый. Как из переменного тока сделать постоянный, давно известно. Поставив трансформатор в нужном месте, получим необходимое напряжение и силу тока.

Схемы преобразователей

Самая простая схема решения вопроса о том, как из постоянного тока сделать переменный 220 В, не существует. Это может сделать диодный мост. Схема преобразователя DC/AC имеет в своём составе четыре мощных диода. Мост, собранный из них, создает движение тока в одном направлении. Мостик срезает верхние границы переменных синусоид. Диоды собираются последовательно.

Вторая схема преобразователя переменного тока — это параллельное подключение на выход с моста, собранного из диодов, конденсатора или фильтра, который сгладит и исправит провалы между пиками синусоид.

Отлично преобразует постоянный ток в переменный инвертор. Схема его сложна. Используемые детали не из дешевого порядка. Потому и цена на инвертор немаленькая.

Какой электрический ток опаснее – постоянный или переменный?

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся на работе и в быту с электроприборами, подключенными в розетки. Ток, бегущий от электрического щита до розетки, однофазный переменный. Происходят случаи поражения электрическим током. Меры безопасности и знания о поражении током необходимы.

В чем принципиальная разница между попаданием под напряжение переменным током и постоянным? Имеется статистика, что переменный DC однофазный ток в пять раз опаснее постоянного AC тока. Поражение током, вне зависимости от его типа, само по себе отрицательный факт.

Последствия от поражения током

Небрежность в обращении с электроприборами может, мягко говоря, негативно сказаться на здоровье человека. Поэтому не стоит экспериментировать с электричеством, если на то нет специальных навыков.

Действие тока на человека зависит от нескольких факторов:

• сопротивления тела самого потерпевшего;
• напряжения, под которое попал человек.
• от силы тока на момент контакта человека с электричеством.

С учетом всего перечисленного можно сказать, что действие переменного тока намного опаснее, чем постоянного. Имеются данные экспериментов, подтверждающие факт, что для получения равного результата при поражении сила постоянного тока должна быть в четыре — пять раз выше, чем переменного.

Сама природа переменного тока отрицательно сказывается на работе сердца. При поражении током происходит непроизвольное сокращение сердечных желудочков. Это может привести к его остановке. Особенно опасно соприкосновение с оголенными жилами людям, имеющим сердечный стимулятор.

У постоянного тока частота отсутствует. Но высокие напряжение и сила тока могут привести также к летальному исходу. Выйти из под контакта с постоянным электрическим током проще, чем из-под контакта с переменным.

Этот небольшой обзор природы электрического тока, его преобразования должен быть полезен людям, далеким от электричества. Минимальные познания в области происхождения и работы электроэнергии помогут понять суть работы обычных бытовых приборов, которые так необходимы для комфортной и спокойной жизни.

Простой преобразователь постоянного напряжения 12В в переменное 220В

Отключение электроэнергии в наших домах, увы, становится традицией. Неужели ребенку придется делать уроки при свече? Или как раз интересный фильм по телевизору, вот бы досмотреть.

Все это поправимо, если у вас есть автомобильный аккумулятор. К нему можно собрать устройство, называемое преобразователем постоянного напряжения в переменное (или по западной терминологии DC-AC преобразователь). На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей.

Принципиальная схема

В схеме на рис.1 используются четыре мощных транзистора VT1…VT4, работающих в ключевом режиме. В одном полупериоде напряжения 50 Гц открыты транзисторы VT1 и VT4.

Ток от аккумулятора GB1 протекает через транзистор VT1, первичную обмотку трансформатора T1 (слева направо по схеме) и транзистор VT4.

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения 12В в переменное 220В.

Во втором полупериоде открыты транзисторы VT2 и VT3, ток от аккумулятора GB1 идет через транзистор VT3, первичную обмотку трансформатора TV1 (справа налево по схеме) и транзистор VT2.

В результате ток в обмотке трансформатора TV1 получается переменным, и во вторичной обмотке напряжение повышается до 220 6. При использовании 12-вопьтового аккумулятора коэффициент К= 220/12=18,3.

Генератор импульсов с частотой 50 Гц можно построить на транзисторах, логических микросхемах и любой другой элементной базе.

На рис.1 показан генератор импульсов на интегральном таймере КР1006ВИ1 (микросхема DA1). С выхода DA1 импульсы частотой 50 Гц проходят через два инвертора на транзисторах VT7, VT8.

От первого из них импульсы поступают через усилитель тока VT5 на пару VT2, VT3, со второго — через усилитель тока VT6 на пару VT1, VT4. Если в качестве VT1…VT4 использовать транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока («супербета»), например, типа КТ827Б или мощные полевые транзисторы, например, КП912А, то усилители тока VT5, VT6 можно не ставить.

В схеме на рис.2 используются только два мощных транзистора VT1 и VT2, но зато первичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков и среднюю точку.

Рис. 2. Схема выходной части импульсного преобразователя напряжения на двух мощных транзисторах.

Генератор импульсов в этой схеме тот же самый, базы транзисторов VT1 и VT2 подключаются к точкам А и Б схемы генератора импульсов на рис.1.

Рис. 3. Схема сигнализатора разряда аккумуляторной батареи.

Детали и налаживание

Время работы преобразователя определяется емкостью аккумулятора и мощностью нагрузки. Если допустить разряд аккумулятора на 80 % (такой разряд допускают свинцовые аккумуляторы), то выражение для времени работы преобразователя имеет вид:

Т(ч) = (0,7WU)/P

где W — емкость аккумулятора, Ач; U — номинальное напряжение аккумулятора, В; Р — мощность нагрузки, Вт. В этом выражении учтен также КПД преобразователя, составляющий 0,85…0,9.

Тогда, например, при использовании автомобильного аккумулятора емкостью 55 Ач с номинальным напряжением 12 В при нагрузке на лампочку накаливания мощностью 40 Вт время работы составит 10…12 ч, а при нагрузке на телевизионный приемник мощностью 150 Вт 2,5—3ч.

Приведем данные трансформатора Т1 для двух случаев: для максимальной нагрузки 40 Вт и для максимальной нагрузки 150 Вт.

В таблице: S — площадь сечения магнитопровода; W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток; D1, D2 — диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.

Можно использовать готовый силовой трансформатор, сетевую обмотку его не трогать, а домотать первичную обмотку. В этом случае после намотки нужно включить в сеть сетевую обмотку и убедиться, что напряжение на первичной обмотке равно 12 В.

Если использовать в качестве мощных транзисторов VT1…VT4 в схеме на рис.1 или VT1, VT2 в схеме на рис.2 КТ819А, то следует помнить следующее.

Максимальный рабочий ток этих транзисторов 15 А, поэтому если рассчитывать на мощность преобразователя свыше 150 Вт, то необходимо ставить либо транзисторы с максимальным током свыше 15 А (например, КТ879А), либо включать параллельно по два транзистора.

При максимальном рабочем токе 15 А мощность рассеяния на каждом транзисторе составит примерно 5 Вт, тогда как без радиатора максимальная рассеиваемая мощность — 3 Вт. Поэтому на этих транзисторах необходимо ставить небольшие радиаторы в виде металлической пластины площадью 15-20 см.

Выходное напряжение преобразователя имеет форму разнополярных импульсов амплитудой 220 В. Такое напряжение вполне подходит для питания различной радиоаппаратуры, не говоря уже об электрических лампочках.

Однако однофазные электромоторы с напряжением такой формы работают плохо. Поэтому включать в такой преобразователь пылесос или магнитофон не стоит.

Выход из положения можно найти, намотав на трансформаторе Т1 дополнительную обмотку и нагрузив ее на конденсатор Ср (на рис.2 показан пунктиром).

Этот конденсатор выбран такой величины, чтобы образовался контур, настроенный на частоту 50 Гц. При мощности преобразователя 150 Вт емкость такого конденсатора можно вычислить по формуле С = 0,25 / U2, где U -напряжение, образующееся на дополнительной обмотке, например, при U = 100 В, С = 25 мкФ.

При этом конденсатор должен работать на переменном напряжении (можно использовать металлобумажные конденсаторы К42У или подобные) и иметь рабочее напряжение не меньше 2U.

Такой контур забирает на себя часть мощности преобразователя. Эта часть мощности зависит от добротности конденсатора. Так, для металлобумажных конденсаторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,02…0,05, поэтому КПД преобразователя снижается примерно на 2…5%.

Во избежание выхода из строя аккумуляторной батареи преобразователь не мешает оборудовать сигнализатором разряда. Простая схема такого сигнализатора показана на рис.3.

Транзистор VT1 является пороговым элементом. Пока напряжение аккумуляторной батареи в норме транзистор VT1 открыт и напряжение на его коллекторе ниже порогового напряжения микросхемы DD1.1, поэтому генератор сигнала звуковой частоты на этой микросхеме не работает.

Когда напряжение батареи опускается до критического значения, транзистор VT1 запирается (точка запирания устанавливается переменным резистором R2), начинает работать генератор на микросхеме DD1 и акустический элемент НА1 начинает «пищать». Вместо пьезоэлемента можно применить динамический громкоговоритель малой мощности.

После использования преобразователя аккумулятор необходимо зарядить. Для зарядного устройства можно использовать тот же трансформатор Т1, но количества витков в первичной обмотке недостаточно, так как она рассчитана на 12 В, а нужно, по крайней мере, 17 В.

Поэтому при изготовлении трансформатора следует предусмотреть дополнительную обмотку для зарядного устройства. Естественно, при зарядке аккумулятора схему преобразователя необходимо отключить.

В. Д. Панченко, г.Киев, Украина.

Как перевести переменное напряжение в постоянное. Как из постоянного тока сделать переменный?

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя

В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U 0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения U d (пульсации). Это действие часто называется «сглаживанием» выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания Δf f c .

Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный

На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой ω c . За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ω c . Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое U 1 = U m sinω c t , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя

Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный

В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке U H в два раза выше частоты сети ω c , что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя

В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.

Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.

Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В. М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Вместе со статьей «Преобразование переменного тока в постоянный» читают:

http://сайт/BP/Ventil/

Использование в повседневной жизни различных электрических приборов и устройств, работающих благодаря электроэнергии, обязывает нас иметь минимальные познания в области электротехники. Это знания, которые сохраняют нам жизнь. Ответы на вопросы о том, как из постоянного тока сделать переменный, какое напряжение должно быть в квартире и какой современный человек должен знать, чтобы избежать поражения и гибели от него.

Способы получения электричества

Сегодня невозможно представить свою жизнь без электроэнергии. Ежедневно все население нашей планеты использует миллионы ватт электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Но очередной раз, включая электрочайник, человек не задумывается о том, какой путь пришлось проделать электричеству, чтобы он смог заварить себе утреннюю чашку ароматного кофе.

Существует несколько способов получения электричества:

• из тепловой энергии;
• из энергии воды;
• из атомной (ядерной) энергии;
• из ветровой энергии;
• из солнечной энергии и др.

Для того чтобы понять природу возникновения электрической энергии, рассмотрим несколько примеров.

Электричество из энергии ветра

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Самый простой способ его получения — энергия природных сил.

В данном примере от энергии ветра. Природный феномен дующего с различной силой ветра люди научились использовать давно. Укрощает ветер простой ветряк, оборудованный приводом и соединённый с генератором. Генератор и вырабатывает электрическую энергию.

Излишки тока при постоянном использовании ветряка можно накапливать в аккумуляторных батареях. Выработанный постоянный экологически чистый ток в быту и производстве не применяется.

Полученный и преобразованный в переменный ток, он идет для бытового использования. Накопленные излишки электричества хранятся в аккумуляторных батареях. При отсутствии ветра запасы электричества, хранящиеся в аккумуляторах, преобразуются и поступают на нужды человека.

Электроэнергия из воды

К большому сожалению, этот вид природной энергии, дающий возможность получать электричество, не везде имеется. Рассмотрим способ получения электричества там, где воды много.

Простейшая ГЭС, сделанная из дерева по принципу мельницы, размер которой порядка 1,5 метров, способна обеспечить электричеством, используемым и на отопление, частное подсобное хозяйство. Такую бесплотинную ГЭС сделал русский изобретатель, уроженец Алтая — Николай Ленев. Он создал ГЭС, перенести которую могут два взрослых мужчины. Все дальнейшие действия аналогичны получению электричества от ветряка.

Вырабатывают электричество и крупные электростанции и гидростанции. Для промышленного получения электричества применяют огромные котлы, дающие пар. Температура пара достигает 800 градусов, а давление в трубопроводе поднимается до 200 атмосфер. Этот перегретый пар с высокой температурой и огромным давлением поступает на турбину, которая начинает вращаться и вырабатывать ток.

То же самое происходит и на гидроэлектростанциях. Только здесь вращение происходит за счёт больших скорости и объема воды, падающей с огромной высоты.

Обозначение тока и применение его в быту

Постоянный ток обозначается DC. На английском языке пишется как Direct Current. Он в процессе работы со временем не меняет своих свойств и направления. Частота постоянного тока равна нулю. Обозначают его на чертежах и оборудовании прямой короткой горизонтальной черточкой или двумя параллельными черточками, одна из которых пунктирная.

Используется постоянный ток в привычных нам аккумуляторах и батарейках, используемых в огромном числе различного типа устройств, таких как:

• счетные машинки;
• детские игрушки;
• слуховые аппараты;
• прочие механизмы.

Все ежедневно пользуются мобильным телефоном. Зарядка его происходит через блок питания, компактный преобразователь DC/AC, включаемый в бытовую розетку.

Электрические приборы потребляют переменный однофазный ток. Электроприборы заработают только с подключением трансформатора и Многие производители устанавливают преобразователь DC/AC непосредственно в сам агрегат. Это намного упрощает эксплуатацию электрооборудования.

Как из постоянного тока сделать переменный?

Выше говорилось, что все аккумуляторы, батарейки для фонариков, пультов телевизоров имеют постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, существует современное устройство под названием инвертор, он с легкостью из постоянного тока сделает переменный. Рассмотрим, как это применимо в повседневности.

Бывает, что во время нахождения в автомашине человеку необходимо срочно распечатать на ксероксе документ. Ксерокс имеется, машина работает и, включив в прикуриватель переходник на инвертор, он может подключить к нему ксерокс и распечатать документы. Схема преобразователя достаточно сложна, особенно для людей, которые имеют отдаленное понятие о работе электричества. Поэтому в целях безопасности лучше не пытаться самостоятельно соорудить инвертор.

Переменный ток и его свойства

Протекая, переменный ток в течение одной секунды меняет направление и величину 50 раз. Изменение движения тока — это его частота. Обозначается частота в герцах.

У нас частота тока 50 герц. Во многих странах, например США, частота равна 60 герц. Также бывает трёхфазный и однофазный переменный ток.

Для бытовых нужд приходит электричество, равное 220 вольтам. Это действующее значение переменного тока. Но амплитуда тока максимального значения будет больше на корень из двух. Что в итоге даст 311 вольт. То есть фактическое напряжение бытовой сети составляет 311 вольт. Для изменения постоянного тока на переменный применяются трансформаторы, в которых используются различные схемы преобразователей.

Передача тока по высоковольтным линиям

Все электрические наружные сети несут по своим проводам переменный ток различного напряжения. Оно может колебаться от 330000 вольт до 380 вольт. Передача осуществляется только переменным током. Данный способ транспортировки — самый простой и дешёвый. Как из переменного тока сделать постоянный, давно известно. Поставив трансформатор в нужном месте, получим необходимое напряжение и силу тока.

Схемы преобразователей

Самая простая схема решения вопроса о том, как из постоянного тока сделать переменный 220 В, не существует. Это может сделать диодный мост. Схема преобразователя DC/AC имеет в своём составе четыре мощных диода. Мост, собранный из них, создает движение тока в одном направлении. Мостик срезает верхние границы переменных синусоид. Диоды собираются последовательно.

Вторая схема преобразователя переменного тока — это на выход с моста, собранного из диодов, конденсатора или фильтра, который сгладит и исправит провалы между пиками синусоид.

Отлично преобразует постоянный ток в переменный инвертор. Схема его сложна. Используемые детали не из дешевого порядка. Потому и цена на инвертор немаленькая.

Какой электрический ток опаснее — постоянный или переменный?

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся на работе и в быту с электроприборами, подключенными в розетки. Ток, бегущий от электрического щита до розетки, однофазный переменный. Происходят случаи поражения электрическим током. Меры безопасности и знания о поражении током необходимы.

В чем принципиальная разница между попаданием под напряжение переменным током и постоянным? Имеется статистика, что переменный DC однофазный ток в пять раз опаснее постоянного AC тока. Поражение током, вне зависимости от его типа, само по себе отрицательный факт.

Последствия от поражения током

Небрежность в обращении с электроприборами может, мягко говоря, негативно сказаться на здоровье человека. Поэтому не стоит экспериментировать с электричеством, если на то нет специальных навыков.

Действие тока на человека зависит от нескольких факторов:

• сопротивления тела самого потерпевшего;
• напряжения, под которое попал человек.
• от силы тока на момент контакта человека с электричеством.

С учетом всего перечисленного можно сказать, что действие переменного тока намного опаснее, чем постоянного. Имеются данные экспериментов, подтверждающие факт, что для получения равного результата при поражении сила постоянного тока должна быть в четыре — пять раз выше, чем переменного.

Сама природа переменного тока отрицательно сказывается на работе сердца. При поражении током происходит непроизвольное сокращение сердечных желудочков. Это может привести к его остановке. Особенно опасно соприкосновение с оголенными жилами людям, имеющим сердечный стимулятор.

У постоянного тока частота отсутствует. Но высокие напряжение и сила тока могут привести также к летальному исходу. Выйти из под контакта с постоянным электрическим током проще, чем из-под контакта с переменным.

Этот небольшой обзор природы электрического тока, его преобразования должен быть полезен людям, далеким от электричества. Минимальные познания в области происхождения и работы электроэнергии помогут понять суть работы обычных бытовых приборов, которые так необходимы для комфортной и спокойной жизни.

Все Вы наверное задавались вопросом: «А как получить постоянное напряжение из переменного?» Ну что ж, пора думаю раскрыть эту тайну:-) , хотя это тайной и не назовешь. В этой статье я покажу основы, а какое напряжение получить — это уже решать вам. Оказывается, на деле все это гораздо проще, чем кажется.

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под «постоянным напряжением». Как гласит нам Википедия, постоянный напряжение (он же и постоянный ток) — это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю. Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации . А вот собственно и осциллограмма постоянного напряжения:

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор . А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение , мы с Вами после трансформатора подключали Диодный мост . На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство кондера: заряжаться и разряжаться. Весь прикол состоит в том, что кондер с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осцилле, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Давайте же рассмотрим на практике, почему нам нужно ставить кондер большой емкости. На фото ниже у нас три кондера. Все разной емкости.

Рассмотрим первый кондер. Замеряем его номинал с помощью нашего LC — метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И снимаем показания с кондера осцилом.

А вот и осциллограмма с кондера.

Неееее… это осциллограмма не постоянного тока. Пульсации все равно остались.

Ну что ж, возьмем кондер емкостью побольше.

Замеряем его емкость. Получается 0,226 микроФарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый кондер снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограма.

Не… почти, но все равно не то.

Берем наш третий кондер. Его емкость 330 микроФарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

Чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие.

Чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. В этом случае лучше всего использовать трехвыводные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт, скажем для каких-нибудь безделушек? Сначала нужно подобрать транс, чтобы на выходе он выдавал… 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки транса мы будем получать действующее напряжение .

где

U Д — действующее напряжение

U max — максимальное напряжение

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе транса должно быть 12/1,41=8,5 Вольт. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансе, мы должны убавлять или добавлять обмотки транса. Формула . Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из того, что мы собираемся питать и какое напряжение и сила тока должны проходить через диоды. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем кондер с большой емкостью. Кондер подбираем исходя из того, чтобы напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!

Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у транса на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Ну и напоследок, чтобы лучше запоминалось;-)

Читаем в обязательном порядке этой статьи.

1.3. Преобразование переменного тока

в постоянный и постоянного в переменный

Электроэнергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами, т. е. генераторами переменного тока, который удобно преобразовывать трансформаторами и передавать на большие расстояния. Между тем имеется ряд технологических процессов, требующих постоянного тока: электролиз, зарядка аккумуляторов и т. д. Поэтому часто возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный и обратно.

Широко распространенные в начале XX в. электромашинные преобразователи (одноякорные преобразователи и мотор-генераторные установки) уступили свое место более компактным и бесшумным полупроводниковым выпрямителям. Благодаря высоким

Рис. 1.12. Двухтактный однофазный выпрямитель

эксплуатационным показателям и малым габаритам полупроводниковых выпрямителей появилась тенденция к замене генераторов постоянного тока синхронными генераторами, имеющими на выходе полупроводниковый выпрямитель. Таким образом, появились новые классы машин — трансформаторов и синхронных,- постоянно работающих с выпрямителями. Однако работа электрической машины на выпрямитель имеет особенности, которые надо учитывать при проектировании этих машин и анализе процессов, происходящих в них.

Преобразование переменного тока в постоянный производится с помощью полупроводниковых вентилей, имеющих одностороннюю проводимость. На рис. 1.12 и 1.13 показаны наиболее распространенные схемы выпрямителей: однофазного (рис. 1.12, а) и трехфазного (рис. 1.13, а) и кривые напряжений и токов (рис. 1.12,5. в, рис. 1.13,6, в соответственно). -грузке весьма значительны, а частота переменной составляющей в 2 раза выше частоты переменного тока (рис. 1.12, б). При трехфазном мостовом выпрямлении схема получается шеститактной и пульсации напряжения невелики — менее 6% от постоянной составляющей (рис. 1.13, б).

Ток в цепи нагрузки обычно сглажен сильнее, чем напряжение, так как цепь нагрузки часто содержит индуктивность, представляющую большое сопротивление для переменной составляющей тока и малое — для постоянной.

Если считать ток в нагрузке /в), содержащий высшие гармоники, повышающие нагрев обмоток. Кроме того, при использовании схем выпрямления с нулевой точкой имеется постоянная составляющая тока в обмотках (рис. 1.12,6). Из-за этого резко возрастает действующее значение тока и нужно принимать меры против создания постоянного подмагничивания стержня. Для предотвращения этого явления, например, в однофазных трансформаторах применяют либо броневую конструкцию (рис. 1.14), либо на каждом стержне располагают все обмотки трансформатора, деля их пополам.

Большое влияние на работу выпрямителя (рис. 1.15, о) оказывает коммутация тока — процесс перехода с одного вентиля на другой.

Из-за наличия индуктивностей в токопроводящей цепи и индуктивности, обусловленной потоками рассеяния трансформатора, ток с одного вентиля переходит на другой не мгновенно, а за период коммутации Г к, которому соответствует угол коммутации у (рис. 1.15, б).

Для простоты предположим, что ток в нагрузке Id идеально сглажен. Тогда сумма токов через первый и второй вентили i a \ и iai в процессе коммутации неизменна:

Рис. 1.14. Схематический чертеж броневого трансформатора

В момент начала коммутации, когда значение ЭДС проходит через нуль и меняет знак, обмотка трансформатора становится замкнутой накоротко и для ее контура можно написать уравнение

Во время коммутации напряжение на нагрузке СЛг=0,5(е 2а + +е 2 ь) и в однофазном выпрямителе равно нулю (рис. 1.15, б). Следовательно, из-за коммутации уменьшается выпрямленное напряжение и увеличивается его пульсация. Поскольку угол коммутации у тем больше, чем больше ток нагрузки I d и индуктивное сопротивление х а, для повышения качества выпрямителя желательно, чтобы питающая его машина имела небольшое индуктивное сопротивление. В трансформаторе х а равно индуктивному сопротивлению, обусловленному потоками рассеяния, и определяется из опыта короткого замыкания В синхронном генераторе

где Ха» и x q » — сверхпереходные индуктивности по продольной и поперечной осям соответственно, учитывающие наличие тока в демпферной обмотке.

Таким образом, синхронные генераторы, предназначенные для работы на выпрямитель, должны быть рассчитаны на работу с несинусоидальным током и иметь демпферную обмотку.

Коэффициент мощности генератора, работающего на нерегулируемый выпрямитель,

Рис. 1.16. Схема однофазного инвертора

где v«0,9 — коэффициент искажения; >ф«0,5у- угол сдвига тока относительно первой гармоники напряжения.

Преобразование постоянного тока в переменный производится с помощью инверторов, в которых используются управляемые вентили: транзисторы, тиристоры и др.

Схема однофазного инвертора представлена на рис. 1.16. Включение вентилей инвертора производится поочередно каждый полупериод таким образом, чтобы направление тока во вторичной обмотке трансформатора было противоположно направлению ЭДС в этой обмотке, т. е. чтобы энергия передавалась от источника постоянного тока в сеть переменного тока.

Инверторы имеют сравнительно сложную систему автоматического управления, что ведет к повышению их стоимости и уменьшению надежности по сравнению с неуправляемыми выпрямителями.

Кроме того, в инверторе возможно появление режима сквозного горения, когда ток в обмотке совпадает по фазе с ее ЭДС. Такой режим возможен либо при неисправности в системе управления, либо при слишком большом угле коммутации. При сквозном горении обычно ток возрастает до недопустимого значения и обычно полупроводниковые вентили выходят из строя. Большое число элементов в системе управления и возможность аварийного режима сквозного горения делают надежность инверторов значительно ниже, чем у неуправляемых выпрямителей: наработка на отказ уменьшается в 50… 100 раз.

Перспективна идея питания от инверторов асинхронных и синхронных двигателей. Изменяя частоту включения вентилей, можно менять частоту напряжения на выводах статора двигателя и тем самым экономично (без сопротивлений) регулировать угловую скорость. Такой способ регулирования скорости называется частотным. Однако низкая надежность систем с инверторами — преобразователями частоты препятствует их широкому применению.

В настоящее время частотное регулирование скорости применяется только в особых условиях, где не могут работать двигатели постоянного тока, погруженные в жидкость: двигатели судов, нефтепроводов, двигатели шаровых мельниц и т. д.

Рис. 1.17. Устройство машины постоянного тока

Имеются экспериментальные образцы с частотным регулированием в крановом и тяговом электрооборудовании.

В машине постоянного тока имеется своеобразный преобразователь- коллектор, который в генераторном режиме является выпрямителем, а в двигательном — преобразователем частоты.

Конструкция машины постоянного тока сходна с конструкцией обращенной синхронной машины, у которой обмотка якоря находится на роторе, а магнитные полюсы неподвижны. При вращении якоря (ротора) в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направленная так, как это показано на поперечном разрезе рис. 1.17, а.

В проводниках, расположенных по одну сторону линии симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими. Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

Постоянная ЭДС получается с помощью скользящего контакта между обмоткой и внешней электрической цепью.

Проводники соединяются в витки с шагом ушт, как в машинах переменного тока, а затем витки соединяются последовательно один за другим, образуется замкнутая обмотка.

В половине обмотки (в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой — противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.17, б). По контуру обмотки ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняются в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирается из медных пластин, изолированных друг от друга.

В крупных машинах начало и конец каждого витка присоединяются к коллекторным пластинам; в малых машинах пластин

меньше, чем витков, и поэтому между двумя пластинами припаивается часть обмотки из нескольких витков — секция.

Под нагрузкой через проводники якоря проходит ток, направление которого определяется направлением ЭДС.

В связи с тем что ток нагрузки постоянен, в витках обмотки якоря ток имеет форму, близкую к прямоугольной (рис. 1.18, а).

При переходе витка из одной параллельной ветви в другую он замыкается накоротко щеткой на время, называемое периодом коммутации (рис. 1.18, б)

T K =bJv KOn , (1.66)

где Ь щ — ширина щетки; и К ол — линейная скорость точки, находящейся на поверхности коллектора.

В простейшем случае, когда щетка уже коллекторной пластины, для секции, замкнутой щеткой (рис. 1.18,0),

Рис. 1.18. Диаграммы токов при коммутации

где iiRi=AUi и i 2 R2=AU 2 — падение напряжения в щеточном контакте соответственно с первой и второй коллекторной пластинами; R c — активное сопротивление секции; L pe3 — результирующая индуктивность секции; е к — ЭДС от внешнего поля.рез, откуда

Это условие безыскровой коммутации сводится к тому, чтобы во всех режимах угол коммутации у был неизменен:

y=*T K =2vJ>JD a v Koll =2b»jD a , (1.71)

где D a — диаметр якоря; v a — линейная скорость точки, находящейся на поверхности якоря; Ь»щ=ЬщО а /О КО л — ширина щетки, приведенная к диаметру якоря.

Для выполнения этого условия ЭДС в зоне коммутации ЭДС е к создается специальными добавочными полюсами, обмотка которых включена последовательно в цепь якоря, а их магнитная цепь делается ненасыщенной.

Процесс коммутации в выпрямителях, инверторах и в машинах постоянного тока сходен. И в том и в другом случаях процесс изменения тока в период коммутации определяется значением и формой ЭДС в короткозамкнутом контуре. Поэтому нельзя уподоблять коллектор механическому выпрямителю, как это иногда делается .

Наличие коллектора вносит и свои особенности: усложняется конструкция машины и более дорогой становится эксплуатация. Однако эти недостатки электрических машин искупаются их основным преимуществом: в двигательном режиме случайные нарушения коммутации обычно приводят к небольшому подгару коллектора и щеток, а не к аварийному режиму опрокидывания, как в инверторах.

Вследствие этого надежность коллекторной машины постоянного тока значительно выше надежности системы «асинхронный двигатель- преобразователь частоты», ее КПД на 3…5% выше, машина значительно дешевле, имеет меньшие габариты и массу.

Эти преимущества и заставляют отдавать предпочтение машине постоянного тока, ограничивая применение асинхронного двигателя с частотным регулированием узкими рамками специфических устройств (двигатели, работающие в жидкости, и т. д.).

Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.

Постоянный ток и его источники

У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:

Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T) , а обратная ему величина – частотой (f) . Буквенное обозначение переменного тока – АС , сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

̴

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз			Однофазный
			Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3) .

Напряжение между фазами называется линейным , а между фазой и нулем – фазным , оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения . Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением , а устройства – выпрямителями . Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод , проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров , простейшим из них является конденсатор . Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Для преобразования в переменный ток используются инверторы . Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.

Постоянный ток и его источники

У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:

Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T), а обратная ему величина – частотой (f). Буквенное обозначение переменного тока – АС, сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

̴

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз			Однофазный
			Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3).

Графики напряжений трехфазного переменного тока

Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нулем – фазным, оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения. Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Характеристики трехфазного тока

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров, простейшим из них является конденсатор. Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Схема простейшего выпрямителяГрафики работы выпрямителя

Для преобразования в переменный ток используются инверторы. Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Оцените качество статьи:

Инвертор своими руками в домашних условиях, схемы

В статье вы узнаете как сделать самодельный инвертор, подробно разберем принцип работы данного инвертора, как собрать и протестировать инвертор.

Принцип работы инвертора

Инвертор можно рассматривать как грубую форму ИБП (источник бесперебойного питания). Очевидно, что основное использование инвертора предназначено только для питания обычных электроприборов, таких как фонари и вентиляторы, при сбое питания.

Как следует из названия, основная функция инвертора — инвертировать входное постоянное напряжение (12 В постоянного тока) в гораздо большую величину переменного напряжения (обычно 110 В или 220 В переменного тока).

Прежде чем научиться создавать инвертор, давайте сначала разберемся со следующими основными элементами инвертора и его принципом работы:

Осциллятор : генератор преобразует входной постоянный ток от свинцово-кислотной батареи в колебательный ток или прямоугольную волну, которая подается на вторичную обмотку силового трансформатора. В этой схеме IC 4049 была использована для секции генератора.

Трансформатор : здесь прикладываемое колебательное напряжение повышается в соответствии с соотношением обмоток трансформатора и переменного тока, значительно превышающего входной источник постоянного тока, который становится доступным на первичной обмотке или на выходе инвертора.

Зарядное устройство: во время резервного питания, когда батарея разряжается до значительного уровня, секция зарядного устройства используется для зарядки батареи после восстановления сети переменного тока.

Как построить инвертор

Чтобы четко понять, как построить инвертор, давайте рассмотрим следующие простые детали конструкции:

• Согласно схеме цепи сначала завершите сборку секции генератора, состоящей из меньших частей и IC. Лучше всего это сделать путем соединения самих компонентов и пайки соединений.
• Затем установите силовые транзисторы в алюминиевые радиаторы с соответствующим отверстием. Они изготавливаются путем разрезания алюминиевого листа на заданные размеры и сгибания их по краям, чтобы его можно было зажать.

• Не устанавливайте транзисторы непосредственно на радиаторы. Используйте комплект для изоляции слюды, чтобы избежать прямого контакта и короткого замыкания транзисторов между собой и землей.
• Прикрепите радиатор в сборе к основанию хорошо проветриваемого, прочного, толстого металлического корпуса.
• Также закрепите силовой трансформатор рядом с радиаторами, используя гайки и болты.
• Теперь подключите соответствующие точки собранной монтажной платы к силовым транзисторам на радиаторах.
• Наконец подключите выходы силового транзистора к вторичной обмотке силового трансформатора.
• Завершите конструкцию, установив и подключив внешние электрические приборы, такие как предохранители, розетки, выключатели, сетевой шнур и входы аккумулятора.
• Дополнительная отдельная цепь электропитания, использующая 12 В / 3 А трансформатор может быть добавлена внутрь при необходимости зарядки батареи (см. схему).

Описание цепи

Чтобы лучше понять, как построить инвертор, важно узнать, как работает схема, выполнив следующие шаги:

• Затворы N1 и N2 IC 4049 сконфигурированы как генератор. Он выполняет основную функцию подачи прямоугольных импульсов в секцию инвертора.
• Затворы N3 — N6 используются в качестве буферов, поэтому схема не зависит от нагрузки.
• Переменное напряжение от буферной ступени подается на базу усилителей тока транзисторов Т1 и Т2. Эти транзисторы проводят в соответствии с приложенным переменным напряжением и усиливают его до базы выходных транзисторов Т3 и Т4.
• Эти выходные силовые транзисторы колеблются в полном разгаре, обеспечивая подачу полного напряжения батареи в каждую половину вторичной обмотки попеременно.
• Это вторичное напряжение индуцируется в первичной обмотке трансформатора и усиливается до 230 В (переменный ток). Это напряжение используется для питания выходной нагрузки.

Процедура тестирования

Вы также можете понять, как построить инвертор, сконцентрировавшись на следующей процедуре тестирования, приведенной в пошаговом порядке ниже:

• Начните процедуру тестирования, подключив лампу мощностью 100 Вт к выходному разъему инвертора.
• Вставьте предохранитель на 15 А / 12 В в держатель предохранителя.
• Наконец, подключите автомобильный аккумулятор 12 В к входам аккумулятора инвертора.
• Если все соединения выполнены правильно, лампочка 100 Вт должна немедленно загореться.
• Держите инвертор включенным в течение часа и дайте батарее разрядиться через лампочку.
• Затем переведите данный тумблер в режим зарядки, проверьте показания счетчика.
• Измеритель должен указывать зарядный ток батареи.
• Через некоторое время показания счетчика должны постепенно снижаться до нуля, подтверждая, что батарея полностью заряжена и готова к следующему циклу.

Напряжение преобразование постоянного в переменное

    Метод преобразования постоянного напряжения в переменное сравнительно прост и является наиболее современным методом измерения слабых токов. Простейшим преобразователем постоянного напряжения в переменное является ручное переключение. Такой метод применяют в компенсационных баллистических схемах (рис. IX.6). Конденсатор попеременно заряжают от измеряемого источника и разряжают через сеточное сопротивление [c.288]

    Назначением нуль-индикатора сигнализатора является сигнализация момента изменения полярности входного сигнала, т. е. момента, когда величина сигнала проходит через нуль. Таким образом нуль-индикатор является фазочувствительным устройством с высокоомным входом и релейным выходом. Применяют две разновидности схем электронных нуль-индикаторов схемы, построенные по принципу усиления постоянного тока, II схемы с преобразованием постоянного напряжения в переменное и последующим усилением. [c.155]

    Система контроля и зажигания пламени. Состоит из термоэлемента, зажигающего элемента и усилителя. На входе усилителя стоит реле РП-4 для преобразования постоянного напряжения от термопары в переменное. Зажигание пламени водорода производится тумблером включено , а контроль пламени по загоранию сигнальных лампочек да , нет , [c.180]

    Электронные нуль-индикаторы, построенные по принципу преобразования постоянного напряжения в переменное с последующим усилением при помощи обычных усилителей переменного тока, обладают большими преимуществами и получили весьма широкое распространение. Основные их достоинства-отсутствие дрейфа нулевой точки, простота наладки и регулировки, надежность, возможность замены ламп без дополнительной регулировки. [c.155]

    Анализ рассмотренных характеристик позволяет сделать вывод о возможности применения усилителя постоянного тока для изме—рений слабых световых потоков. На практике наибольшее распространение получили электрометрические усилители прямого усиления (в частности, многокаскадные усилители с коррекцией в цепи, отрицательной и положительной обратной связи) и с преобразованием постоянного напряжения в переменное [85]. [c.55]

    Предварительное преобразование постоянного напряжения рассогласования в переменное электромеханическим преобразователем с дальнейшим усилением ламповым усилителем переменного тока применено в регуляторах как периодического действия [27], так и непрерывного действия [28]. Аналогичное преобразование, но с применением транзисторного усилителя переменного тока, использовано при разработке регулятора непрерывного действия [28]. [c.109]

    Усилитель, используемый для усиления термо-э. д. с. дифференциальной термопары, собран по схеме преобразования постоянного напряжения в переменное (рис. 3). Частота преобразования 30 гц. Второй и третий каскады усилителя избирательные. Полоса пропускания усилителя —1 гц, чувствительность —- 1 мкв. В качестве преобразователей постоянного напряжения в переменное и обратно используются поляризованные реле типа РП-5. Благодаря высокой избирательности и частоте преобразования, не кратной 50 гц, усилитель мало чувствителен к наводкам от электрической сети. Реле усилителя приводится в действие переменным напряжением, подаваемым от R генератора, схема которого приведена на рис. 4. [c.23]

    Мощные преобразовательные агрегаты типа двигатель—генератор постоянного и импульсного напряжения вытесняются статическими преобразователями, использующими полупроводниковые вентили — селеновые или кремниевые. Статические преобразователи состоят из силового трансформатора, выпрямительного блока, пускорегулирующей и защитной аппаратуры. С помощью силового трансформатора обеспечиваются необходимое число фаз и заданная величина напряжения. Выпрямительный блок производит преобразование переменного напряжения в постоянное,. Пускорегулирующая и защитная аппаратура позволяет включать и выключать источник, получать необходимые вольт-амперные [c.157]

    Основным элементом потенциостата является усилитель постоянного тока с преобразованием постоянного тока в переменный на входе и обратным преобразованием на выходе усилителя. Преобразование на входе осуществляется генератором (транзистор Ti), колебательный контур которого состоит из катушки индуктивности Li и емкостей стабилитронов (Дг—Дз), работающих как электрически управляемые конденсаторы-вари-конды. Напряжение разбаланса изменяет емкость стабилитронов и амплитуду генерируемого транзистором напряжения. Таким образом, на входе усилителя происходит преобразование сигнала рассогласования в соответствующее значение амплитуды генерируемого напряжения. Входное сопротивление преобразователя не ниже 10 ом. Усиление напряжения генерации про- [c.213]

    Для преобразования постоянного напряжения небаланса измерительной схемы в переменное напряжение частотой 50 гц служит преобразовательный каскад, схематически изображенный на фиг. 44. [c.92]

    Производственные автоматические рН-метры требуют очень большого усиления напряжения небаланса, и в них применяются более совершенные принципы усиления импульсов и преобразования постоянного напряжения в переменное. [c.505]

    Преобразование постоянного напряжения небаланса в переменное производится непрерывным подключением слюдяного конденсатора в цепи стеклянного электрода то к диагонали измерительной мостовой схемы, то к сетке лампы Л. В первом положении конденсатор заряжается напряжением небаланса измерительной схемы, пропорциональным измеряемой величине Е , во втором разряжается на сопротивление утечки сетки При этом на сопротивлении [c.505]

    К электродам электрофильтра должен подаваться ток высокого напряжения и постоянного направления. Для преобразования переменного тока низкого напряжения в постоянный ток высокого напряжения устанавливают специальные повыситель-но-выпрямительные электроагрегаты. Такой электроагрегат представляет собой трансформатор переменного тока, скомплектованный с механическим выпрямителем. [c.227]

    В основу прибора положена обычная компенсационная схема измерения с преобразованием постоянного напряжения разбаланса в переменное с помощью вибропреобразователя. Применяемый в данной схеме вибропреобразователь должен обладать высоким сопротивлением изоляции контактов относительно земли . Измерительным инструментом служит электронный нуль-индикатор с электронно-оптическим индикатором на выходе (рис. IX.23). [c.305]

    Датчик с усилителем. В процессе исследований был проверен вариант измерения падения напряжения на токоподводящем тросе в момент касания анода и катода с преобразованием постоянного сигнала в переменный с последующим усилением (рис. 30). В качестве преобразователя был [c.95]

    Определение электропроводности. Для определения электропроводности растворов применяют схему мостика Уитстона в специальном видоизменении Кольрауша, изображенную на рис. 10. На этом рисунке А — аккумулятор с напряжением в 4 в / — индукционная катушка для преобразования постоянного тока в переменный (постоянный ток неприменим вследствие поляризации электродов, погруженных в раствор электролита) г — сосуд с электродами (платиновыми пластинками) и с раствором, сопротивление которого г надо определить Я — известное сопротивление О — контакт, скользящий по никелиновой струне АВ, [c.68]

    В основу прибора положена обычная компенсационная схема измерения с преобразованием постоянного напряжения разбаланса в переменное с помощью вибропреобразователя. Применяемый в дан- [c.260]

    Преобразование постоянного напряжения в переменное может быть произведено и с помощью динамиче- [c.290]

    Преобразование постоянного напряжения в переменное может быть произведено и с помощью динамического конденсатора. Емкость [c.250]

    Преобразование постоянного тока в переменный (инвертирование) может осуществляться при помощи электрических вентилей, проводимостью которых можно управлять. Для этой цели используются тиристоры. Как было показано, выпрямитель е фазовым управлением и ведомый сетью инвертор (инвертор, частота тока в котором соответствует частоте сети и > Р н) работают одинаково и любой из этих режимов может быть осуществлен в одной и той же схеме. При работе как выпрямитель устройство передает энергию в нагрузку постоянного тока. Когда оно работает как инвертор, источник постоянного напряжения нужен, чтобы создать ток в устройстве и передать мощность на сторону переменного тока, инверторный режим наступает при а = 90 -i- 180° эл. (рис. 124). Ведомый сетью (неавтономный) инвертор используется при реостатных испытаниях тепловозов с рекуперацией энергии. Подобные установки о каждым годом находят все большее распространение. [c.141]

    Важнейшим типом преобразователя энергии является автономный (независимый) инвертор, служащий для преобразования постоянного тока в переменный с заданным числом фаз, с регулируемой частотой и напряжением. Автономный инвертор — основное звено электропривода переменного тока, а следовательно, и тепловозной электрической передачи с машинами переменного тока. [c.141]

    Питание индукционного датчика 6 осуществляется от генератора 8 током определенной частоты. Преобразователь 7 служит для преобразования сигнала переменного тока, получаемого от датчика уровня 6, в сигнал постоянного тока и передачи его к потенциометру 9. Питание генератора 8 и потенциометра 9 стабилизированным напряжением осуществляется от стабилизатора 10. [c.221]

    Трудности, возникающие при создании ламповых электрометров, значительно уменьшаются, если применяется преобразование постоянных сигналов в переменные и используются усилители переменного напряжения или тока с отрицательной связью. Такие электрометры более сложны в изготовлении, но позволяют измерять токи до 10 а. Электрометры ламповые можно использовать для измерения кратковременных токов (до 0,01 сек) 143, 150]. [c.108]

    Долгое время в качестве преобразователя использовали набор калиброванных резисторов, часто называемых токоизмерительными (см. рис. 34, 38,6). Для преобразования постоянного тока выбирают в пределах от десятков Ом до десятка МОм, для преобразования переменного и импульсного тока-не более 10 кОм. В противном случае преобразователь, вносит существенный вклад в поворот суммарной фазы напряжения, и потенциостат теряет устойчивость. Эти резисторы подсоединяют в цепь ячейки подвешен-но относительно земли, тогда ИЭ соединяется с землей (см. рис. 34), либо резисторы соединяют с земляной шиной, а ячейка оказывается подвешенной относительно земли (см. рис. 38,6). Схема с заземленной ячейкой предпочтительнее с точки зрения уменьшения внешних наводок на ячейку. Схема с заземленным таким свойством не обладает. Однако при применении первой схемы усложняется задача считывания падения напряжения с токоизмерительного резистора. [c.53]

    В качестве источника питания применяются сухие элементы с напряжением 4,5у и с силой тока 150—200 тА. Для преобразования постоянного тока в переменный служит вибропреобразователь типа В-5, вторая пара контактов которого работает на выпрямление измеряемого гальванометром тока. Прибор имеет четыре поддиапазона измерений в омах  [c.152]

    Предназначен для преобразования сетевого переменного напряжения 220 В, 50 Гц в постоянное стабилизированное напряжение от 22,5 до 28,5 В с гальванической изоляцией от сети питания. [c.16]

    Для стабилизации работы электронных силоизмерителен применяются различные способы работа усилителей стабилизуется применением обратной связи вследствие нестабильности усиления малых напряжений постоянного тока (медленное изменение постоянной составляющей выходного напряжения усилителя со временем при неизменном входном напряжении, или дрейф нуля ) применяется усиление с преобразованием постоянного напряжения в переменное и усиление с помощью усилителя переменного тока изменение характеристик элемента датчика при изменении температуры помещения исключается термостатированием датчика применением компенсационной измерительной схемы для уменьшения искажающего влияния способа закрепления упругих элементов подбираются специальные конструкции опор и т. д. [c.137]

    Питание дефектоскопа производится от аккумуляторной батареи 6 в. Преобразование постоянного напряжения в переменное происходит в генераторе, собранном на германиевых триодах. [c.109]

    С помощью выпрямителей осуществляется преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В промышленных установках применяют различные схемы выпрямления переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравнении различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики число полупроводниковых приборов, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора. [c.145]

    Выпрямленное напряжение (рис. 5.6, в) имеет постоянную составляющую [/преобразовании переменного тока в постоянный переменная составляющая равна нулю. Важным показателем работы выпрямителя служит отношение амплитуды переменной составляющей к выпрямленному напряжению, называемое коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения [c.146]

    Рассматривая вопрос об использовании топливных элементов для производства дешевой электроэнергии в больших объемах, необходимо учитывать, что в этих элементах генерируется постоянный ток низкого напряжения, преобразование которого в переменный связано с некоторыми дополнительными потерями энергии. [c.256]

    Чувствительность и стабильность нуля в электрометрических усилителях может быть повышена при использовании схем с преобразованием постоянного напряжения в переменное. С этой целью применяют электромеханические, электрическце и модуляторные преобразователи. Наиболее высокие входные сопротивления имеют -схемы с емкостным вибрационным преобразователем, его полупроводниковым аналогом — варикапом, диэлектрическим преобразователем и преобразователем на полевых транзисторах. Применение других преобразователей ограничено сравнительно невысоким входным сопротивлением и узкой полосой пропускания. [c.56]

    Пряжение. Последовательно в цепь каждой ячейки включен модулятор, преобразующий постоянный ток ячейки в переменное напряжение с частотой в 1 кгц (рис. 5-5). Полученные напряжения суммируются в про-тивофазе, и сигнал разности после соответствующего усиления по переменному току поступает на фазовый детектор. Применение единого генератора подъема напряжения и усиление разности токов ячеек после преобразования в переменное напряжение позволяют уменьшить влияние дрейфа, характерного для методов измерения на постоянном токе. [c.103]

    Разновидностью датчиков этого тина являются электростатические генераторы без подвижных частей [31, 32]. Металлическая измерительная пластинка такого датчика покрыта сегнетоэлектри-ком. Диэлектрическая проницаемость последнего периодически меняется под воздействием специального генератора переменного напряжения, и таким образом осуществляется преобразование постоянного измеряемого поля в переменное, под воздействием которого периодически меняется поляризация металлической измерительной пластины. Амплитуда тока второй гармоники в цепи нагрузки определяется величиной измеряемой напряженности поля. В такой конструкции мощность на выходе электростатического генератора поставляется за счет электрических сил, меняющих поляризацию сегнетоэлектрика [3]. [c.184]

    Генератор имеет силовой трехфазный трансформатор / типа ЗГМ-75/10 с первичным напряжением 220/380 в и вторичным линейным напряжением Уаслин.) = 8000 в. Для преобразования подводимого от трансформатора переменного тока высокого напряжения в постоянный ток высокого напряжения служит высоковольтный газотронный выпрямитель 2, собранный по двухполупериодной трехфазной схеме. В процессе преобразования переменного тока по данной схеме значение выпрямленного напряжения возрастает до 1/г=1,35 У2(лин). В генераторе ГЛ-60 установлены две включенные параллельно лампы типа Г-431. Для предотвращения возможности прохождения высокочастотных колебаний в цепь питания имеется анодный стопорный дроссель 3, емкость 7 и индуктивность И анодного контура. [c.89]

    Схемы высокочастотных установок для индукционного нагрева с электромашинными и ламповыми генераторами приведены на рис. 11.13. Установка с ламповым высокочастотным генератором состоит из блока трехфазного анодного трансформатора 1, ловышающего напряжение 220 и 380 В до 7,5—10 кВ, блока газотронов и тиратронов 2 для преобразования переменного тока в постоянный напряжением до 10—15 кВ, генераторного блока 3 преобразования постоянного тока в высокочастотные колебания с лампой Л, колебательного контура 4, состоящего из конденсаторной батареи С1, воздушного трансформатора к и индуктора И. Перед включением газотронов (тиратронов) на полное напряжение создается выдержка времени при помощи реле времени. [c.56]

    Сигнал от сосуда 3 поступает в электронный регулирующий милливольтметр 4, от которого нужная команда подается на двигатель РД-09 через редуктор, приводящий в движение ползунок ЛАТР а 5. Электрический ток, измененный ЛАТРюм по величине и преобразованный из переменного в постоянный выпрямителем 7, изменяет индуктивное сопротивление дросселя в нужную сторону и выравнивает напряжение первичной сети. [c.97]

    Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1000 кВт начинают широко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с традиционными тиристорами, они представляют разработчикам более широкие возможности формирования напряжения и тока. [c.155]

---

Что такое переменный ток (AC)? | Базовая теория переменного тока

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.

DC — 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 против постоянного

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 с течением времени.

Либо как полярность переключения напряжения, либо как направление переключения тока вперед и назад, этот «вид» электричества известен как переменный ток (AC):

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, чтобы произвести желаемое тепло (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, почему это так, необходимы некоторые базовые знания об AC.

Генераторы переменного тока

Если машина сконструирована так, чтобы вращать магнитное поле вокруг набора неподвижных катушек с проволокой с вращением вала, то в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея на катушках с проволокой будет создаваться переменное напряжение.

Это основной принцип работы генератора переменного тока, также известного как генератор переменного тока : Рисунок ниже

Работа генератора

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 проводом установлена ​​на валу, где магнит находится на генераторе переменного тока, и электрические соединения выполнены с этой вращающейся катушкой 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:

Работа генератора постоянного тока

Генератор, показанный выше, будет производить 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, периодически контактирующих с 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 взаимной индукции , 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 :

.

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, умноженный 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:

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:

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 промышленности, бизнеса или потребительского использования.

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 зависит от изменяющихся магнитных полей, а постоянный ток (DC) может создавать только постоянные магнитные поля, трансформаторы просто не будут работать с постоянным током.

Конечно, постоянный ток может прерываться (генерироваться импульсами) 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.

ОБЗОР:

• 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 двигателя
• переменного и постоянного тока очень точно соответствует принципам конструкции генератора.
• 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)

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Метод генерации постоянного тока ｜ Matsusada Precision идеально подходит для

Электронное устройство работает при постоянном токе

Как правило, электронные устройства работают на постоянном токе.Это характерно для бытовой техники, такой как смартфоны, ПК, телевизоры, холодильники и кондиционеры, а также автомобильные устройства для автомобилей и роботов-производителей, работающих на заводах. Однако не только эти электронные устройства работают по разным напряжения, но и внутри одного электронного устройства необходимое напряжение варьируется в зависимости от схемы. Так что, это необходимо не только преобразовать переменный ток розетки в постоянный, но и преобразовать его в необходимое напряжение и подать его в цепь.
Кроме того, переменный ток изменяет напряжение со временем. Преобразование переменного тока в постоянный вызовет цепь становится нестабильной из-за колебаний напряжения, поэтому преобразование в стабильное напряжение становится необходимым.

Преобразование переменного тока в стабильный постоянный

Что ж, мы представляем, как получить стабильное напряжение постоянного тока. Чтобы преобразовать мощность переменного тока, поступающую из энергосистемы компании, в мощность постоянного тока, преобразуйте напряжение с помощью трансформатор, а затем преобразовать переменный ток в постоянный с помощью выпрямительной схемы.Однако, поскольку выход из схемы выпрямителя имеет форму синусоиды и есть колебания напряжения, необходимо дополнительно пройти схему сглаживания, чтобы преобразовать ее в стабильный источник питания постоянного тока.

Основные шаги для получения стабильного напряжения постоянного тока показаны на рисунке. Однако получить полностью стабильное напряжение постоянного тока невозможно. Дополнительные шаги требуется для получения стабильного напряжения постоянного тока из промышленного источника питания, и существует два способа.Один — это линейный источник питания, а другой — импульсный.

Линейный источник питания

Первый — это линейный блок питания. Резистор используется для снятия и стабилизации избыточного напряжения путем сравнения извлеченного нестабильного постоянного напряжения. от промышленного источника питания с опорным напряжением.
Хотя это можно реализовать дешево и просто, используя только резисторы, дополнительное напряжение выделяется в виде тепла, поэтому важно контролировать тепло в контуре.Кроме того, его нельзя использовать в термочувствительных цепях.

Импульсный источник питания

Другой — импульсный блок питания. Ширина импульса изменяется с помощью схемы переключения, высокочастотного трансформатора, схемы выпрямителя, сглаживания. цепь без резистора, сравнивая нестабильное напряжение постоянного тока, извлекаемое из промышленного источника питания, с опорным напряжением. Хотя поколение тепла можно подавить, не используя резистор, возникает шум, поэтому необходимо удалить этот шум.
Импульсные блоки питания характеризуются низким энергопотреблением по сравнению с линейными блоками питания. Это источник энергии, изначально созданный НАСА. космическое развитие. Космический аппарат не может тратить энергию в космос, где трудно отдавать тепло. Он был разработан как источник энергии для использования энергии без отходящего тепла для спутников и космических кораблей, работающих в космосе.

Основы линейного источника питания

Как было сказано в предыдущем абзаце, линейный источник питания — это метод создания постоянного тока с одновременным снятием лишнего напряжения с источника переменного тока.Таким образом, вы можете получить только напряжение ниже оригинального.
Линейные источники питания стабилизируются путем прохождения цепи управления после цепи сглаживания. В этой части он стабилизируется за счет высвобождения дополнительного текущего напряжения, которое не может быть уравновешено в сглаживающей схеме в виде тепла. В этой схеме есть два пути. Один представляет собой шунтирующий регулятор, а другой — последовательный регулятор.
Шунтирующий стабилизатор состоит из резистора (R1) и стабилитрона в качестве диода стабилизатора напряжения (ZD), соединенных параллельно.Когда напряжение постоянного тока на выходе изменяется, шунтирующий регулятор сначала преобразует его в напряжение, которое должно выводиться через резистор, чтобы стабилизировать напряжение, и разбивает его на ток на выходе и избыточный ток. Избыточный ток течет к стабилитрону, где он расходуется в виде тепла. Когда входное напряжение колеблется, значение тока, выходящего из резистора, колеблется. Изменяя значение сопротивления диода постоянного напряжения, стабилизация достигается за счет того, что значение выходного тока остается постоянным.

С другой стороны, в последовательном регуляторе ток протекает через транзистор (Tr), который является элементом преобразования энергии. Колеблющееся напряжение изменяется постоянным напряжением в этом транзисторе. Он называется последовательным стабилизатором, потому что транзистор последовательно подключен к выходной стороне.
В этом случае опорное напряжение требуется, чтобы сделать транзистор колебаться так, чтобы поддерживать постоянное напряжение. Следовательно, схема управления подключена параллельно транзистору, который имеет ту же конфигурацию схемы, что и шунтирующий стабилизатор, как вы можете видеть на рисунке.Разница в том, что это просто транзистор, который стабилизирует напряжение путем выделения тепла.

Регуляторы серии

имеют преимущество в более низком уровне шума, пульсаций и стабильности по сравнению с шунтирующими регуляторами. В любом случае линейный источник питания имеет простую конфигурацию схемы и имеет недостаток в виде выделения тепла, но он может недорого производить напряжение постоянного тока.

Основы импульсного источника питания

Импульсный источник питания был разработан для решения проблемы, заключающейся в том, что конструкция была простой, но при этом выделялся большой нагрев по сравнению с линейным источником питания.В структуре импульсного источника питания используется электромагнитная индукция за счет трансформатора (две катушки), который преобразует напряжение в частоту выше, чем у промышленного источника питания. Это делается путем подачи импульсов тока путем замыкания и размыкания цепи переключателем (S).

Есть два способа сделать этот импульс: ШИМ (широтно-импульсная модуляция) и ЧИМ (частотно-импульсная модуляция). ШИМ — это метод управления путем изменения ширины импульса в соответствии с величиной постоянного напряжения при сохранении постоянной частоты.Хотя пульсации меньше выходного напряжения, потребление энергии увеличивается. Также он отличается высокой отзывчивостью к нагрузке.
С другой стороны, потребляемая мощность может быть ниже на низких частотах, и PFM может быть выгодным, но когда реакция на колебания нагрузки медленная, пульсации будут больше. Эти характеристики обычно оцениваются, и ШИМ в основном используется в импульсных источниках питания, но ШИМ используется при небольшой нагрузке.
Ну, есть два типа импульсных источников питания: управление неизолированным прерывателем и управление изолированным трансформатором.Управление прерывателем сначала преобразует нестабильное напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока (высокой частоты) от нескольких десятков кГц до нескольких МГц, что является очень высокой частотой. чем коммерческое напряжение переменного тока.
С момента отключения питания он получил название «управление чоппером».
При управлении чоппером как повышение, так и понижение поддерживаются за счет использования характеристик дроссельной катушки (за счет самоиндукции), а затем стабильное напряжение постоянного тока получается за счет включения схемы управления и схемы сглаживания.С другой стороны, при управлении трансформатором взаимная индукция высокочастотного трансформатора играет ту же роль, что и дроссельная катушка системы прерывателя.

Соответствующие технические знания

Рекомендуемые товары

Продукты

Matsusada могут использоваться во всех типах аккумуляторных батарей и конденсаторов для разработки, оценки и тестирования.

Справка (японский сайт)

20,5: Переменный ток в сравнении с постоянным

Переменный ток

Большинство рассмотренных до сих пор примеров, особенно те, которые используют батареи, имеют источники постоянного напряжения.Как только ток установлен, он также становится постоянным. Постоянный ток (DC) — это поток электрического заряда только в одном направлении. Это установившееся состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник напряжения, изменяющийся во времени. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока.Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая обслуживает так много наших потребностей. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока. (б) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока 60 Гц. Напряжение и ток синусоидальны и совпадают по фазе для простой цепи сопротивления.Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана схема простой схемы с источником переменного напряжения. Напряжение между выводами колеблется, как показано на рисунке: напряжение переменного тока определяется как \ [V = V_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.1} \], где \ (V \) — напряжение на время \ (t \), \ (V_ {0} \), \ (V_ {0} \) — пиковое напряжение, а \ (f \) — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления \ (I = V / R \), поэтому переменный ток равен

\ [I = I_ {0} sin 2 \ pi ft, \ label {20.6.2} \]

, где \ (I \) — ток в момент времени \ (t \), а \ (I_ {0} = V_ {0} / R \) — пиковый ток. В этом примере считается, что напряжение и ток находятся в фазе, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Разность потенциалов \ (V \) между выводами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для \ (V \) дается \ (V = V_ {0} sin 2 \ pi ft \).

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как и напряжение возбуждения, поскольку \ (I = V / R \).Например, если резистор представляет собой люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток постоянно проходит через ноль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстро для ваших глаз, но если вы помахаете рукой вперед и назад между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. {2} 2 \ pi ft \), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь синфазны, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до \ (I_ {0} V_ {0} \). Средняя мощность равна \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \).

Установление соединений: домашний эксперимент — AC / DC Lights

Помашите рукой между лицом и люминесцентной лампой. Вы наблюдаете то же самое с фарами на своей машине? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение: Не смотрите прямо на очень яркий свет.

Чаще всего нас беспокоит средняя мощность, а не ее колебания — например, у лампочки 60 Вт в настольной лампе средняя потребляемая мощность 60 Вт. Как показано на Рисунке 3, средняя мощность \ (P_ {ave} \) равна \ [P_ {ave} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}. \ label {20.6.3} \] Это видно из графика, поскольку области выше и ниже линии \ (\ left (1/2 \ right) I_ {0} V_ {0} \) равны, но также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или действующий ток \ (I_ {rms} \), а среднее значение или действующее напряжение \ (V_ {rms} \), соответственно, равным

\ [I_ {rms} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ label {20.6.4} \]

и

\ [V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}}. \ Label {20.6.5} \]

, где среднеквадратичное значение означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего. Как правило, для получения среднеквадратичного значения конкретная величина возводится в квадрат, определяется ее среднее значение (или среднее значение) и извлекается квадратный корень. Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Теперь \ [P_ {ave} = I_ {rms} V_ {rms}, \ label {20.6.6} \], что дает

\ [P_ {ave} = \ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}} \ cdot \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} = \ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0}, \ label {20.6.7} \]

, как указано выше. Стандартная практика — указывать \ (I_ {rms} \), \ (V_ {rms} \) и \ (P_ {ave} \), а не пиковые значения. Например, большая часть бытовой электроэнергии составляет 120 В переменного тока, что означает, что \ (V_ {среднеквадратичное значение} \) составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прерывает постоянное значение \ (I_ {среднеквадратичное значение} \) более 10 А. Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет \ (P_ {ave} = 1,0 кВт \) и так далее. Вы можете рассматривать эти среднеквадратичные и средние значения как эквивалентные значения постоянного тока для простой резистивной цепи.

Подводя итог, при работе с переменным током закон Ома и уравнения мощности полностью аналогичны таковым для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения.{2} _ {rms} R. \ label {20.6.11} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \): пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети 120 В переменного тока?

Стратегия

Нам говорят, что \ (V_ {rms} \) составляет 120 В, а \ (P_ {ave} \) — 60,0 Вт. Мы можем использовать \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt { 2}} \), чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение
Решая уравнение \ (V_ {rms} = \ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}} \) для пикового напряжения \ (V_ {0} \) и подставляя известное значение для \ (V_ {rms} \) дает \ [V_ {0} = \ sqrt {2} V_ {rms} = 1.414 \ влево (120 В \ вправо) = 170 В. \]

Обсуждение

Это означает, что напряжение переменного тока меняется от 170 В до \ (- 170 В \) и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение составляет 120 В.

(b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Решение

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом, \ [P_ {0} = I_ {0} V_ {0} = 2 \ left (\ frac {1} {2} I_ {0} V_ {0} \ right) = 2P_ {ave}. \] Мы знаю, что средняя мощность 60.0 Вт, и поэтому \ [P_ {0} = 2 \ left (60,0 Вт \ справа) = 120 Вт. \]

Обсуждение

Таким образом, мощность меняется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за каждый цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.

Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?

Большинство крупных систем распределения электроэнергии — это переменный ток. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоком напряжении, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве частей мира), которые мы используем дома и на работе. Благодаря эффекту масштаба строительство нескольких очень крупных электростанций обходится дешевле, чем строительство множества небольших.Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно минимизировать потери энергии в пути. Как мы увидим, высокие напряжения могут передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкие напряжения. (См. Рис. 4.) В целях безопасности напряжение у пользователя снижено до знакомых значений. Решающим фактором является то, что намного легче увеличивать и уменьшать напряжение переменного тока, чем постоянного, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Мощность распределяется на большие расстояния при высоком напряжении, чтобы уменьшить потери мощности в линиях передачи.Напряжение, генерируемое на электростанции, повышается пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают напряжение

Пример \ (\ PageIndex {2} \): потери мощности меньше для высоковольтной передачи

(a) Какой ток необходим для передачи мощности 100 МВт при 200 кВ?

Стратегия

Нам дано \ (P_ {ave} = 100 MW \), \ (V_ {rms} = 200 kV \), а сопротивление линий равно \ (R = 1.{2} \ left (1.00 \ Omega \ right) = 250 кВт. \]

(c) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?

Решение

Процент потерь — это отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100: \ [% loss = \ frac {250 кВт} {100 МВт} \ times 100 = 0,250%. \]

Обсуждение

Четверть процента — приемлемая потеря. Обратите внимание, что если бы мощность 100 МВт была передана при 25 кВ, то потребовался бы ток 4000 А.Это приведет к потере мощности в линиях на 16,0 МВт, или 16,0%, а не 0,250%. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого потребуются более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было бы экономично производить, в линиях передачи вообще не было бы потерь. Но, как мы увидим в следующей главе, в сверхпроводниках тоже есть предел.Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи энергии, а напряжение переменного тока намного легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.

Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредными. Таким образом, опасность определяется не только напряжением. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока.Томас Эдисон считал, что электрические разряды более опасны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные бои, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Тесла, которые выступали за использование переменного тока в ранних системах распределения энергии. Преобладал переменный ток в значительной степени благодаря трансформаторам и более низким потерям мощности при передаче высокого напряжения.

ФЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ГЕНЕРАТОР

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этих явлений, исследуя магниты и узнавая, как с их помощью загорается лампочка.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Генератор

Что такое переменный ток?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК Что такое переменный ток?

25.02.2020 Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет свое направление, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении, которое не может меняться спорадически.

Связанные компании

Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет направление, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении.

Большинство студентов, изучающих электротехнику и смежные предметы, начинают свое обучение с изучения постоянного тока (DC). Это потому, что большая часть цифровой электроники, которую построят эти студенты, будет использовать постоянный ток. Тем не менее, важно понимать переменные токи (AC) и их концепции, потому что он имеет множество полезных свойств и вариантов использования.

Как вырабатываются переменные токи

Переменный ток (зеленая кривая). Горизонтальная ось измеряет время; по вертикали, току или напряжению.

(Источник: Public Domain)

Хотя постоянный ток, однонаправленный поток электрического заряда, возможно, является одной из самых простых концепций электротехники, это не единственный «тип» используемого электричества. И переменный, и постоянный ток описывают типы тока, протекающего в цепи.Многие источники электричества, в первую очередь электромеханические генераторы, вырабатывают переменный ток с напряжениями, которые меняют полярность, меняя полярность с положительной на отрицательную с течением времени. Генератор также может использоваться для преднамеренной генерации переменного тока.

В генераторе переменного тока проволочная петля быстро раскручивается внутри магнитного поля. Это создает электрический ток по проводу. Поскольку провод вращается и периодически меняет магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются.Этот ток может периодически менять направление, и напряжение в цепи переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление.

Переменный ток бывает нескольких форм, если напряжение и ток переменные. Если цепь переменного тока подключена к осциллографу и ее напряжение отображается в зависимости от времени, вы, вероятно, увидите несколько различных форм сигналов, таких как синусоидальный, квадратный и треугольный — синусоидальный сигнал является наиболее распространенной формой сигнала, а переменный ток в большинстве зданий, подключенных к электросети. имеют колебательное напряжение в форме синусоиды.

Применение переменного тока

Переменный ток чаще всего используется в зданиях, подключенных к электросети, таких как дома и офисы. Это связано с тем, что генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно легко. При высоком напряжении более 110 кВ при передаче энергии теряется меньше энергии. При более высоких напряжениях генерируются более низкие токи, а более низкие токи выделяют меньше тепла в линии электропередачи из-за более низкого уровня сопротивления. Следовательно, это означает меньшие потери энергии в виде тепла.Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и из него с помощью трансформаторов.

Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и из него с помощью трансформаторов.

(Источник: Science ABC)

Переменный ток также отлично подходит для использования в электродвигателях, потому что двигатели и генераторы — это одно и то же устройство. Единственная разница между генератором и двигателем заключается в том, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.Эти двигатели используются во всех видах бытовой техники, например, в холодильниках, стиральных и посудомоечных машинах. Хотя генераторы и двигатели великолепны, наиболее полезное применение переменного тока — это, пожалуй, трансформаторы.

Эффект электромагнетизма (известный как «взаимная индукция»), когда две или более катушки провода размещаются так, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует напряжение в другой, можно использовать для создания устройства, называемого трансформатором. . Если есть две взаимно индуктивные катушки и одна питается переменным током, переменное напряжение будет создано в другой катушке.

Вот где переменный ток становится очень полезным.

Основное применение трансформатора — это повышение или понижение напряжения с катушки с питанием на катушку без питания. Это обеспечивает переменному току преимущество над постоянным током в области распределения мощности, потому что, как упоминалось выше, передача электроэнергии на большие расстояния намного эффективнее при более высоких повышенных напряжениях и меньших пониженных токах. Прежде чем попасть в розетки, напряжение снова понижается, а ток снова повышается.

Этот тип трансформаторной техники сделал распределение электроэнергии на большие расстояния эффективным и практичным. Без трансформаторов было бы слишком дорого строить энергосистемы в их нынешнем виде на большие расстояния. А поскольку взаимная индуктивность зависит от изменения магнитных полей, трансформаторы работают только с переменным током.

(ID: 46380228)

AC, DC и электрические сигналы

AC, DC и электрические сигналы | Клуб электроники

AC | DC | Свойства сигнала | RMS

Следующая страница: Осциллографы (CRO)

См. Также: Диоды | Блоки питания

AC означает переменный ток, а DC означает постоянный ток.Переменный и постоянный ток также используются при обозначении напряжений и электрических сигналов. которые не токи! Например: источник питания 12 В переменного тока имеет переменное напряжение. (который заставит течь переменный ток).

Электрический сигнал — это напряжение или ток, передающий информацию, обычно это означает напряжение. Этот термин может использоваться для любого напряжения или тока в цепи.

---

Переменный ток (AC)

Переменный ток (AC) течет в одну сторону, затем в другую, постоянно меняя направление.

Напряжение переменного тока постоянно меняется с положительного (+) на отрицательное (-).

Скорость изменения направления называется частотой переменного тока и измеряется в герц (Гц) — количество циклов в прямом и обратном направлении циклов в секунду .

Электроэнергия в Великобритании имеет частоту 50 Гц.

См. Ниже более подробную информацию о свойствах сигнала.

Источник переменного тока подходит для питания некоторых устройств, таких как лампы и обогреватели, но почти все электронные схемы требуют постоянного источника постоянного тока (см. ниже).

Переменный ток от источника питания
Эта форма называется синусоидой .

Этот треугольный сигнал является переменным током, потому что он меняет
между положительным (+) и отрицательным (-).

---

Постоянный ток (DC)

Постоянный ток (DC) всегда течет в одном направлении, но может увеличиваться и уменьшаться.

Напряжение постоянного тока всегда положительное (или всегда отрицательное), но оно может увеличиваться и уменьшаться.

Электронным схемам обычно требуется постоянный источник питания постоянного тока , который имеет одно значение. или источник питания smooth DC , который имеет лишь небольшую вариацию, называемую пульсацией .

Элементы, батареи и регулируемые источники питания обеспечивают устойчивый постоянный ток , который идеально подходит для электронных схем.

Блоки питания содержат трансформатор, преобразующий от сети переменного тока к безопасному низковольтному переменному току. Затем переменный ток преобразуется в постоянный ток мостовой выпрямитель, но выход изменяет постоянный ток , что не подходит для электронных схем.

Некоторые источники питания включают конденсатор для обеспечения smooth DC , который подходит для менее чувствительных электронных схем, в том числе большинство проектов на этом сайте.

Лампы, обогреватели и двигатели будут работать от любого источника постоянного тока.

Дополнительную информацию см. На странице источников питания.

Источники питания также описаны на веб-сайте Electronics in Meccano.

Постоянный ток
от батареи или регулируемого источника питания,
идеально подходит для электронных схем.

Smooth DC
от сглаженного источника питания,
подходит для некоторой электроники.

Изменение постоянного тока
от источника питания без сглаживания,
это не подходит для электроники.

---

---

Свойства электрических сигналов

Электрический сигнал — это напряжение или ток, передающий информацию, обычно это означает напряжение. Этот термин может использоваться для любого напряжения или тока в цепи.

График «напряжение-время» ниже показывает различные свойства электрического сигнала. Помимо свойств, отмеченных на графике, есть частота что является количеством циклов в секунду.

На диаграмме показан синусоидальный сигнал , но свойства применимы к любому сигналу. с постоянно повторяющейся формой.

• Амплитуда — это максимальное напряжение, достигаемое сигналом. Измеряется в В , В .
• Пиковое напряжение — другое название амплитуды.
• Пиковое напряжение в два раза больше пикового напряжения (амплитуды). При считывании осциллограммы обычно измеряют пиковое напряжение.
• Период времени — это время, необходимое сигналу для завершения одного цикла. Он измеряется в секундах (с) , но периоды времени обычно короткие, поэтому часто используются миллисекунды (мс) и микросекунды (мкс).
  1 мс = 0,001 с и 1 мкс = 0,000001 с.
• Частота — это количество циклов в секунду.Он измеряется в герцах (Гц) и , но частоты имеют тенденцию быть высокими, поэтому часто используются килогерцы (кГц) и мегагерцы (МГц).
  1 кГц = 1000 Гц и 1 МГц = 1000000 Гц.

Частота и период времени

Частота и период времени противоположны друг другу:

частота =	1
	период времени

и

период времени =	1
	частота

Электросеть в Великобритании имеет частоту 50 Гц поэтому он имеет период времени ¹ / ₅₀ = 0.02с = 20 мс .

---

Среднеквадратичные значения (RMS)

Значение переменного напряжения непрерывно изменяется от нуля до положительного пика через от нуля до отрицательного пика и снова обратно к нулю. Очевидно, что большую часть времени оно меньше пикового напряжения, так что это не лучшая мера его реального эффекта.

Вместо этого мы используем среднеквадратичное напряжение (В _RMS ) что составляет 0,7 от пикового напряжения (В _пик ):

и

Эти уравнения также применимы к , текущий .

Важно отметить, что эти уравнения верны только для синусоидальных волн (наиболее распространенного типа переменного тока), потому что Коэффициенты 0,7 и 1,4 — это разные значения для других форм.

Действующее значение — эффективное значение переменного напряжения или текущий. Это эквивалентное постоянное значение постоянного тока, которое дает такой же эффект.

Например, лампа, подключенная к источнику питания 6V RMS AC , будет гореть с той же яркостью. при подключении к источнику постоянного тока 6 В постоянного тока .Тем не менее, лампа будет тусклее, если подключена к сети 6 В переменного тока с пиковым напряжением . питания, потому что его среднеквадратичное значение составляет всего 4,2 В (это эквивалентно постоянному 4,2 В постоянного тока).

Возможно, вам будет полезно думать о среднеквадратичном значении как о некотором среднем значении, но, пожалуйста, помните что это НЕ в среднем! Фактически, среднее напряжение (или ток) типичного сигнала переменного тока равен нулю, потому что положительная и отрицательная части полностью компенсируются.

Что показывают измерители переменного тока, это среднеквадратичное или пиковое напряжение?

Вольтметры и амперметры переменного тока

показывают среднеквадратичное значение напряжения или тока.

Что на самом деле означает «6 В переменного тока», это среднеквадратичное или пиковое напряжение?

Если имеется в виду пиковое значение, оно должно быть четко указано, в противном случае предположим, что это значение RMS . В повседневном использовании напряжение переменного тока (и токи) всегда задается как среднеквадратичных значений , потому что это позволяет провести разумное сравнение с постоянными напряжениями (и токами) постоянного тока, например, от батареи.

Например, «питание 6 В переменного тока» означает 6 В RMS, пиковое напряжение составляет 8,4 В. Электроснабжение Великобритании 230 В переменного тока, это означает 230 В RMS, поэтому пиковое напряжение сети составляет около 320 В.

Так что же на самом деле означает среднеквадратичное значение (RMS)?

Сначала возведите все значения в квадрат, затем найдите среднее (среднее) этих квадратов за полный цикл и найдите квадратный корень из этого среднего. Это значение RMS. Смущенный? Не обращайте внимания на математику (она выглядит сложнее, чем есть на самом деле), просто примите что среднеквадратичные значения напряжения и тока являются гораздо более полезной величиной, чем пиковые значения.

---

Следующая страница: Осциллографы (CRO) | Исследование

---

Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию.Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому. На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Рекламодателям не передается никакая личная информация. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации.Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

electronicsclub.info © Джон Хьюс 2021 г.

Постоянный ток — Энергетическое образование

Рис. 1: Анимация из моделирования ^[1] PhET постоянного тока, который был значительно замедлен. См. Переменный ток для сравнения.

Постоянный ток (DC) — это электрический ток, который является однонаправленным, поэтому поток заряда всегда в одном и том же направлении. ^[2] В отличие от переменного тока направление и сила постоянного тока не меняются. Он используется во многих бытовых приборах и во всех устройствах, в которых используются батарейки. ^[3]

Недвижимость

Постоянный ток определяется постоянным потоком электронов (см. Рисунок 1) из области с высокой электронной плотностью в область с низкой электронной плотностью.В схемах, включающих батареи, это иллюстрируется постоянным потоком заряда от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Изменять напряжение постоянного тока гораздо дороже и труднее, чем переменного, что делает его плохим выбором для передачи электроэнергии под высоким напряжением. Однако на очень большие расстояния передача HVDC может быть более эффективной, чем переменный ток ^[2] .

использует

Постоянный ток используется в любом электронном устройстве с батареей в качестве источника питания.Он также используется для зарядки аккумуляторов, поэтому перезаряжаемые устройства, такие как ноутбуки и сотовые телефоны, поставляются с адаптером переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный ^[2] .

Моделирование PhET

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующее моделирование PhET. Это моделирование можно использовать для изучения того, как работают постоянный и переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Произошла ошибка: SQLSTATE [42000]: синтаксическая ошибка или нарушение прав доступа: 1064 У вас есть ошибка в синтаксисе SQL; проверьте руководство, соответствующее версии вашего сервера MySQL, чтобы найти правильный синтаксис рядом с ‘)’ в строке 1

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — Applied Industrial Electricity

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 против постоянного

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 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, то в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея на катушках с проволокой будет создаваться переменное напряжение. 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, периодически контактирующих с 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 будет прямо противоположным: ток первичной обмотки умножен 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-ступенчатая понижающая 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 зависит от изменяющихся магнитных полей, 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 двигателя
• переменного и постоянного тока очень точно соответствует принципам конструкции генератора.
• 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 амплитуды 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 pitch , 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 формы волны переменного тока

Один из способов выразить интенсивность или величину (также называемую амплитудой ) величины переменного тока — это измерить высоту его пика на графике формы волны.Это известно как 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 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 просто как среднее значение сигнала.Если мы усредним все точки на осциллограмме алгебраически (то есть, чтобы считать их знак , положительным или отрицательным), среднее значение для большинства сигналов технически равно нулю, потому что все положительные точки нейтрализуют все отрицательные точки по всей длине волны. 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 сигнала, «среднее» обычно определяется как математическое среднее абсолютных значений всех точек за цикл.Другими словами, мы вычисляем практическое среднее значение формы волны, рассматривая все точки на волне как положительные величины, как если бы форма волны 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 сигнала, поскольку 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:

Рис. 4.13. Аналогия постоянного и переменного тока с помощью ленточной пилы и лобзика.

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 вращения 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 максимальной скорости вращения полотна может ввести 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 равны 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 среднеквадратическое значение (СКЗ) соотносится с переменным током?

В двух приведенных выше схемах у нас одинаковое сопротивление нагрузки (2 Ом), рассеивающее одинаковую мощность 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 Среднеквадратическое значение , 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 «среднеквадратичного значения» 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, потому что основной проблемой, связанной с током, является 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 пиков и размаха лучше всего выполнять с помощью осциллографа, который может фиксировать 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.

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, справедливы только для чистых форм этих волн. 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, поскольку степень отклонения стрелки в аналоговом перемещении измерителя Д’Арсонваля равна пропорционально среднему значению сигнала, а не среднеквадратичному значению. Калибровка измерителя среднеквадратичного значения получается путем «перекоса» диапазона измерителя таким образом, чтобы он отображал небольшое кратное среднему значению, которое будет равно среднеквадратичному значению для конкретной формы волны и 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, кроме чистой синусоиды, 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, изображенная 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 рассчитывается 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.

Рисунок 4.17. Принципиальная схема однофазной энергосистемы мало что говорит о проводке 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 схем

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 из дешевых! 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 у нашего 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 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 за счет использования меньшего, более легкого и более дешевого провода.

Опасности повышения напряжения источника

Однако это решение не лишено недостатков.Еще одна практическая проблема с силовыми цепями — опасность поражения электрическим током от высокого напряжения. Опять же, обычно это не то, на чем мы концентрируемся 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 можно сделать в распределительных системах. Этим компромиссом между эффективностью и опасностью европейские проектировщики 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 нагрузки низкого напряжения 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 на 120 В переменного тока, управляемые источником 240 В переменного 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, 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 благоприятны. 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 распределенной энергосистемой . 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 разницы 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 расщепленной 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, такого как 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.

Здесь 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 В ± 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) одинаковым знаком полярности (-), мы должны выразить их относительный фазовый сдвиг как разнесенный 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 такой источник питания переменного тока называется , однофазный, , потому что оба сигнала 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 синусоидальную функцию 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 она будет впереди , а вторая — , отстающей 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 , 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 представления 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.
• Форма волны , опережающая определяется как одна форма волны, которая опережает другую в своей эволюции.Сигнал с запаздыванием — это сигнал, который отстает от другого. Пример:

• При расчетах для анализа цепей переменного тока необходимо учитывать как амплитуду, так и фазовый сдвиг 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 расщепленными фазами , 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 расщепленной фазой.

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 расщепленными фазами, которую мы видели раньше, за исключением того, что каждый источник напряжения сдвинул фазу 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 также должно 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 имеет полный ток 83,33 А, как и каждый «горячий» провод.

Обратите внимание, что мы все еще 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, не совпадающих по фазе на 120 °

Тот факт, что нейтральный провод пропускает ток 83,33 А, открывает интересную возможность: поскольку по нему в любом случае протекает 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), не добавляя 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.

Многофазная цепь

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, pentagon и hexagon ) и « poly atomic» (вещество, состоящее из нескольких типов атомов).Поскольку все источники напряжения расположены под разными фазовыми углами (в данном случае три разных фазовых угла), это схема « poly phase». 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!), По цене 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 с общей массой 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 у источника: сконструировать генератор переменного тока (генератор переменного тока), обеспечивающий мощность таким образом, чтобы вращающееся магнитное поле проходило через три набора проволочных обмоток, каждая 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 нашей примерной схеме мы показали три источника напряжения, соединенных 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).
• Расщепленная система питания — 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 углами фаз друг от друга (работает много «фаз» сигналов напряжения). 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 будет иметь 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 впереди на 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 несколько применений 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 намного более простой способ изменить последовательность фаз, чем реверсирование вращения генератора: 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», можно также назвать «2-3-1» или «3-1-2», идя 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 называются 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 . Линейное напряжение означает величину напряжения, измеренного между любыми двумя линейными проводниками в сбалансированной трехфазной системе. В приведенной выше схеме линейное напряжение составляет примерно 208 вольт. Фазное 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 треугольником (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.Еще один 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 до резкости из-за циркулирующих токов, перейдем к его практическому использованию в качестве источника питания в трехфазных цепях. Поскольку каждая пара линейных проводов подключена 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 здесь все преимущества трехфазного питания, учитывая тот факт, что у нас такие большие токи в проводниках, что требует более толстого и более дорогостоящего провода. Ответ — нет. Хотя для этой схемы потребуется 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 подключением по схеме Δ 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 отказе 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 и обмоткой с открытым источником на рисунке ниже.

Рисунок 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 участь (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.
• Фазное напряжение — это напряжение, измеренное на отдельном компоненте трехфазного источника или нагрузки.
• Линейный ток — это ток через любую линию между трехфазным источником и нагрузкой.