Основные свойства простейших цепей переменного тока

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.

Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров.  Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.

В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.

Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам.  В качестве примера такого устройства можно привести блоки бесперебойного питания, инверторы в автомобилях или, например, в солнечных электростанциях.

Генерирование переменного тока

Кроме стандартных генераторов, для производства переменного тока применяются инверторы и фазорасщепители.

Инвертор

Это устройство, с помощью которого из постоянного тока получают его переменный вид. В процессе этого величина выходного напряжения тоже меняется. Схема устройства представляет собой электронный генератор синусоидального импульсного напряжения периодического характера. Есть варианты инверторов, работающих с дискретным сигналом. Инверторы применяют для автономного питания оборудования от аккумуляторов постоянного напряжения.

Инвертор 12/220 В, мощностью 1500 Вт

Фазорасщепитель

Ещё один способ получить несколько фаз из какого-либо сигнала – это выполнить его расщепление на несколько фаз. Это делается с помощью фазорасщепителя. Принудительная обработка сигналов цифрового или аналогового формата используется, как в радиоэлектронике, так и в силовой электротехнике.

Для электроснабжения трёхфазных асинхронных двигателей применяют выполненный на их же базе фазорасщепитель. Для этого обмотки трёхфазного двигателя соединяют не «звездой», а иначе. Две катушки присоединяют между собой последовательно, третью – подключают к средней точке второй обмотки. Двигатель запускают, как однофазный, после разгона в его третьей обмотке наводится ЭДС.

Интересно. В случае расщепления фаз подобным методом сдвиг фаз между 2 и 3 обмоткой составляет не 1200, как должно быть в идеале, а 900.

Как перевести ВА (Вольт-Ампер) в Вт и наоборот?

е. проводник длиной в l метров и сечением F кв. миллиметров имеет сопротивление ρ • F/l омов Здесь ρ — постоянная, зависящая от материала и температуры проводника — удельное сопротивление; величина l/ρ — называется удельной электропроводностью

В таблицах помещены данные относительного сопротивления различных веществ, от величины которого зависит их пригодность в качестве проводников или изоляторов

Металлы для проводников

Сопротивление в омах на 1 м длины и 1 мм2 сечения; при 20° С

Материалы для сопротивлений

Изолирующие материалы

Сопротивление в мегомах (1 мегом — 1000000 омов) куба в 1 см3

Жидкие сопротивления

Сопротивление в омах куба в 1 см3 при 15° С

Сопротивление пробою

Переменный ток напряжением в 20 000 вольт пробивает изолирующий слой следующей толщины, мм:

В процессе проектирования электрическим системам довольно часто необходим очень сложный анализ. Это требуется для того, чтобы можно было легко оперировать огромным количеством величин – вольты, амперы, ватты и др. Одновременно с этим производится расчет соотношения этих величин при конкретной нагрузке на механизм.

В домашней сети напряжение фиксированное, а вот сила тока и мощность разные, хотя это и взаимозаменяемые величины.

В этом случае требуется помощь для точного перевода ватт в амперы при постоянном значении напряжения.

А чтобы это сделать, можно воспользоваться онлайн калькулятором, который расположен на нашем сайте.

Для того, чтобы произвести перевод с помощью онлайн калькулятора, нужно ввести определенные величины в указанные графы.

Но для этого нужно знать, что означают некоторые данные. Например, ампер является величиной измерения силы электрического тока, которая определяется в кулонах.

Конденсатор в цепи переменного тока

Постоянный ток через конденсатор не течёт — для постоянного тока конденсатор является разрывом цепи. Однако переменному току конденсатор не помеха! Протекание переменного тока через конденсатор обеспечивается периодическим изменением заряда на его пластинах.

Рассмотрим конденсатор ёмкости , подключённый к источнику синусоидального напряжения (рис. 3). Активное сопротивление проводов, как всегда, считаем равным нулю. Положительное направление обхода цепи снова выбираем против часовой стрелки.

Рис. 3. Конденсатор в цепи переменного тока

Как и ранее, обозначим через заряд той пластины конденсатора, на которую течёт положительный ток — в данном случае это будет правая пластина. Тогда знак величины совпадает со знаком напряжения . Кроме того, как мы помним из предыдущего листка, при таком согласовании знака заряда и направления тока будет выполнено равенство .

Напряжение на конденсаторе равно напряжению источника:

Отсюда

Дифференцируя это равенство по времени, находим силу тока через конденсатор:

(3)

Графики тока и напряжения представлены на рис. 4. Мы видим, что сила тока каждый раз достигает максимума на четверть периода раньше, чем напряжение. Это означает, что фаза силы тока на больше фазы напряжения (ток опережает по фазе напряжение на ).

Рис. 4. Ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на

Найти сдвиг фаз между током и напряжением можно также с помощью формулы приведения:

Используя её, получим из (3):

И теперь мы чётко видим, что фаза тока больше фазы напряжения на .

Для амплитуды силы тока имеем:

Таким образом, амплитуда силы тока связана с амплитудой напряжения соотношением, аналогичным закону Ома:

где

Величина называется ёмкостным сопротивлением

конденсатора. Чем больше ёмкостное сопротивление конденсатора, тем меньше амплитуда тока, протекающего через него, и наоборот.

Ёмкостное сопротивление обратно пропорционально циклической частоте колебаний напряжения (тока) и ёмкости конденсатора. Попробуем понять физическую причину такой зависимости.

1. Чем больше частота колебаний (при фиксированной ёмкости ), тем за меньшее время по цепи проходит заряд ; тем больше амплитуда силы тока и тем меньше ёмкостное сопротивление. При ёмкостное сопротивление стремится к нулю: . Это означает, что для тока высокой частоты конденсатор фактически является коротким замыканием цепи.

Наоборот, при уменьшении частоты ёмкостное сопротивление увеличивается, и при имеем . Это неудивительно: случай отвечает постоянному току, а конденсатор для постоянного тока представляет собой бесконечное сопротивление (разрыв цепи).

2. Чем больше ёмкость конденсатора (при фиксированной частоте), тем больший заряд проходит по цепи за то же время (за ту же четверть периода); тем больше амплитуда силы тока и тем меньше ёмкостное сопротивление.

Подчеркнём, что, в отличие от ситуации с резистором, мгновенные

значения тока и напряжения в одни и те же моменты времени уже не будут удовлетворять соотношению, аналогичному закону Ома. Причина заключается в сдвиге фаз: напряжение меняется по закону синуса, а сила тока — по закону косинуса; эти функции не пропорциональны друг другу. Законом Ома связаны лишьамплитудные значения тока и напряжения.

Генератор переменного тока

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими гармонические колебания.

Генератором переменного тока называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

ЭДС индукции генератора изменяется по синусоидальному закону

\(e={\rm E}_{m} \cdot \sin \omega \cdot t,\)

где \({\rm E}_{m} =B\cdot S\cdot \omega\) — амплитудное (максимальное) значение ЭДС. При подключении к выводам рамки нагрузки сопротивлением R

, через нее будет проходить переменный ток. По закону Ома для участка цепи сила тока в нагрузке

\(i=\dfrac{e}{R} =\dfrac{B \cdot S \cdot \omega }{R} \cdot \sin \omega \cdot t = I_{m} \cdot \sin \omega \cdot t,\)

где \(I_{m} = \dfrac{B\cdot S\cdot \omega }{R}\) — амплитудное значение силы тока.

Основными частями генератора являются (рис. 1):

• индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;
• якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
• коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с вращающихся частей или подается по ним ток.

Рис. 1 Неподвижная часть генератора называется статором

, а подвижная —ротором . В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.

На современных гидроэлектростанциях вода вращает вал электрогенератора с частотой 1-2 оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну рамку (обмотку), то получался бы переменный ток частотой 1-2 Гц. Поэтому, для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих увеличить частоту вырабатываемого тока. Для паровых турбин, ротор которых вращается очень быстро, используют якорь с одной обмоткой. В этом случае частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока, т.е. ротор должен делать 50 об/с.

Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.

Из истории

. Первоначально Фарадей обнаружил лишь едва заметный ток в катушке при движении вблизи нее магнита. «Какая от этого польза?» — спросили его. Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорож­денного?» Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р. Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

*Принцип действия

Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.

Пусть проводящая рамка площадью S

вращается с угловой скоростью ω вокруг оси, расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией \(\vec{B}\) (см. рис. 1).

При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции магнитного поля \(\vec{B}\) и нормали к плоскости рамки \(\vec{n}\) меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени t

= 0 угол α0 = 0 (см. рис. 1), то

\(\alpha = \omega \cdot t = 2\pi \cdot \nu \cdot t,\)

где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.

В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим образом

\(\Phi \left(t\right)=B\cdot S\cdot \cos \alpha =B\cdot S\cdot \cos \omega \cdot t.\)

Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции

\(e=-\Phi ‘(t)=B\cdot S\cdot \omega \cdot \sin \omega \cdot t = {\rm E}_{m} \cdot \sin \omega \cdot t.\)

Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.

Критерии выбора выпрямителей

Приобретая сложное техническое устройство ориентируются на его основные характеристики. Для выпрямителя к таким относятся:

• Номинальное напряжение;
• Выпрямленный ток;
• Частота пульсаций.

Первый параметр обычно указывается двумя переменными. Одна – это напряжение до фильтра, вторая – после него.

Номинальный выпрямленный ток — это среднее значение. Он задается техническими условиями.

Качественным показателем каждого сетевого выпрямителя-стабилизатора напряжения и тока является пульсация. В зависимости от схемы устройства частота гармоники выходных параметров должна быть равна аналогичной величине питающей сети для однопериодных и удвоенному значению ее для двухполупериодных приборов.

Что касается многофазных выпрямителей, то у них этот параметр зависит от схемы и числа фаз.

Важными характеристиками таких приборов являются коэффициенты:

1. Фильтрации;
2. Пульсаций.

Первый – это отношение коэффициента на входе к аналогичной величине на выходе. Второй определяется как соотношение амплитуды гармонической составляющей напряжения или тока к их среднему значению.

Смотрим видео, критерии выбора прибора:

Еще одним параметром, на который ориентируются, выбирая выпрямитель, является нестабильность или колебания напряжения на его выходе. Этот параметр определяется как разница между реальным и номинальным значениями. Если же прибор используется без стабилизатора, то колебания определяются по отклонения напряжения в сети.

Обзор нескольких моделей

Оборудование этого класса выпускается различными производителями и представлено достаточно широко на отечественном рынке. Но не все модели пользуются большим спросом. Одни из-за своей высокой стоимости, вторые по причине низкого качества. Поэтому прежде, чем купить выпрямитель для дома следует внимательно изучить техническую документацию на различные виды устройств, а также ознакомиться с отзывами в сети. Часто в них можно найти много полезной информации. Не лишней будет и консультация со специалистом.

Чтобы несколько упростить выбор необходимого оборудования рассмотрим несколько самых популярных моделей выпрямителей для напряжения.

Одним из них является прибор PRS380. Он способен преобразовать синусоидальное входное напряжение переменного тока в выходное постоянного. Выпрямитель оснащен разъемам для установки в полку 19», которые располагаются на задней панели корпуса.

Современная структура цепи прибора позволило свести потери к минимуму, получив компактное устройство небольшого веса. Сфера применения этого оборудования достаточно широка и рассчитана на все системы постоянного тока, как с аккумуляторами, так и без них.

Номинальная мощность прибора составляет 8000 Вт, а при необходимости ее повышения допускается параллельное подключение нескольких модулей.

Поскольку существуют выпрямители, которые не только устанавливаются на горизонтальных поверхностях, но и могут крепиться на стене, то стоит рассмотреть и такую модель.

Модель PSR06

Это прибор под маркой PSR06-W. Он оснащен дисплеем, установленным на передней панели и предназначенным для контроля значений напряжения и тока на выходе. Устройство отличается компактными размерами и предназначено для монтажа на стену.

При его создании были учтены современные технологии, поэтому прибор отличается широким диапазоном входного напряжения, позволяя получать синусоидальный ток с коэффициентов мощности равным 1.

Выпрямитель оснащен платой контроля и коррекции величин на входе и выполняет их настройку в течение 1,5 мс. Эта особенность позволяет устройству поддерживать заданное значение тока практически до КЗ. При этом настройка выполняется с использованием клавиш, расположенных на лицевой части корпуса. Допускается подключение температурного датчика для компенсации этого параметра при зарядке аккумулятора.

Что советуют специалисты

Выбирая данный прибор, обращают внимание не только на технические характеристики прибора, но и на его стоимость. Какую модель купить? Дешевую? Дорогую? Эти вопросы актуальны для всех

Но какие ответы на них дают специалисты?

Они отмечают, что выбор выпрямителя должен основываться на задачах, которые ему придется решать, а также особенностях конкретной сети. В некоторых случаях можно обойтись самой простой и недорогой моделью. Но для подключения сложного оборудования понадобиться более дорогое устройство.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

• напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
• тока;
• резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

1. мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
2. ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
3. мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Принципиальная схема преобразователя

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

1. ИН с прямоугольным выходным сигналом. С целью обеспечить требуемую пропорциональность U_вых. управляющая схема варьирует относительную длительность импульсов ключами либо сдвигает по фазе сигналы управления противофазных групп ключей (зависит от конструктивных особенностей переключающего модуля);
2. ИН со ступенчатым выходным напряжением. Обрабатывают входной сигнал в два этапа: путем высокочастотного преобразования формируется однополярный ступенчатый сигнал, близкий к синусоиде с уменьшенным вдвое периодом, а при помощи мостового преобразователя он превращается в разнополярный с требуемым периодом;
3. ИН с синусоидальным выходным напряжением. Входной постоянный ток также обрабатывается в 2 этапа: путем высокочастотного преобразования формируется постоянное напряжение, почти равное амплитуде требуемого переменного напряжения, а затем мостовым инвертором, действующим по принципу многократной широтно-импульсной модуляции.

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.

Устройство генератора переменного тока

Схематическое устройство однофазного 4-полюсного генератора переменного тока. Генератор с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Автомобильный генератор переменного тока в разрезе. Видны полюсные наконечники.

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой»), нейтральный провод отсутствует.

По конструкции можно выделить:

• генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;
• генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на:

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.
• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.
• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить:

• генераторы с явно выраженными полюсами;
• генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить:

• Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель.
• Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель.
• Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора:

• шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет);
• соединение «звездой»;
• соединение «треугольником»;
• соединение шести обмоток в виде одной “звезды” и одного “треугольника” на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная, то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включенные приборы благополучно «сгорают».

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой») с нейтральным проводом.

К трёхфазному генератору (соединение «треугольником») подключена активная нагрузка (соединение «треугольником»).

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине