Переменный ток

Электрический ток, величина и направление которого изменяются через равные промежутки времени, называют переменным. Такой ток условно обозначают знаком ~.

Переменный ток в отличие от постоянного, который все время имеет одно направление и не меняет своей величины, изменяется по синусоидальному закону

Получение однофазного переменного тока. Такой ток получают от генераторов переменного тока. Схема простейшего генератора переменного тока показана на рисунке ниже:

Между полюсами N и S электромагнита вращается стальной цилиндр А, на котором укреплена рамка, изготовленная из медного изолированного провода. Концы рамки присоединены к медным кольцам, изолированным от вала. К кольцам прижаты неподвижные щетки Щ, которые соединены проводами с приемником энергии R. Вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон индуктируются электродвижущие силы, которые, суммируясь, образуют общую  электродвижущую силу. При каждом обороте рамки направление общей электродвижущей силы изменяется на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами электромагнита. Индуктируемая в рамке электродвижущая сила также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Следовательно, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться электродвижущая сила, периодически изменяющаяся по величине и направлению.

Если неподвижные щетки Щ, соединенные проводами с приемником энергии R, образуют замкнутую электрическую цепь, то от источника энергии к приемнику будет протекать переменный однофазный ток.

Время, в течение которого переменный ток совершает полный цикл изменений по величине и направлению, называется периодом. Он обозначается буквой Т и измеряется в секундах. Число периодов в секунду называется частотой переменного тока. Она обозначается буквой f и измеряется в герцах.

Так как частота показывает число полных циклов изменения тока по величине и направлению за одну секунду, то период определяется как частное от деления одной секунды на частоту:

Т=1/f,

откуда

f=1/T.

В технике применяют переменные токи различных частот. В России все электростанции вырабатывают электроэнергию переменного тока стандартной частоты — 50 гц. Этот ток называют током промышленной частоты и используют для снабжения электроэнергией промышленных предприятий и для освещения.

Получение трехфазного переменного тока. В технике широкое применение находит трехфазный переменный ток. Трехфазным током называют систему, состоящую из трех однофазных токов одинаковой частоты, сдвинутых по фазе на одну треть периода друг относительного друга и протекающих по трем проводам. Трехфазный ток получают в трехфазном генераторе, создающем три электродвижущие силы, сдвинутые по фазе на угол 120° (одну треть периода).

Простейший генератор трехфазного тока представляет собой кольцеобразный стальной сердечник, на котором расположены три обмотки: ω₁, ω₂ и ω₃, сдвинутые одна относительно другой по окружности сердечника на 120°. Сердечник с обмотками называют статором генератора, а вращающийся внутри статора электромагнит — ротором. По обмотке ротора, называемой обмоткой возбуждения, проходит постоянный ток, который намагничивает ротор, образуя северный N и южный S полюсы. При вращении ротора созданное им магнитное поле пересекает обмотки статора, в которых индуктируется электродвижущая сила. Величина электродвижущей силы зависит от скорости, с которой магнитные силовые линии ротора пересекают магнитное поле статора. Полюсы ротора и обмотки статора должны быть такими, чтобы в каждой из обмоток статора возникала синусоидальная электродвижущая сила, сдвинутая по фазе на 120°.

Если к каждой из трех обмоток генератора подключить нагрузку, то в результате получатся три цепи однофазного переменного тока. При равенстве сопротивлений потребителей амплитуды токов в каждой цепи будут равны между собой, а фазовые соотношения между токами будут такими же, как и между электродвижущими силами в обмотках генератора. Каждую из обмоток генератора вместе с внешней цепью, присоединенной к ней, принято называть фазой.Чтобы из этих независимых однофазных систем образовать единую трехфазную систему, необходимо соединить отдельные обмотки. Обмотки генератора могут соединяться двумя способами: звездой и треугольником.

При соединении звездой обмоток генератора и потребителей (рис. 58) используются четыре провода вместо шести, необходимых в несвязанной системе. Сокращение количества проводов увеличивает экономичность устройства линии передачи энергии. Три провода, идущие от обмоток генератора к приемникам /, //, III, называют линейными, так как они составляют линию для передачи энергии от генератора к приемникам, а провод, соединяющий общие точки фаз генератора и потребителя — нулевым. Если нагрузки всех трех фаз одинаковы по величине, то суммарный ток в нулевом проводе будет равен нулю. Однако равномерную нагрузку можно обеспечить только при питании трехфазных потребителей, подключаемых и отключаемых всеми тремя фазами одновременно. Однофазные потребители включаются независимо один от другого, и при питании их не может быть достигнута полная равномерность нагрузки фаз. В этом случае нулевой провод должен поддерживать равенство разных напряжений потребителя

Напряжение между линейными проводами называют линейным, а напряжение, а каждой фазе — фазным. При соединении звездой линейный ток равен фазному, а фазное напряжение меньше линейного в 1,73 раза при одинаковой нагрузке фаз.

Однофазовые приемники, например лампы накаливания, можно подключать непосредственно к линейным проводам на линейное напряжение (рис. 59). Подобное соединение носит название соединения треугольником. Это соединение применяется для осветительной и силовой нагрузок. Фазы трехфазного генератора соединяют следующим образом: конец первой фазы с началом второй, конец второй с началом третьей и конец третьей с началом первой, а к точкам соединения фаз подключают линейные провода. Поскольку фазы потребителя или генератора при таком соединении подключаются непосредственно к линейным проводам, фазные напряжения их равны линейным, т. е. U_ф=U_л, а линейные токи по абсолютной величине больше фазных в 1,73 раза при одинаковой нагрузке фаз. Соединение треугольником обмоток генераторов встречается довольно редко. В двигателях трехфазного тока концы обмоток можно соединить звездой или треугольником.

Мощность переменного тока. Основной величиной при электрических расчетах является средняя, или активная, мощность. Ее подсчитывают по формуле:

P_а=I_фU_фcosφ вт

гдеI_ф — фазное значение тока, а;

U_ф — фазное значение напряжения, в;

φ-угол сдвига фаз между током и напряжением.

При равномерной нагрузке трехфазной системы мощность, потребляемая каждой фазой, одинакова, поэтому мощность всех трех фаз

P_а=3I_фU_фcosφ Вт

Активную мощность трехфазного переменного тока при соединении звездой и треугольником определяют по формуле

P_а=1,73I_лU_лcosφ вт

Понятие о cos φ и меры его увеличения. Кроме активной, в электрической цепи существует реактивная мощность. Активная и реактивная мощности составляют полную мощность S. Активная мощность Р_а расходуется в цепи при выделении тепла или совершении полезной работы, а реактивная Р_р — при нарастании тока на создание магнитных полей в индуктивной части цепи. При уменьшении тока цепь становится как бы генератором и энергия, запасенная в ней, передается генератору, питающему эту цепь. Такое передвижение энергии от генератора в цепь и обратно загружает линию и обмотку генератора, обусловливая лишние потери энергии в них. Отношение активной мощности к полной называют коэффициентом мощности. Он показывает, какая часть полной мощности фактически потребляется цепью, и подсчитывается по формуле

сosφ=Uicosφ/UI= Р_а/S.

Таким образом, коэффициент мощности для синусоидального переменного тока и есть косинус угла сдвига фаз между током и напряжением.

Уличение cos φ зависит от типа, мощности и числа оборотов вновь устанавливаемых двигателей, увеличения их загрузки и т. д.

Понятие о тепловом действии тока. При прохождении тока по проводнику последний нагревается. Русский академик Э. X. Ленц и английский физик Д. П. Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделямое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого ток протекал по проводнику. Это положение называется законом Джоуля — Ленца и определяется по формуле:

Q = 0,24I²Rt,

где Q — количество теплоты, кал;

I— ток, протекающий по проводнику, а;

R — сопротивление проводника, ом;

t — время, сек.

Для предохранения электротехнических устройств от чрезмерных нагревов в электрическую цепь включают легкоплавкие предохранители, а для защиты электрических двигателей при токовых перегрузках, применяют тепловое максимальное реле.

Электроизмерительные приборы. Электроизмерительные приборы применяют для измерения различных электрических величин: тока, напряжения, сопротивления и т. д. По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры, измеряющие ток, вольтметры, измеряющие напряжение, омметры, измеряющие сопротивление, и т. д. Электроизмерительные приборы состоят из подвижной и неподвижной частей. К подвижной части прибора прикреплена указательная стрелка, по которой ведется отсчет измеряемой величины на неподвижной шкале. Сущность работы электроизмерительного прибора состоит в том, что проходящий через его катушки ток вызывает поворот подвижной части прибора, в результате чего стрелка отклоняется на определенный угол. Амперметры, измеряющие ток в электрической цепи, включают последовательно, а вольтметры — параллельно. По роду тока приборы делятся на приборы, измеряющие только переменный или постоянный ток, и приборы, измеряющие и переменный и постоянный ток.

Электроизмерительные приборы подразделяются на семь классов точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифра класса точности указывает величину основной допускаемой погрешности прибора от его наибольшего показания. Так, если вольтметр рассчитан на 150 в, а его класс точности 2,5, то при измерении напряжения этим прибором возможная  погрешность составит 2,5%.