Переменный эл. ток

ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

План лекции:

1.Переменный электрический ток. Получение синусоидального переменного тока.

2.Нагрузка в цепи переменного тока.

3.Закон Ома для цепей переменного тока с омическим сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Мощность переменного тока.

1. Переменный электрический ток. Получение синусоидального переменного тока.

Это ток, изменяющийся как по величине, так и по направлению. Как правило, под переменным током имеют в виду синусоидальный ток, сила которого меняется по закону синуса (либо косинуса).:

( ) = sin ,

Рисунок 1‒ переменный ток

Именно такой ток используют в электрических силовых сетях, причём частота промышленного тока выбрана равной 50 Гц, что обеспечивает минимальные потери при передаче электроэнергии по проводам.

Преимущества переменного тока перед постоянным током:

Переменный ток легко получить,

Переменный ток обладает способностью трансформироваться, то есть изменять величину напряжения с помощью трансформаторов в тысячи раз,

1

Экономичная передача электрической энергии на большие расстояния.

Широкое применение переменного тока в различных областях техники объясняется легкостью его получения и преобразования, а также простотой устройства генераторов и двигателей переменного тока, надежностью их работы и удобством эксплуатации. Почти вся электрическая энергия,

производимая на планете, вырабатывается генераторами переменного тока.

Для переменного тока введены понятия эффективных значений силы тока Iэфф и напряжения Uэфф . Их физический смысл заключается в том, что они равны значениям силы тока и напряжения такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется такое же количество теплоты, что и при протекании данного переменного тока. Связь Iэфф и Uэфф с амплитудными значениями Im и Um следующая:

Измерительные приборы показывают именно эффективные значения силы тока и напряжения. Например, в осветительной сети напряжение 220 В

соответствует его эффективному значению.

2.Нагрузка в цепи переменного тока.

Вцепи переменного тока кроме активной нагрузки (как в цепи постоянного тока), возможны ещё два вида нагрузки: индуктивная XL и

емкостная XС .

1) Активная (омическая) нагрузка (R) - элемент цепи, на котором происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепловую.

Активная нагрузка ‒ это различные резисторы, реостаты, нагревательные элементы, лампы накаливания.

2) Емкостная нагрузка XС. Емкостной электрической нагрузкой являются специальные устройства для накапливания электрического заряда ‒

2

электрические конденсаторы; некоторой электроёмкостью обладают и другие элементы электрических схем и даже соединительные провода.

Причём, изменения cилы тока на емкостной нагрузке опережают по фазе изменения напряжения на π/2 (т.е. на четверть периода). Действительно, в

момент подключения источника сила тока зарядки конденсатора максимальна,

а напряжение на нём UC ‒ минимально. По мере зарядки конденсатора величина UC возрастает и, будучи приложенной навстречу ЭДС источника,

уменьшает ток зарядки. В момент UC = UСmax = сила тока в цепи равна нулю. Смена полярности полюсов источника приводит к повторению процесса, только направление тока изменяется на обратное.

Рисунок 2‒ переменный ток с емкостной нагрузкой

Физический смысл XC заключается в противодействии электрического поля конденсатора направленному движению зарядов, т.е. току зарядки конденсатора.

3) Индуктивная нагрузка XL. Любой проводник (в том числе и соединительные провода) имеет некоторую индуктивность L, т.е. обладает некоторой способностью сохранять силу тока, протекающего по нему.

Поэтому, для переменного тока проводник, кроме активного сопротивления,

обладает ещё дополнительным сопротивлением, называемым индуктивным

XL .

3

Физический смысл XL заключается в явлении самоиндукции, при котором вихревое электрическое поле, индуцированное в проводнике,

препятствует изменению силы тока, протекающего по проводнику.

(4)

Причём, изменения силы тока I на индуктивной нагрузке отстают по фазе от изменений напряжения UL на π/2 (т.е. на четверть периода).

Рисунок 3‒ переменный ток с индуктивной нагрузкой

3.Закон Ома для цепей переменного тока с омическим сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Мощность

переменного тока.

Любая электрическая цепь имеет все три вида сопротивления: активное Ro,

индуктивное XL и емкостное XC (если не в

"чистом" виде, то хотя бы за счёт соединительных проводов). Установим зависимость эффективного значения силы тока Iэфф от эффективного напряжения Uэфф

и полного сопротивления (импеданса)

электрической цепи.

Закон Ома для цепей переменного тока

Аналогичное выражение справедливо и для амплитудных значений тока и напряжения Im и Um.

4

эфф и эфф ‒ эффективные значения силы тока и напряжения соответственно;

Z=√0 + ( − 1 )2 ‒ полное сопротивление или импеданс электрической

цепи;

( − 1 )2 ‒ реактивное сопротивление;

0 ‒омическое сопротивление; ωL ‒ индуктивная нагрузка;

1 ‒ емкостная нагрузка; ω ‒ циклическая частота; L ‒ индуктивность;

С ‒ электроемкость.

На реактивном сопротивлении не происходит необратимого превращения энергии источника тока в тепловую энергию: при замыкании цепи вокруг индуктивности L создаётся магнитное поле, а в конденсаторе С – электрическое поле; при размыкании же цепи энергия этих полей возвращается в цепь.

Если XL> XC , то изменения напряжения опережают изменения силы тока. Если XL< XC , то изменения напряжения отстают от изменений силы тока.

Если же XL= XC (т.е. при = 1 ), то изменения I и U происходят синфазно (в

одинаковой фазе) и в цепи наступает электрический резонанс, а частоту

0 = 1⁄√ называют резонансной частотой. Согласно определению

Z, полное сопротивление цепи при резонансе будет минимальным и равным омическому сопротивлению ( Z = Ro ).

Из формулы видно, что мощность, выделяемая в цепи переменного тока,

зависит не только от силы тока и напряжения, но и от сдвига фаз между ними.

Если cos «1, то для передачи заданной мощности при данном напряжении генератора придётся увеличить силу тока Iэфф, что приведёт либо к дополнительному нагреву проводов что приводит к потерям, либо придётся

5

увеличить сечение проводов, что повышает стоимость линий электропередачи.

Поэтому энергетики всегда стремятся увеличить cos φ, наименьшее допустимое значение которого около 0,85. Поскольку реальные нагрузки имеют преимущественно индуктивный характер (двигатели, дроссели,

трансформаторы и т.п.), то на электроподстанциях, для достижения равенства

XL= XC, устанавливают специальные огромные компенсационные конденсаторы.

6