Как из переменного тока сделать постоянный. Как сделать постоянный ток из переменного: методы и схемы выпрямления

Как преобразовать переменный ток в постоянный. Какие существуют способы выпрямления переменного тока. Как работает диодный мост. Какие схемы выпрямителей можно собрать своими руками. Для чего нужно выпрямление переменного тока.

Зачем нужно преобразование переменного тока в постоянный

Преобразование переменного тока в постоянный является важной задачей в электронике и электротехнике. Но для чего это нужно? Основные причины следующие:

• Большинство электронных устройств и схем работают только от постоянного тока
• Аккумуляторы и батареи можно заряжать только постоянным током
• Некоторые электродвигатели (например, в электромобилях) работают на постоянном токе
• Постоянный ток проще регулировать и стабилизировать
• При передаче на большие расстояния постоянный ток имеет меньшие потери

Таким образом, преобразование переменного тока из сети в постоянный позволяет запитать множество устройств и оборудования, которые не могут работать напрямую от переменного напряжения.

Основные методы выпрямления переменного тока

Существует несколько основных способов преобразования переменного тока в постоянный:

1. Однополупериодное выпрямление

Самый простой метод – пропускать через нагрузку только одну полуволну переменного напряжения с помощью одного диода. Это позволяет получить пульсирующий постоянный ток, но с большими пульсациями.

2. Двухполупериодное выпрямление

Более эффективный метод – использование двух диодов для выпрямления обеих полуволн переменного напряжения. Это дает меньше пульсаций.

3. Мостовая схема выпрямления

Наиболее распространенный метод – использование диодного моста из 4 диодов. Позволяет эффективно выпрямить весь период переменного напряжения.

4. Умножение напряжения

С помощью схем умножения можно не только выпрямить, но и повысить выходное постоянное напряжение в несколько раз по сравнению с входным переменным.

Принцип работы диодного моста

Диодный мост является ключевым элементом большинства выпрямителей. Как же он работает? Принцип действия следующий:

• Мост состоит из 4 диодов, соединенных в кольцо
• На два противоположных вывода подается переменное напряжение
• С двух других выводов снимается выпрямленное напряжение
• В каждый полупериод работает пара диагонально расположенных диодов
• Ток всегда течет в одном направлении через нагрузку

Таким образом, диодный мост преобразует обе полуволны переменного напряжения в пульсирующее постоянное. Для сглаживания пульсаций используются конденсаторы.

Схемы простейших выпрямителей

Рассмотрим несколько базовых схем выпрямителей, которые можно собрать своими руками:

Однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема на одном диоде:

• Переменное напряжение подается на анод диода
• Катод диода соединен с нагрузкой
• Параллельно нагрузке ставится конденсатор для сглаживания

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Более эффективная схема на двух диодах:

• Используется трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки
• К концам вторичной обмотки подключаются два диода
• Нагрузка включается между средней точкой и общим выводом диодов

Мостовой выпрямитель

Наиболее распространенная схема на 4 диодах:

• Диоды соединяются в мостовую схему
• Переменное напряжение подается на два противоположных вывода моста
• Нагрузка подключается к двум другим выводам
• Параллельно нагрузке ставится сглаживающий конденсатор

Применение выпрямителей

Где же используются схемы выпрямления переменного тока? Основные области применения:

• Блоки питания электронных устройств
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Источники бесперебойного питания
• Сварочные аппараты
• Электроприводы постоянного тока
• Системы электроснабжения постоянным током

Таким образом, выпрямители являются неотъемлемой частью многих электронных и электротехнических устройств, позволяя преобразовать переменный ток сети в постоянный ток требуемых параметров.

Советы по сборке выпрямителя своими руками

Если вы решили собрать простой выпрямитель самостоятельно, вот несколько полезных рекомендаций:

• Используйте диоды с подходящими параметрами по току и напряжению
• Не забудьте про сглаживающий конденсатор нужной емкости
• Обеспечьте хорошее охлаждение силовых элементов
• Соблюдайте полярность при подключении диодов и конденсаторов
• Используйте качественные провода подходящего сечения
• Обеспечьте надежную изоляцию всех соединений
• Не забудьте про защиту от короткого замыкания

При соблюдении этих простых правил вы сможете собрать работоспособный выпрямитель для своих нужд. Но помните о технике безопасности при работе с электричеством!

Как из переменного тока сделать постоянный 12в

Осциллограмма постоянного напряжения

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное 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:

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 конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Зависимость пульсаций от емкости конденсатора

Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:

Рассмотрим первый. 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 цепляемся осциллографом:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

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

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Берем наш третий конденсатор. 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. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью пассивных фильтров, а также используют интегральные стабилизаторы напряжения, которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя

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

U_max – максимальное напряжение, В

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула здесь. Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное 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 трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Ну и напоследок, чтобы лучше запомнилось:

Читаем в обязательном порядке продолжение этой статьи.

Очень часто пользователей световых электроприборов и СБТ интересует: «Как без трансформатора из 220 вольт получить 12в или другое низкое напряжение?». Обычно этим вопросом задаются владельцы электронной техники и аппаратуры, работающей от источников питания на понижающем сетевом трансформаторе. Это тем более актуально, поскольку весогабаритные показатели блока питания (БП) нередко превосходят аналогичные параметры запитываемого гаджета или стационарного устройства.

Основные способы понижения

Например, «ходовой» трансформатор частоты 50 Гц с относительно небольшой мощностью 200 Вт, выполненный на трансформаторном железе, весит более 1 килограмма и стоит от 9–18 $. Это не только делает блок питания громоздким, но и значительно удорожает стоимость девайса.

На трансформаторах реализована классическая схема понижения и последующего преобразования переменного напряжения (АС) в постоянное (DС) по цепи «трансформатор → выпрямитель → стабилизатор».

Существует более сложная схема построения «выпрямитель → импульсный генератор → трансформатор → выпрямитель → стабилизатор» импульсного блока питания, обладающая меньшими габаритами.

Преимуществом приведенных схем является гальваническая развязка. При замыкании цепи нагрузки на «ноль» она предотвращает выход из строя аппаратуры и снижает опасность поражения человека электрическим током.

Однако самыми миниатюрными источниками питания 12 В являются бестрансформаторные блоки питания, в которых производится:

• С помощью балластного конденсатора понижение напряжения.
• При помощи балластного резистора гасится избыточное напряжение.
• Нерегулируемым автотрансформатором снимается требуемое напряжение и сглаживается дросселем.

Балластный конденсатор

Сегодня весьма популярным среди радиолюбителей средством снижения напряжения стала установка гасящего конденсатора. Этот универсальный способ повсеместно используется для питания светодиодных ламп и в зарядных устройствах маломощных аккумуляторных батарей. Установка радиоэлемента в разрыв сети питания диодного моста позволяет получить требуемый ток в электрической цепи без рассеивания значительной мощности на тепло.

Схема простого конденсаторного (бестрансформаторного) блока питания с минимальным количеством радиоэлементов и напряжением 12 В мощностью 0,18 Вт выглядит следующим образом:

В качестве Р1 используется любое устройство, рассчитанное на постоянное напряжение 12 В с рабочим амперажом ≤ 0,15А. Конденсатор С1 – балластный, зашунтирован резистором R1. Он предназначен для предотвращения поражения электрическим током от накопленного на пластинах конденсатора С1 заряда. Со своим большим сопротивлением в сотни кОм резистор R1 не влияет на прохождение тока через емкость во время рабочей сессии.

Однако после завершения работы блока питания в течение времени , измеряемого несколькими секундами, через резистор проходит ток разряда обкладок конденсатора. Электролитический конденсатор С2, включенный параллельно нагрузке после диодного моста, сглаживает пульсации выпрямленного тока.

Заметно снизит зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки БП симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора с регулирующим элементом. Осуществляется такая доработка впаиванием параллельно P1 стабилитрона на 12 вольт.

При помощи резистора

Способ подходит для запитки слаботочной нагрузки, например, светодиода или маломощного LED-светильника. Основной недостаток резистивной схемы – низкий КПД по причине рассеивания большого количества активной мощности, затрачиваемой на нагрев резистора. В самом простом варианте БП представляет собой делитель напряжения на резисторах, установленный после диодного выпрямителя, с нижнего плеча которого снимается напряжение.

Стабилизация осуществляется посредством изменения сопротивления одного из плеч делителя: номиналы резисторов подбираются таким образом, чтобы понизить выходное напряжение до приемлемых значений.

Автотрансформатор или дроссель с подобной логикой намотки

В автотрансформаторе отсутствует вторичная обмотка: выходное напряжение снимается с одной единственной обмотки на тороидальном магнитопроводе, которая одновременно используется для подачи сетевого напряжения 220 В, 50 Гц.

Принцип действия аналогичен ЛАТР, только снимаемое с витков напряжение имеет определенную фиксированную величину. Поэтому замена силового трансформатора на автотрансформатор повышает КПД блока питания, заметно снижает размеры и вес девайса (при прочих равных условиях весогабаритные характеристики трансформатора в 1,5 раза больше заменяющего изделия).

Схема автотрансформатора с фиксированным напряжением U₂.

Однако нерегулируемый автотрансформатор имеет существенный недостаток: он не защищает от бросков напряжения и наведенных в сети импульсов. Низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) пульсации, сетевые помехи и паразитные гармоники значительно снизятся, если в выходную цепь установить дроссель. В тандеме с автотрансформатором используют дроссель с высокой индуктивностью ≤ 0,5–1,0 ГН, устанавливаемый последовательно с нагрузкой.

Индуктивный элемент накапливает в магнитном поле катушки энергию питающей сети, а затем отдает в нагрузку. Дроссель в электрической цепи противодействует изменению тока в электрической цепи. При резком падении катушка поддерживает протекающий ток, а при резком повышении ограничивает, не давая быстро возрасти. Компактные дроссели переменного тока применяются в бустерах энергосберегающих ламп и LED-драйверах, питающих светодиодные светильники.

Технические требования к конденсатору

Для бестрансформаторного БП подойдет конденсатор, рассчитанный на амплитудное (или большее) значение переменного напряжения. Если действующее значение напряжения равно 220 В, то амплитудное рассчитывается по формуле 220 * = 311 В (номинальное 400 В). Конденсаторы лучше выбрать плёночные, оптимально подходят емкостные элементы серии К73-17.

Бестрансформаторное электропитание: возможные схематические решения

Микросхема линейного стабилизатора

Можно своими руками собрать простой драйвер (источник стабилизированного тока) на недорогой (0,3 $) микросхеме линейного стабилизатора LM317АMDT. На вход преобразователя DС-AC подается напряжение сети 220 В, 50 Гц.

Стабилизированное напряжение 12 В получается на ИМС с минимальным набором элементов в обвязке (в самом простом варианте используется только R1 и R2). Подбирая номинал резисторов, можно регулировать ток в нагрузке, при суммарном токе светодиодов до 0,3 А микросхема отлично работает без радиатора. Ниже приведена типовая схема устройства на микросхеме LM317:

Зарядное устройство

Самым бюджетным вариантом, безусловно, считается использование зарядного устройства (ЗУ) от сотового телефона. Плата зарядника имеет совсем небольшие габариты и подойдет для питания 12 В гаджета с мощностью ≤ P ном. блока питания. Необходимо только заменить в ней однополупериодный выпрямитель на выпрямитель с удвоенным напряжением (добавляется по одному диоду и конденсатору). После модернизации получаем искомые 12 вольт с током 0.5А и полноценной развязкой от сети.

В качестве альтернативы, не требующей вмешательства в конструкцию, можно к выходу ЗУ через переходник подключается повышающий DС-DС преобразователь напряжения (например, 2-х амперный, размером 30мм х 17мм х 14мм, стоимостью 1$) с USB-разъемом. Требуется только выставить подстроечным резистором требуемое напряжение 12 В и подключить преобразователь к гаджету или стационарному электроприемному устройству.

Для чего может использоваться напряжение 12 или 24 вольт в быту

В бытовых условиях зачастую используются источники электропитания низкого напряжения. От напряжения 12 или 24В постоянного тока DС запитываются переносные/стационарные электротехнические и электронные устройства, а также некоторые осветительные приборы:

• аккумуляторные электродрели, шуруповерты и электропилы;
• стационарные насосы для полива огородов;
• аудио-видеотехника и радиоэлектронная аппаратура;
• системы видеонаблюдения и сигнализации;
• батареечные радиоприемники и плееры;
• ноутбуки (нетбуки) и планшеты;
• галогенные и LED-лампы, светодиодные ленты;

• портативные ультрафиолетовые облучатели и портативное медицинское оборудование;
• паяльные станции и электропаяльники;
• зарядные устройства мобильных телефонов и повербанков;
• слаботочные сети электропитания в местах с повышенной влажностью и системы ландшафтного освещения;
• детские игрушки, елочные гирлянды, помпы аквариумов;
• различные самодельные радиоэлектронные устройства, в том числе на популярной платформе Arduino.

Большинство устройств работает от батареек и Li-ion аккумуляторов, но использование товарных позиций не всегда оправдано с точки зрения эксплуатационных затрат. Заряжать аккумуляторные батареи можно 300–1500 раз, но гальванические элементы с большой энергоемкостью и низким током саморазряда стоят дорого. Заметно дешевле обойдется приобретение батареек, особенно солевых и щелочных, но такие элементы придётся часто менять. Тем более, что для обеспечения подающего напряжения 12 В понадобится 8 последовательно соединенных пальчиковых батареек (типа АА или ААА) или 1,5-вольтовых «таблеток» в корпусе типа 27А.

Поэтому в местах с доступом к бытовой сети 220 В 50 Гц для питания электроприемников с амперажом больше 0,1 А рациональнее использовать блок питания.

Очень часто пользователей световых электроприборов и СБТ интересует: «Как без трансформатора из 220 вольт получить 12в или другое низкое напряжение?». Обычно этим вопросом задаются владельцы электронной техники и аппаратуры, работающей от источников питания на понижающем сетевом трансформаторе. Это тем более актуально, поскольку весогабаритные показатели блока питания (БП) нередко превосходят аналогичные параметры запитываемого гаджета или стационарного устройства.

Основные способы понижения

Например, «ходовой» трансформатор частоты 50 Гц с относительно небольшой мощностью 200 Вт, выполненный на трансформаторном железе, весит более 1 килограмма и стоит от 9–18 $. Это не только делает блок питания громоздким, но и значительно удорожает стоимость девайса.

На трансформаторах реализована классическая схема понижения и последующего преобразования переменного напряжения (АС) в постоянное (DС) по цепи «трансформатор → выпрямитель → стабилизатор».

Существует более сложная схема построения «выпрямитель → импульсный генератор → трансформатор → выпрямитель → стабилизатор» импульсного блока питания, обладающая меньшими габаритами.

Преимуществом приведенных схем является гальваническая развязка. При замыкании цепи нагрузки на «ноль» она предотвращает выход из строя аппаратуры и снижает опасность поражения человека электрическим током.

Однако самыми миниатюрными источниками питания 12 В являются бестрансформаторные блоки питания, в которых производится:

• С помощью балластного конденсатора понижение напряжения.
• При помощи балластного резистора гасится избыточное напряжение.
• Нерегулируемым автотрансформатором снимается требуемое напряжение и сглаживается дросселем.

Балластный конденсатор

Сегодня весьма популярным среди радиолюбителей средством снижения напряжения стала установка гасящего конденсатора. Этот универсальный способ повсеместно используется для питания светодиодных ламп и в зарядных устройствах маломощных аккумуляторных батарей. Установка радиоэлемента в разрыв сети питания диодного моста позволяет получить требуемый ток в электрической цепи без рассеивания значительной мощности на тепло.

Схема простого конденсаторного (бестрансформаторного) блока питания с минимальным количеством радиоэлементов и напряжением 12 В мощностью 0,18 Вт выглядит следующим образом:

В качестве Р1 используется любое устройство, рассчитанное на постоянное напряжение 12 В с рабочим амперажом ≤ 0,15А. Конденсатор С1 – балластный, зашунтирован резистором R1. Он предназначен для предотвращения поражения электрическим током от накопленного на пластинах конденсатора С1 заряда. Со своим большим сопротивлением в сотни кОм резистор R1 не влияет на прохождение тока через емкость во время рабочей сессии.

Однако после завершения работы блока питания в течение времени , измеряемого несколькими секундами, через резистор проходит ток разряда обкладок конденсатора. Электролитический конденсатор С2, включенный параллельно нагрузке после диодного моста, сглаживает пульсации выпрямленного тока.

Заметно снизит зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки БП симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора с регулирующим элементом. Осуществляется такая доработка впаиванием параллельно P1 стабилитрона на 12 вольт.

При помощи резистора

Способ подходит для запитки слаботочной нагрузки, например, светодиода или маломощного LED-светильника. Основной недостаток резистивной схемы – низкий КПД по причине рассеивания большого количества активной мощности, затрачиваемой на нагрев резистора. В самом простом варианте БП представляет собой делитель напряжения на резисторах, установленный после диодного выпрямителя, с нижнего плеча которого снимается напряжение.

Стабилизация осуществляется посредством изменения сопротивления одного из плеч делителя: номиналы резисторов подбираются таким образом, чтобы понизить выходное напряжение до приемлемых значений.

Автотрансформатор или дроссель с подобной логикой намотки

В автотрансформаторе отсутствует вторичная обмотка: выходное напряжение снимается с одной единственной обмотки на тороидальном магнитопроводе, которая одновременно используется для подачи сетевого напряжения 220 В, 50 Гц.

Принцип действия аналогичен ЛАТР, только снимаемое с витков напряжение имеет определенную фиксированную величину. Поэтому замена силового трансформатора на автотрансформатор повышает КПД блока питания, заметно снижает размеры и вес девайса (при прочих равных условиях весогабаритные характеристики трансформатора в 1,5 раза больше заменяющего изделия).

Схема автотрансформатора с фиксированным напряжением U₂.

Однако нерегулируемый автотрансформатор имеет существенный недостаток: он не защищает от бросков напряжения и наведенных в сети импульсов. Низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) пульсации, сетевые помехи и паразитные гармоники значительно снизятся, если в выходную цепь установить дроссель. В тандеме с автотрансформатором используют дроссель с высокой индуктивностью ≤ 0,5–1,0 ГН, устанавливаемый последовательно с нагрузкой.

Индуктивный элемент накапливает в магнитном поле катушки энергию питающей сети, а затем отдает в нагрузку. Дроссель в электрической цепи противодействует изменению тока в электрической цепи. При резком падении катушка поддерживает протекающий ток, а при резком повышении ограничивает, не давая быстро возрасти. Компактные дроссели переменного тока применяются в бустерах энергосберегающих ламп и LED-драйверах, питающих светодиодные светильники.

Технические требования к конденсатору

Для бестрансформаторного БП подойдет конденсатор, рассчитанный на амплитудное (или большее) значение переменного напряжения. Если действующее значение напряжения равно 220 В, то амплитудное рассчитывается по формуле 220 * = 311 В (номинальное 400 В). Конденсаторы лучше выбрать плёночные, оптимально подходят емкостные элементы серии К73-17.

Бестрансформаторное электропитание: возможные схематические решения

Микросхема линейного стабилизатора

Можно своими руками собрать простой драйвер (источник стабилизированного тока) на недорогой (0,3 $) микросхеме линейного стабилизатора LM317АMDT. На вход преобразователя DС-AC подается напряжение сети 220 В, 50 Гц.

Стабилизированное напряжение 12 В получается на ИМС с минимальным набором элементов в обвязке (в самом простом варианте используется только R1 и R2). Подбирая номинал резисторов, можно регулировать ток в нагрузке, при суммарном токе светодиодов до 0,3 А микросхема отлично работает без радиатора. Ниже приведена типовая схема устройства на микросхеме LM317:

Зарядное устройство

Самым бюджетным вариантом, безусловно, считается использование зарядного устройства (ЗУ) от сотового телефона. Плата зарядника имеет совсем небольшие габариты и подойдет для питания 12 В гаджета с мощностью ≤ P ном. блока питания. Необходимо только заменить в ней однополупериодный выпрямитель на выпрямитель с удвоенным напряжением (добавляется по одному диоду и конденсатору). После модернизации получаем искомые 12 вольт с током 0.5А и полноценной развязкой от сети.

В качестве альтернативы, не требующей вмешательства в конструкцию, можно к выходу ЗУ через переходник подключается повышающий DС-DС преобразователь напряжения (например, 2-х амперный, размером 30мм х 17мм х 14мм, стоимостью 1$) с USB-разъемом. Требуется только выставить подстроечным резистором требуемое напряжение 12 В и подключить преобразователь к гаджету или стационарному электроприемному устройству.

Для чего может использоваться напряжение 12 или 24 вольт в быту

В бытовых условиях зачастую используются источники электропитания низкого напряжения. От напряжения 12 или 24В постоянного тока DС запитываются переносные/стационарные электротехнические и электронные устройства, а также некоторые осветительные приборы:

• аккумуляторные электродрели, шуруповерты и электропилы;
• стационарные насосы для полива огородов;
• аудио-видеотехника и радиоэлектронная аппаратура;
• системы видеонаблюдения и сигнализации;
• батареечные радиоприемники и плееры;
• ноутбуки (нетбуки) и планшеты;
• галогенные и LED-лампы, светодиодные ленты;

• портативные ультрафиолетовые облучатели и портативное медицинское оборудование;
• паяльные станции и электропаяльники;
• зарядные устройства мобильных телефонов и повербанков;
• слаботочные сети электропитания в местах с повышенной влажностью и системы ландшафтного освещения;
• детские игрушки, елочные гирлянды, помпы аквариумов;
• различные самодельные радиоэлектронные устройства, в том числе на популярной платформе Arduino.

Большинство устройств работает от батареек и Li-ion аккумуляторов, но использование товарных позиций не всегда оправдано с точки зрения эксплуатационных затрат. Заряжать аккумуляторные батареи можно 300–1500 раз, но гальванические элементы с большой энергоемкостью и низким током саморазряда стоят дорого. Заметно дешевле обойдется приобретение батареек, особенно солевых и щелочных, но такие элементы придётся часто менять. Тем более, что для обеспечения подающего напряжения 12 В понадобится 8 последовательно соединенных пальчиковых батареек (типа АА или ААА) или 1,5-вольтовых «таблеток» в корпусе типа 27А.

Поэтому в местах с доступом к бытовой сети 220 В 50 Гц для питания электроприемников с амперажом больше 0,1 А рациональнее использовать блок питания.

Как сделать постоянный ток из переменного, диодный выпрямительный мост своими руками.

Видео по этой теме:

Вы наверняка слышали, что бывает постоянный и переменный ток. Причём разница между ними существенная. На вход одних устройств подают именно постоянный, на вход других именно переменный, в противном случае техника работать не будет (а то и вовсе сгорит). В сети 220 вольт используется переменное напряжение (величина тока зависит от подключаемой нагрузки). Сама же электроника различных электротехнических устройств питается от пониженного постоянного напряжения, которое получают путем преобразования и выпрямления.

Как же можно получить постоянный ток своими руками? Просто, используя так называемый диодный мост выпрямитель. Для тех кто не знает, чем отличается постоянный ток от переменного поясню. У переменного тока периодически меняются полюса со временем. Известно, что в сети 220 вольт частота равна 50 герцам. То есть, плюс и минус в сети за одну секунду успевают измениться 50 раз. Такой вид тока имеет одно большое преимущество — его легко можно преобразовывать (увеличивать и уменьшать величину тока и напряжения) используя всего одно устройство (трансформатор). Но оно не подходит для питания электронных схем. А вот постоянный ток, наоборот, его сложней преобразовывать, но зато оно хорошо подходит для питания электроники.

Получить постоянный ток из переменного можно так. Нам нужно чтобы полюса не менялись, а были постоянно одними и те же. Это легко реализовать с помощью диодного моста. Выпрямительный диодный мост состоит из четырех диодов. Они спаяны в виде квадрата и имеют четыре вывода. На два из них подается переменное напряжение, а на двух других мы уже имеет постоянное (хотя оно не ровное, а скачкообразное). Для полного получения нормального постоянного тока еще нужен и фильтрующий конденсатор, задача которого сгладить скачки напряжения.

По какому принципу происходит выпрямление переменного тока? Как известно диоды хорошо пропускают электрический ток в одном направлении и не пропускают в другом. Так вот выпрямительный диодный мост спаян так, что когда на него подаётся одна полярность электрического напряжения одна пара диодов пропускают ток в нужном направлении, а другая пара диодов, наоборот, в это время не пропускают его. Когда полюса переменного напряжения меняются, и у диодов все происходит наоборот. Пары диодов начинают работать в противоположном режиме. В итоге получается, что проходя через диодный мост оба противоположных полюса на выходе имеют только лишь одни полюс.

Что касается вопроса, какие диоды нужны для диодного моста? Различные электронные устройства потребляют различную силу тока. В зависимости от того, на какой именно максимальный ток рассчитан ваш блок питания (что будет питать устройства) и будет зависеть тип диодов в выпрямительном мосте. Выпрямительные диоды различаются по обратному напряжению и току пропускания. Так вот, к примеру ваш блок питания рассчитан на максимальный выходной ток в 3 ампера. Значит внутри него должны стоять выпрямительные диоды примерно на 6 ампер (желательно чтобы был определенный запас на случай перегрузки). Ну и напряжение должно быть не меньшие того, что выдает источник постоянного питания.

P.S. Стоит учитывать, что диодные мосты, которые рассчитаны пропускать через себя токи более 3 ампер необходимо ставить на охлаждающие радиаторы. Кристаллы, что через себя проводят электрический ток, стоящие внутри диодов, разрушаются под воздействием высокой температуры. Большие токи нагревают проводник, диоды. Следовательно, чтобы избежать выхода из строя диода, выпрямительного моста, нужно радиаторное охлаждение.

Способы преобразования постоянного напряжения в переменное

1. Главная
2. Электротехника и электроника
3. Из постоянного в переменный

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.

Как преобразовать постоянный ток в переменный. Как из постоянного тока сделать переменный?

Cтраница 1

Преобразование постоянного тока в переменный в динамическом конденсаторе осуществляется за счет периодически изменяющейся емкости конденсатора при колебании одной из пластин.  

Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертированием, а устройство, выполняющее такую функцию, — инвертором.  

Преобразование постоянного тока в переменный и модуляция сигналов переменного тока. Для усиления постоянного напряжения обычно используются усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами. Существенным недостатком всех усилителей постоянного тока является дрейф нуля. Наличие дрейфа нуля и трудности непосредственного усиления малых постоянных напряжений явились причиной возникновения ряда схем усилителей с преобразованием постоянного напряжения в переменное и усилением последнего с помощью усилителя переменного тока. В качестве преобразователей применяются механические, микрофонные, электронные и другие устройства.  

Преобразование постоянного тока в переменный ток осуществляется путем периодического прерывания цепи питания нагрузки. Если уровень выходного напряжения преобразователя отличается от уровня входного напряжения постоянного тока, нагрузка включается через трансформатор.  

Преобразование постоянного тока в переменный и обратное преобразование.  

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 Р0 Рин) 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 ч — 180 эл. Ведомый сетью (неавтономный) инвертор используется при реостатных испытаниях тепловозов с рекуперацией энергии. Подобные установки о каждым годом находят все большее распространение.  

Преобразование постоянного тока в переменный производится конденсатором, емкость к-рого периодически изменяется (напр.  

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 (ипи по западной терминологии DC-AC преобразователь).

На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей. 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. 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. 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.

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

“Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники”

Кафедра защиты информации

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ »

Инвертор – преобразует постоянный ток в переменный.

Конвертор – преобразователь постоянного напряжения в постоянное, но другого уровня (с промежуточным преобразованием входного напряжения в переменное и трансформацией к нужному уровню).

Центральным звеном является преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Применяют различные схемы таких устройств:

Транзисторные и на электронных лампах;

Построенные на транзисторах с насыщающимися сердечниками;

Релаксационные генераторы, триггеры, мультивибраторы;

По однотактной, двухтактной и мостовой схемах;

Тиристорные простые и мостовые схемы (в мощных устройствах).

Простая схема двухтактного тиристорного инвертора

Рисунок 1 — простая схема двухтактного тиристорного инвертора

От Т2 поступают импульсы управления в цепь тиристоров.

От постоянного источника напряжение поступает на вход схемы. Оно проходит через

на аноды VD. заряжается до двойного входного напряжения. Если теперь подать импульсы на VD2, сразу закрывается VD1, перезаряжается, все знаки в Т1 поменяются на противоположные и ток потечет через VD2.

Как видно из работы схемы, на коммутирующей емкости

в момент закрытия тиристора действует напряжение равное удвоенному напряжению питания, что является недостатком для схемы.

Его устраняет мостовая схема тиристорного инвертора.

Мостовая схема тиристорного инвертора

Рисунок 2 — Мостовая схема тиристорного инвертора

Схема управления открывает сначала VD1 и VD4, а потом, когда емкость зарядится до

, в этот момент, если открыть другие тиристоры, VD1 и VD4 мгновенно закроются.

В данной схеме на закрытых тиристорах действует лишь напряжение источника питания.

Тиристорные выпрямители являются эффективными перспективными инверторами. Применяются на значительной мощности и используются в настоящее время для замены электромашинных агрегатов, преобразующих энергию постоянного тока резервных аккумуляторных батарей в переменный ток, в устройствах гарантированного питания (УГП) аппаратуры на предприятиях связи.

Преобразователи постоянного напряжения

Часто при питании электронных устройств ИП являются низковольтными, а для питания цепей потребления требуются значительные напряжения. При этом прибегают к преобразованию напряжения. Для этого используют инверторы и конверторы. Используются электромагнитные преобразователи, вибропреобразователи и статические преобразователи на п/п приборах.

Электромагнитные преобразователи вырабатывают напряжение синусоидальной формы, в то время как полупроводниковые и вибропреобразователи – напряжение прямоугольной формы. В настоящее время имеются статические преобразователи с выходным напряжением по форме близким к синусоидальному. Недостаток электромагнитного преобразователя: большие габариты и масса. Вибропреобразователи – маломощные и малонадежные. Поэтому наибольшее применение находят полупроводниковые преобразователи с малыми габаритами и массой, высоким КПД и эксплуатационной надежностью.

Построение преобразователей на тиристорах и транзисторах следует связывать с величиной питающих напряжений, требуемой мощности, характером изменения нагрузки.

Транзисторные преобразователи напряжения

Они подразделяются по способу возбуждения на 2 типа: с самовозбуждением и преобразователи с усилением мощности.

Транзисторы могут включаться по схеме с ОЭ, ОК, ОБ, но наиболее широко используются включение с ОЭ, так как в этом случае реализуется максимальное усиление транзисторов по мощности и тем более просто достигаются условия самовозбуждения.

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощных, до нескольких десятков ватт, по однотактным и двухтактным схемам. Простейшая схема однотактного преобразователя представляет собой релаксационный генератор с обратной связью.

С обратным включ. диода.С прямым включ. диода.

При подключении напряжения питания через резистор на базу транзистора подается опирающий потенциал. Транзистор открывается и через первичную обмотку Wк трансформатора протекает ток, который вызывает магнитный поток в магнитопроводах транзистора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке Wк трансформируется в обмотке обратной связи Wб, полярность подключения которой такова, что она способствует отпиранию транзистора. Когда ток коллектора достигает своего максимального значения: Iк=Iб*h31э, нарастание магнитного потока прекратится, полярность напряжений на обмотках трансформатора изменяется на противоположное и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора.2*tu. Конденсатор сглаживающего фильтра Cф при этом заряжается выпрямленным напряжением до Uп.

В течении паузы tп, когда транзистор закрыт, цепь тока Iн замыкается через дроссель Lф и блокирующий диод VD2, как и в импульсном стабилизаторе с последовательным регулированием.

В однотактных преобразователях трансформатор работает с подмагничиванием, для борьбы с которым можно применять сердечник с зарядом. Однако он не подходит при использовании тор. транзистора. В нашем случае используется блокирующий конденсатор, который в течении паузы tп разряжаетсячерез обмотку W1, перемагничивая сердечник током разряда.

Емкость Cбл. Выбирается из условия, чтобы при максимальном коэффициенте заполнения φmax длительность паузы tп была не менее четверти периода колебательного контура L, Cбл.

Такой преобразователь с обратным включением диода обеспечивает развязку и защиту выходного напряжения от помех по входным шинам питания.

Транзисторные преобразователи определяются по следующим формулам:

Uп=Uп(Iкм/2Iн-W1/W2)

tu = Iкм*L1/Uп

tп = Iкм*L2/Uн*W2

φ = fп*Iкм*L1/Uп = tu/(tu+tп)

Лучшие массогабаритные показатели имеют двухтактные преобразователи с понижающим трансформатором.

Трансформаторы выполняются на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса. Здесь также используется положительная ОС. Генератор работает следующим образом. При включении напряжения питания Uп из-за неидентичности параметров один из транзисторов, например VT1, начинает открываться и его коллекторный ток увеличивается. Обмотки ОС Wб подключены так, что наведенное в них ЭДС полностью открывает транзистор VT1 и закрывает транзистор VT2.

Переключение транзисторов начинается в момент насыщения транзистора. Вследствие этого наведенные во всех обмотках трансф. Напряжения уменьшаются до нуля, а затем изменяют свою полярность.

Теперь на базу ранее открытого транзистора VT1 подается отрицательное напряжение, а на базу ранее закрытого транзистора VT2 поступает положительное напряжение и он начинает открываться. Этот регенеративный процесс формирования фронта выходного напряжения протекает очень быстро. В дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Частота переключения зависит от значения напряжения питания, параметров трансформатора и транзисторов и рассчитываются по формуле:fп=((Uп-Uкэ нас)*10000)/4*B*s*Wк*Sc*Kc.

Такой режим более экономичен, чем при переключении за счет предельного тока коллектора и работа преобразователя более устойчива.

Такие преобразователи используются как задающие генераторы для усилителей мощности и как автономные маломощные источники электропитания. Основные достоинства: простота схемы, а также нечувствительность к короткому замыканию в цепи нагрузки.

Недостатком преобразователя с насыщающимся сердечником является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что увеличивает потери а преобразователе.

Напряжение на закрытом транзисторе может достигать значения:

Uкэm = (2,2: 2,4)Uпmax

два напряжения это сумма Uп+ЭДС на неработающей обмотке, кроме того учитываются выбросы напряжения во время переключения. Для уменьшения последних в схему иногда включают шунтирующие диоды.

При преобразовании больших мощностей наибольшее распространение получили преобразователи с использованием усилителя мощности. В качестве задающего генератора можно использовать преобразователи с самовозбуждением. Применение таких преобразователей целесообразно если необходимо обеспечить постоянство частоты и напряжения на выходе, а также неизменность формы кривой переменного напряжения при изменении нагрузки преобразователя.

В случае высокого входного напряжения применяют мостовые усилители мощности.

Предположим, в первый полупериод одновременно работают транзисторы T1,T2. Во второй T2,T3. Напряжение питания прикладывается к первичной обмотке транзистора, его полярность меняется каждый полупериод. Напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания. Выходной транзистор работает в ненасыщенном режиме, выполняется он из материала с непрямоугольной петли гистерезиса.

Преобразователи на тиристорах

Тиристоры в отличие от транзисторов имеют одностороннее управление. Для запирания тиристоров в схемах преобразователей используются реактивные элементы в основном в виде коммутирующих конденсаторов.

При отпирании первого тиристора емкость заряжается до напряжения 2Uп. При отпирании второго тиристора напряжение конденсатора прикладывается в обратном направлении к первому транзистору, под действием его он запирается. Конденсатор перезаряжается, и напряжение на его обмотках и на первичной обмотке тиристора меняет знак (потенциалы показаны на схеме в скобках). В следующий полупериод вновь отпирается тиристор T1 и процесс повторяется.

Для обеспечения запирания тиристоров необходимо, чтобы энергия коммутирующего конденсатора была достаточной для того, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на тиристорах падало достаточно медленно и успело бы обеспечить восстановление их запирающих свойств.

Недостатком такого инвертора является сильная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Для уменьшения влияния характера и величины нагрузки на форму и величину выходного напряжения применяют схемы с обратными диодами, которые в свою очередь необходимы для возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и реактивных коммутирующих элементах в источнике питания преобразователя.

Источник питания с бестрансформаторным входом

Особенностью таких источников являются использование процесса преобразования входного напряжения с использованием высокой частоты.

Отсутствие силового транзистора на входе и использование транзисторовна повышенной частоте существенно улучшает массогабаритные характеристики.

Функциональная схема ИПБВ на базе регулируемого преобразователя имеет следующий вид:

ВЧФ — препятствует проникновению во входные цепи помех от ИПБВ и наоборот.

ВУ – выпрямительное устройство,

СФ – сглаживающий фильтр;

РП – регулируемый преобразователь;

ЗГ – синхронизирующий задающий генератор;

ГПН – генератор пилообразного напряжения.

Работу ИПБВ со стабилизацией входного напряжения с использованием ШИМ легко представлять, рассмотрев диаграммы напряжений на отдельных участках схемы.

С целью упрощения регулировки преобразователь как правило строится по однотактной схеме с обеспечением рекуперации части энергии, накопленной в реактивных элементах в источник входного напряжения. На выходе преобразователя при напряжениях 5 — 10В ставят выпрямитель со средней точкой. С целью уменьшения времени коммутации силовых транзисторов на их входах применяют цепи обеспечивающие значительное превышение запирающего напряжения по отношению к отрицательному.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. — Изд. 3-е, перераб. и доп.-Мн: Высшая школа, 200

2. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства/Подред. А.Я.Шихина: Учебник. – М.: Энергоиздат, 200– 336 с.

3. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Три Л, 2000. – 400 с.

4. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. – М.: Альтекс а, 2002. –191 с.

Инструкция

Для начала нам нужно разобраться, что такое электрический ток и чем переменный ток отличается от постоянного. Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. В постоянном электрическом токе через сечение проводника за одинаковые интервалы времени проходит одинаковое количество заряженных частиц. А вот в переменном токе количество этих частиц за одинаковые интервалы времени всегда разное.

А вот теперь можно преступать непосредственно к преобразованию переменного тока в постоянный, в этом нам поможет устройство под названием «диодный мост». Диодный мост или мостовая схема — одно из самых распространённых устройств для выпрямления переменного тока .
Изначально она была разработана с применением радиоламп, но считалась сложным и дорогим решением, вместо неё применялась более примитивная схема со сдвоенной вторичной обмоткой в питающем выпрямитель трансформаторе. Сейчас, когда полупроводники очень дёшевы, в большинстве случаев применяется именно мостовая схема. Но использование данной схемы не гарантирует 100% выпрямления тока , поэтому в схему можно дополнить фильтром на конденсаторе, а также, возможно, дросселем и стабилизатором напряжения. Теперь, на выходе нашей схемы, как результат мы получаем постоянный ток

Чтобы получить постоянный ток , достаточно взять обычный элемент питания. Напряжение такого источника ток а, как правило, стандартное – 1,5 Вольта. Соединив последовательно несколько таких элементов, можно получить батарею с напряжением, пропорциональным количеству таких элементов. Для получения постоянного ток а можно также воспользоваться зарядным устройством от мобильного телефона (5 В) или автомобильным аккумулятором (12В). Однако, если необходимо получить нестандартное напряжение, например, 42 В, то придется соорудить самодельный выпрямитель с простейшим фильтром питания.

Вам понадобится

• Понижающий трансформатор 220 в./42в.
• Сетевой шнур с вилкой
• Диодный мост PB-6
• Электролитический конденсатор 2000 мкФ×60в
• Паяльник, канифоль, припой, соединительные провода.

Инструкция

Соберите выпрямитель по изображенной на рисунке схеме:

Чтобы правильно собрать и использовать такое устройство, необходимы минимальные знания о происходящих в приборе процессах. Поэтому, внимательно ознакомьтесь со схемой и принципами работы выпрямителя.Схема действия диодного моста, объясняющая принцип его работы: Во время положительного полупериода (мелкий штрих пунктир) ток движется по правому верхнему плечу моста к положительному выводу, через нагрузку поступает на левое нижнее плечо и возвращается в сеть. Во время отрицательного полупериода (крупный штрих пунктир) ток течет по другой паре диодов выпрямительного моста. Здесь Тр. – трансформатор, понижает напряжение с 220 до 42 Вольт, гальванически разделяет высокое и низкое напряжение. Д – диодный мост, выпрямляет переменное напряжение, поступившее с трансформатора. Цифрой 1 обозначена первичная (сетевая) обмотка трансформатора, цифрой 2 – вторичная (выходная) обмотка трансформатора.

Подсоедините к первичной обмотке трансформатора сетевой шнур с вилкой. Двумя проводами соедините два вывода вторичной обмотки трансформатора с двумя входными выводами диодного моста. Вывод диодного моста с маркировкой «минус» припаяйте к отрицательному выводу конденсатора.

Отрицательный вывод конденсатора обозначен на его корпусе светлой полосой со знаком «минус». К этому же выводу припаяйте провод синего цвета. Это будет отрицательный выход выпрямителя. Вывод диодного моста со знаком «плюс» припаяйте ко второму выводу конденсатора вместе с проводом красного цвета. Это будет положительный вывод выпрямителя. Перед включением тщательно проверьте правильность монтажа – ошибки здесь не допустимы.

Видео по теме

Полезный совет

Конденсатор играет роль фильтра питания, сглаживая пульсации, оставшиеся после выпрямления диодным мостом переменного тока.

Для зарядки аккумулятора накала применяется зарядное устройство, которое можно приобрести в торговой сети или же сделать своими руками, потратив при этом минимум средств, да и времени.

Вам понадобится

• Полулитровая стеклянная банка, алюминиевая и свинцовая пластина, резиновая трубка, крышка с отверстием посередине.

Инструкция

Возьмите стакан или полулитровую стеклянную банку , алюминиевую и свинцовую пластины размером 40х100 мм и резиновую трубку диаметром 2 см. Отрежьте от резиновой трубки кольцо длиной 2 см, натяните его на алюминиевую пластину, на уровень электролита . Это необходимо, так как при работе выпрямителя электролит сильно разъедает алюминий у самой поверхности раствора. Резина предохраняет его от коррозии и тем самым дает возможность выпрямителю работать значительно дольше.

Используйте в качестве электролита раствор двууглекислого натра (питьевая сода). Возьмите соду из расчета 5-7 гр. на 100 мл воды. В данном выпрямителе положительным полюсом будет алюминий, отрицательным — свинец . При включении прибора в обычную городскую сеть переменного тока свинцовой пластиной, через выпрямитель пойдет ток. Но пойдет он только в одном направлении. На алюминиевой пластине в это время постоянно будет положительный полюс напряжения .Если в сеть включить алюминиевую пластину, то на свинцовой пластине постоянно будет отрицательный полюс напряжения. Получится однополупериодный выпрямитель , потому что через него проходит электрический ток только одного полупериода. В первом случае, например, через прибор будет проходить ток только положительного направления.

Для полного использования напряжения применяют двухполупериодные выпрямители. Их нужно составить из двух или четырех элементов, в зависимости от требуемой для зарядки силы тока. А подключаются они в обе фазы электросети.При включении прибора в сеть переменного тока примените предохранители . Регулировку напряжения, которое подается на зарядку , можно произвести при помощи реостата, который позволит «гасить» лишнее напряжение в цепи и соответственно создаст нормальные условия для зарядки аккумулятора .

Видео по теме

Обратите внимание

Для зарядки аккумуляторов накала целесообразно использовать выпрямитель из 4 элементов, так как для снятия силы тока в один ампер требуется выпрямитель с площадью алюминиевой пластины в 100 кв. см.

Полезный совет

Сила зарядного тока аккумуляторов должна составлять 0,1% от его емкости.

Источники:

• Выпрямитель для зарядки аккумулятора

Если вы решили самостоятельно изготовить трансформатор, то вам необходимо знать некоторые вещи об этом устройстве, в том числе и как рассчитать ток в трансформаторе , о чем и пойдет речь ниже.

Инструкция

Узнайте, если вам до этого было неизвестно, максимальный ток нагрузки и напряжение на вторичной обмотке.
Умножьте ток максимальной нагрузки (в амперах) на коэффициент 1,5 – узнаете обмотку второго трансформатора (в амперах).

Рассчитайте мощность , расходуемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора. Для этого, умножьте напряжение вторичной обмотки на максимальный ток , который проходит через нее.
Подсчитайте мощность трансформатора. Чтобы узнать мощность следует умножить максимальную мощность на вторичной обмотке на 1,25.

Высчитайте величину тона на первичной обмотке . Для этого полученную в прошлом пункте мощность следует разделить на сетевое напряжение на первичной обмотке.
Рассчитайте параметры площади сердечника магнитного

Автор : elremont от 22-08-2013

В этом руководстве я собираюсь рассказать о кремниевых диодах, диодных мостах, и как преобразовывать переменный ток в постоянный. Это условное обозначение диода и картин. Полоска на конце диода указывает вам, каким образом поставить его в вашу схему, но что такое диод?

Диод это устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это удобно запомнить, сравнивая диоды с водопроводными кранами, которые позволяют воде течь только в одном направлении. Так что если вы пустите переменное напряжение или ток через диод, отрицательное напряжение будет блокировано, и вы останетесь с только положительной полуволной. Этот процесс называется выпрямлением тока… оно работает не только с синусоидальными волнами. Это также будет работать с квадратными, треугольными волнами, или любыми другими сигналами, которые имеют отрицательный полупериод. Минуточку…
Если увеличить и наложить сигналы друг на друга, то видно, что напряжение снизилось! Это происходит потому, что не существует такой вещи, как идеальный диод. У всех диодов есть прямое падение напряжения, обозначаемое «Vf». Это означает, что всякий раз, когда ток протекает вперед через диод, будет падение напряжения, которое обычно составляет около 0,7 вольт. Точное значение зависит от температуры, тока и типа диода, а пока давайте просто считать, что это 0.7V Так кремниевый диод даже не откроется, пока не будет 0.7V на его выводах и после его открытия на диоде всегда будет падение напряжения 0.7V. Проверьте это экспериментально, чтобы увидеть то, что я имею в виду: При отрицательном напряжении на входе, диод не может открыться, так что вы ничего не получите на выходе. 0,3 вольта на входе это все еще не достаточно, чтобы открыть диод, так что вы опять ничего не получите. 0,9 вольт на входе достаточно, чтобы открыть диод, но из-за падения напряжения у вас останется только 0.2V. И при 10 вольтах, минус 0,7 вольта, вы получаете 9,3 вольт.
Иногда падение напряжения на диоде проблема… иногда нет… Для примера я покажу вам, при 10 вольт от пика до пика на входе это почти незаметно.
Но если я попытаюсь выпрямить ток 0.5V, такой, как сигнал, поступающий из моего MP3-плеера, то падение 0.7V становится проблемой, и это не работает. Чтобы справиться с этой проблемой, надо использовать передовые технологии, такие как супер диоды. Но на данный момент вам не нужно беспокоиться об этом. Нет устройств эффективных на 100%, так что давайте поговорим о мощности. Будет ли диод нагреваться, сможете ли вы предсказать? Хорошо, потери энергии в диоде определяются Vf и током, протекающим через диод. Для обычного кремниевого диода с Vf = 0,7 В, при прохождении одного миллиампера, всего 0,7 мВт теряется на нагрев, так что это не проблема. Но уже при 3 А выделяется 2,1 Вт тепла, а это довольно много, так что вам придется использовать более крупный диод или использовать диод с низким прямым падением напряжения, например диод Шоттки. Их я рассмотрю в другом видео. Кстати, независимо от того, что кто-то говорит вам, при параллельном соединении диоды не смогут пропускать больший ток.
Что произойдет, если один диод закроется? Тепло, которое выделялось на нем, будет выделяться на других диодах. Старые диоды не идеальны, но я хочу поговорить не о коммутации скоростных диодов. Я использую диоды 1N4007, они предназначены для силовой электроники с низкой частотой переменного тока 50 — 60 Гц, как в вашем доме.
Теперь посмотрим, что происходит, когда я увеличиваю частоту. После около 15 кГц диод становится бесполезным, поскольку он начинает проводить в обратном направлении. Это потому, что диоду для переключения между открытым состоянием, позволяющим току двигаться вперед и закрытым требуется определенное количество времени. Разные диоды будут иметь разные скорости переключения. Так, если я заменю 1N4007 на 1N4148, то он будет хорошо работать, вплоть до 100 кГц и даже больше. Для работы с радиочастотами надо применять диоды, которые переключаются еще быстрее. Поэтому, когда вы проектируете что-то, вы должны думать о максимальном обратном напряжении вашего диода, прямом напряжении, номинальном токе и скорости переключения. Google всегда поможет вам в поиске справочной информации по диодам. Хорошо, что в большинстве случаев теорию работы диодов знать не обязательно. Так давайте использовать диоды, чтобы что-нибудь построить. Наиболее распространено использование диодов для преобразования переменного тока в постоянный, для питания различных устройств, которые есть у вас дома. Я собираюсь показать вам, как построить простой нерегулируемый источник питания постоянного тока очень похожий на этот. Я начну с тока малой силы, а затем я покажу вам, как улучшить конструкцию, чтобы работать с более мощной нагрузкой. Начинаем с преобразования напряжения сети в более низкое, безопасное переменное напряжение. Я покажу вам, как это сделать в моем руководстве по трансформаторам. При отсутствии нагрузки мой трансформатор дает мне хорошую чистую синусоиду около 39 вольт от пика до пика при 60 Гц. Я поставил диод 1N4007 и измерю напряжение до и после диода, можно увидеть срез отрицательного напряжения. Технически я преобразовал переменный ток в постоянный с помощью только одного диода, потому что я убрал все отрицательное напряжение. Но это не очень хороший постоянный ток, не так ли? Половину времени у вас странный горб по напряжению и половина времени у нас нет вообще ничего.
Если вам надо немного больше стабильности, для питания полезной нагрузки, мы добавим конденсатор, чтобы все наладить. Я начинаю с 1 мкФ, но чем больше емкость, тем лучше, потому что вы будете иметь больший энергетический накопитель. Это больше похоже на правду! Теперь у меня есть идеальный источник постоянного тока на 18,7 вольт. Всякий раз, когда вы делаете источник питания постоянного напряжения то лучшее, что вы можете увидеть на экране осциллографа- это постоянное стабильное напряжение. К сожалению, единственная причина, почему сейчас все выглядит идеально, то только потому, что я не успел подключить нагрузку. Конденсатор заряжается через диод, и сейчас нет ничего, что могло бы разрядить конденсатор. Итак, давайте посмотрим, что происходит, когда я добавляю резистор 4,7 кОм в качестве нагрузки. Закон Ома предсказывает, что должно быть только 4 мА нагрузки (что очень мало), но посмотрите, что происходит. Вы видите здесь, что, когда входное напряжение положительное, диод позволяет току протекать, так конденсатор заряжается. Но как только входное напряжение становится отрицательным, диод блокирует обратное протекание тока и единственный источник энергии это конденсатор на 1 мкФ. И как вы можете видеть его энергия быстро расходуется даже при низкой нагрузке. Так что же нам с этим делать? Давайте увеличим размер нашего резервуара энергии, чтобы его было достаточно, чтобы обеспечить нам питание до следующей положительной полуволны. Давайте заменим крошечный конденсатор на 1 мкФ на большой конденсатор на 470 мкФ, и посмотрим что происходит.
Это работает очень хорошо! Теперь у нас есть источник питания постоянного тока, который может выдавать ток в несколько миллиампер которого достаточно для питания некоторых датчиков и операционных усилителей. Хорошо, давайте модернизируем его на ступеньку выше. С нагрузкой в десять Ом, эта схема должна потреблять гораздо больше тока. Ну, что дело дрянь… мы вернулись к ситуации, когда напряжение проседает в каждом такте. Среднее напряжение 8 вольт, при токе около 0,8 ампер, но величина пульсаций напряжения огромна. Представьте себе, что мы попытаемся подключить что-то к этим… напряжение будет постоянно падать так низко, что никогда не будет оставаться постоянным! Так что даже 470 мкФ как накопителя энергии уже недостаточно. Мы можем попробовать решить проблему в лоб и добавить еще больше емкости.
Итак, давайте посмотрим, как схема работает с 3400 мкФ. Ну… это лучше… Теперь мы получили среднее напряжение около 12,5 вольт при токе около 1,25 А, но мы видим пульсации переменного тока 5 вольт, а это очень много. Можно продолжать добавлять емкость бесконечно, чтобы уменьшить количество провисания между циклами. Но для нагрузки в несколько ампер это становится непрактично и дорого. Но есть небольшая хитрость. Если взять четыре диода и расположить их таким образом, мы получим «диодный мост». Вот как это работает: В первой половине синусоиды, на верхний провод приходит положительная волна синусоиды, эти два диода открываются и пропускают ток. Далее диоды закрываются, блокируя любые возможные изменения направления тока. Теперь во второй половине синусоидальной волны, где верхний провод становятся отрицательным по отношению к нижнему проводу, другие два диода открываются, а два других закрыты. Таким образом, вместо того, чтобы терять нижнюю половину формы сигнала переменного тока, обрезав ее и никогда не используя, вы просто переворачиваете и перенаправляете ее. И на выходе вы получаете постоянный ток с пульсациями 120 Гц вместо 60 Гц.
И так же, как и раньше, вы можете обработать выходной сигнал конденсаторами, чтобы получить хорошее гладкое напряжение. Вы можете купить готовые мостовые выпрямители, но их легко построить самостоятельно. Вот мой мостового выпрямителя подключен к трансформатору. Я сделал его из четырех диодов 1N4007 и я потратил на них около 4 центов. Взгляните на то, как напряжение изменяется с положительного на отрицательное при 60 Гц, и теперь оно никогда не опускается ниже нуля вольт, и мы получаем эти положительные постоянные полуволны напряжения при 120 Гц. Это называется полным выпрямлением, потому что мы используем обе волны переменного тока. Теперь давайте вернемся к нашей макетной плате с нагрузкой десять Ом и посмотрим, как мостового выпрямитель работает с емкостью 470 мкФ по сравнению с одиночным диодом, который мы испытывали ранее.
Теперь у нас в среднем 11,6 вольт вместо 8 вольт, которые мы получали раньше с одного диода. И вы можете видеть, что это объясняется тем, что мостовой выпрямитель заряжает конденсатор в два раза чаще, потому что мы используем обе полуволны сети переменного тока 60 Гц. Теперь подумайте о том, насколько это большая разница, учитывая, что эти дополнительные диоды стоили мне только три цента.
Работу мостовых выпрямителей может быть немного трудно понять, но так как они работают так хорошо, все их используют. Теперь давайте сравним один диод с 3400 мкФ и мостовый выпрямитель с 3400 мкФ. Теперь мы получаем в среднем 13,5 вольт вместо 12,5 вольт и у нас есть пульсации только около одного или двух вольт. Другими словами, сочетание мостового выпрямителя с большой емкостью может преобразовать большой ток питания переменного тока в большой полезный ток питания постоянного тока. Просто имейте в виду, что ваши диоды и конденсаторы должны быть рассчитаны на то напряжение, с которым вы работаете.
То, что мы имеем сейчас, это в основном то же самое, что находится внутри этих дешевых маленьких нерегулируемых блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный, которые используются для питания радиостанций, часов и других домашних гаджетов. Мы могли бы сделать версию на 9 вольт, и она может питать старые Sega или Nintendo. Но я хочу подчеркнуть, что все это нерегулируемые источники питания. Это означает, что даже если мы успешно сгладим пульсации напряжения, то мы все равно столкнемся с проблемой изменения среднего напряжения под нагрузкой.
Без нагрузки это 18,7 вольт. А при 1 амперной нагрузке вы получите 13 вольт. Для некоторых схем это не будет иметь значения, если они предназначены для работы с широким диапазоном напряжений. Но многие устройства, такие как микроконтроллеры и другая цифровая электроника потребуют очень стабильный источник напряжения, и для этого вам нужно будет создать так называемый регулируемый источник напряжения. Про регуляторы напряжения я расскажу в другом видео. Теперь вы знаете, что делают диоды и как они преобразовывают переменный ток в постоянный.
_

Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры

Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта

• Введение
• Классификация воздушных линий
• Типовые профили опор ВЛ, ВСЯ СЦБ и воздушных линий связи
• Материалы и арматура воздушных линий
• Деревянные опоры, железобетонные приставки и железобетонные опоры
• Основные типы опор воздушных линий СЦБ и связи
• Оборудование высоковольтных линий автоматики и телемеханики
• Оборудование воздушных линий связи
• Устройство удлиненных пролетов, пересечений и переходов
• Заземления в устройствах автоматики, телемеханики и связи
• Типы и конструкции заземляющих устройств
• Строительство воздушных линий
• Техническое обслуживание и ремонт воздушных линий
• Механизация работ при строительстве и ремонте воздушных линий
• Техника безопасности при работах на воздушных линиях
• Назначение и классификация кабельных линий
• Конструкция кабелей
• Кабели для устройств автоматики и телемеханики
• Железнодорожные кабели связи
• Оборудование, арматура и материалы кабельных линий
• Строительство кабельных линий
• Монтаж силовых электрических кабелей
• Монтаж силовых и контрольных кабелей. Паспортизация кабельных линий
• Механизация кабельных работ
• Техническое обслуживание и ремонт кабельных линий
• Техника безопасности при работах на кабельных линиях
• Влияние электрических железных дорог и линий электропередачи на воздушные и кабельные линии
• Средства защиты устройств автоматики, телемеханики и связи от опасных и мешающих влияний железных дорог и линий электропередачи
• Защита полупроводниковых приборов от перенапряжений
• Воздействие молнии на устройства автоматики, телемеханики и связи. Приборы защиты
• Защита устройств автоматики, телемеханики и связи от атмосферных перенапряжений
• Защита кабелей от коррозии
• Генераторы постоянного тока
• Реакция якоря и коммутация тока
• Типы генераторов и их характеристики
• Общие сведения о двигателях постоянного тока
• Электродвигатели постоянного тока и их характеристики
• Однофазный и трехфазный трансформаторы
• Автотрансформаторы и дроссели насыщения
• Трансформаторы железнодорожной автоматики и телемеханики
• Путевые дроссель-трансформаторы
• Асинхронные электродвигатели
• Синхронные генераторы
• Первичные химические источники тока
• Свинцовые аккумуляторы
• Электролит и химические процессы в свинцовых аккумуляторах
• Электрические характеристики свинцовых аккумуляторов
• Аккумуляторные батареи
• Правила эксплуатации и способы устранения неисправностей свинцовых аккумуляторов
• Щелочные никепь-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторные помещения
• Электрические вентили и выпрямительные устройства
• Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры
• Влияние характера нагрузки на работу выпрямительных схем
• Выпрямители, применяемые в устройствах автоматики и телемеханики
• Электромагнитные и полупроводниковые преобразователи
• Особенности электроснабжения устройств
• Энергоснабжение устройств автоблокировки
• Системы питания
• Электропитание устройств переездной сигнализации и полуавтоматической блокировки
• Техническое обслуживание устройств электропитания на перегонах и станциях
• Питающие пункты устройств автоматики и телемеханики
• Расчеты питающих устройств сигнальной точки автоблокировки
• Электропитание устройств автоматики и телемеханики крупных станций
• Унифицированная щитовая установка электропитания устройств централизации на крупных станциях при безбатарейной системе питания
• Электропитание устройств электрической централизации малых станций
• Устройства электропитания электрической централизации промежуточных станций
• Электропитающие установки безбатарейной и батарейной систем питания ЭЦ промежуточных станций
• Расчеты электропитающих устройств электрической централизации
• Автоматизированные дизель-генераторные установки и резервные электростанции

Преобразование — электрическая энергия — переменный ток

Преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока осуществляется с помощью двигателей-генераторов, полупроводниковых и других выпрямительных устройств.
 

Соотношение нагрузок электроприемников на предприятиях разных отраслей промышленности, %.

Преобразование электрической энергии переменного тока в постоянный ток для соответствующих электроприемников требует капитальных затрат на установку преобразовательных агрегатов и аппаратуры управления, на строительство помещений для них, а также эксплуатационных расходов на их обслуживание и на потери электроэнергии.
 

Преобразование электрической энергии переменного тока в постоянный для соответствующих электроприемников требует капитальных затрат на установку преобразовательных агрегатов и аппаратуры управления, на строительство помещений для них, а также эксплуатационных расходов на их обслуживание и на потери электроэнергии.
 

Асинхронные электродвигатели предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. В зависимости от системы переменного тока асинхронные электродвигатели выполняются трех — или однофазными. В технике наиболее распространены асинхронные трехфазные электродвигатели.
 

Асинхронные электродвигатели предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую. В зависимости от системы переменного тока асинхронные электродвигатели выполняются трехфазными и однофазными. Ротор асинхронного электродвигателя изготовляют в двух исполнениях: короткозамкнутым и с контактными кольцами.
 

Асинхронные электродвигатели предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую. В зависимости от системы переменного тока асинхронные электродвигатели выполняют в виде трехфазных, двухфазных и однофазных конструкций. В технике наиболее распространены асинхронные трехфазные электродвигатели.
 

Полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование электрической энергии переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, называется преобразователем частоты.
 

Асинхронные электродвигатели предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. В зависимости от системы переменного тока асинхронные электродвигатели выполняются трех — или однофазными. В технике наиболее распространены асинхронные трехфазные электродвигатели.
 

Поэтажные планы зарядной станции на 20 электропогрузчиков.

Зарядные агрегаты АЗД служат для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока напряжением 24 / 36 или 48 / 72 в. Каждый зарядный агрегат АЗД состоит из генератора постоянного тока и трехфазного индукционного двигателя, соединенных эластичной муфтой и смонтированных на общем фундаменте.
 

При работе асинхронного двигателя происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии переменных токов сети в механическую энергию вращательного движения. Этот процесс сопровождается бесполезным расходом части энергии источника питания на нагрев машины, который характеризуют величинами мощностей электрических, магнитных и механических потерь.
 

При работе асинхронного двигателя происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии переменных токов сети в механическую энергию вращательного движения. Этот процесс сопровождается бесполезным расходом части энергии источника питания на нагрев машины, который характеризуют величинами мощностей электрических, магнитных и механических потерь. Мощностью электрических потерь характеризуют нагрев обмоток статора и ротора, обладающих активными сопротивлениями гг и г. 2; по закону Джоуля-Ленца, она, как известно, пропорциональна квадрату тока в обмотке.
 

Схема передачи электрической энергии на.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одним значением напряжения в электрическую энергию с другим значением напряжения при сохранении неизменной частоты переменного тока.
 

Преобразование — постоянный ток

Преобразование постоянного тока в переменный в динамическом конденсаторе осуществляется за счет периодически изменяющейся емкости конденсатора при колебании одной из пластин.
 

Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертированием, а устройство, выполняющее такую функцию, — инвертором.
 

Схема измерения мощности электромагнитной бегущей волны.

Преобразование постоянного тока в переменный и модуляция сигналов переменного тока. Для усиления постоянного напряжения обычно используются усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами. Существенным недостатком всех усилителей постоянного тока является дрейф нуля. Наличие дрейфа нуля и трудности непосредственного усиления малых постоянных напряжений явились причиной возникновения ряда схем усилителей с преобразованием постоянного напряжения в переменное и усилением последнего с помощью усилителя переменного тока. В качестве преобразователей применяются механические, микрофонные, электронные и другие устройства.
 

Преобразование постоянного тока в переменный ток осуществляется путем периодического прерывания цепи питания нагрузки. Если уровень выходного напряжения преобразователя отличается от уровня входного напряжения постоянного тока, нагрузка включается через трансформатор.
 

Преобразование постоянного тока в переменный и обратное преобразование.
 

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 Р0 Рин) 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 ч — 180 эл. Ведомый сетью ( неавтономный) инвертор используется при реостатных испытаниях тепловозов с рекуперацией энергии. Подобные установки о каждым годом находят все большее распространение.
 

Входная ступень много-ступеппого лампового электрометра.

Преобразование постоянного тока в переменный производится конденсатором, емкость к-рого периодически изменяется ( напр.
 

Преобразование Постоянного тока в переменный отао вано на периодическом Изменении направления тока е нагрузке, осуществляемом управляемыми вентилями, которые играют роль переключателей, переключаемых с заданной частотой. Момент открытия каждого нентиля определяется Моментом подачи па его управляющий электрод управляющего сигнала.
 

Преобразование постоянного тока в переменный связано с потреблением инверторами около 0 5 ква реактивной мощности на каждый киловатт активной мощности, отданной подстанцией. На подстанции нужно установить мощные генераторы реактивной мощности, что связано с дополнительными расходами.
 

Упрощенная структурная схема для возмущений.

Преобразование постоянного тока в переменный может быть осуществлено разными методами, как электронными, так и механическими. Электронные установки, например тиратронные преобразователи и генераторы с электронными лампами, имеют определенные преимущества, а также и недостатки по сравнению с установками, имеющими вращающиеся или движущиеся части. С другой стороны, статические установки ( без движущихся частей) много более спокойны в работе, портативны и требуют меньших первоначальных затрат.
 

Преобразование постоянного тока в переменный возможно лишь при токе, опережающем инвертированное напряжение. Для этого в автономных инверторах используют конденсаторы.
 

Пульс-пара. — 6. Тепловое реле.

Что такое переменный ток. Определение переменного тока

Переменный ток — это направленное движение заряженных частиц, направление движения которых меняется на противоположное через равные промежутки времени. Если постоянный ток течет в одном направлении и не меняется по величине, то переменный ток может быть в данный момент положительным, а через определенный промежуток времени отрицательным.

Получение переменного тока

Вырабатывают переменный ток генераторы переменного напряжения, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Форма переменного тока может быть различной и зависит от его назначения. Форма переменного тока промышленного назначения и для бытовых нужд населения носит синусоидальный характер.

Он имеет такие характеристики как амплитуда, частота и период. Периодом синусоидального тока является его полный цикл колебания и измеряется временем совершения одного цикла колебания. Такие циклы повторяются и поэтому переменный ток еще называют циклическим.

Период обозначается буквой Т и выражается в секундах. Другим параметром синусоидального тока является частота, которая обратно пропорциональна периоду т. е. F = 1/Т. Если период переменного тока равен 1 секунде, то частота его будет равна 1 Гц.

Период, частота и амплитуда переменного тока

Существует два стандарта переменного тока — это 50 Гц и 60 Гц. В России используется частота сети 50 Гц, а в Канаде и США 60 Гц. Такой параметр как амплитуда, определяется его наибольшей величиной в определенный промежуток времени, она может иметь отрицательное или положительное значение.

Постоянный и переменный ток

Сегодня наша задача – понять, что такое переменный ток и чем он отличается от постоянного. Хотя этот материал я и поместил в рубрику «Практикум», практики особой не будет, только теория.

Итак, в наших руках гипотетический прибор, который может показывать, что у нас происходит на двух проводах под напряжением. Подключаем его к обычной батарейке, чтобы уяснить принцип работы, и видим следующую картину:

Синяя полоска, проведенная против отметки 1.5 показывает, что напряжение (разность потенциалов) между щупами прибора равно 1.5 вольта, причем напряжение это не изменяется во времени, оно постоянно.

Если к батарейке подключить лампу, то через нее потечет тоже постоянный ток.

Для удобства принято считать, что при постоянном напряжении ток течет от положительного полюса к отрицательному и тоже постоянно.

Теперь подключим наш прибор к осветительной розетке. Картина на экране несколько изменилась:

В первый момент времени напряжение между выводами розетке равно нулю (точка 0), потом оно начнет плавно увеличиваться и в точке 1 достигнет максимума – +220 вольт на одном выводе относительно другого.

В точке 4 напряжение исчезнет, как говорят, период колебания закончится, и дальше процесс повторится.

Что будет, если мы подключим к розетке нагрузку (скажем, лампочку)? В первый момент тока не будет, потом он начнет увеличиваться до максимума, потом снова уменьшаться, а потом… потечет в другую сторону, так как полярность между проводниками изменится. Ток в другую сторону тоже будет увеличиваться, потом постепенно уменьшится до 0 (в точке 4).

Итак, перед нами переменное напряжение, способное вызывать переменный ток – сначала в одну сторону, потом в другую.

Меняется полярность в розетке 50 раз в секунду или иначе с частотой 50 герц. Герц (Гц) – единица измерения частоты. 1 Гц – один период колебаний в секунду.

А теперь подведем итоги. Главное отличие переменного напряжения от постоянного – разность потенциалов между двумя проводниками постоянно меняет свою полярность, тогда как при постоянном напряжении «плюс» всегда на одном проводнике, а «минус» на другом.

Вполне естественно, что через нагрузку, подключенную к источнику переменного напряжения, ток потечет переменный – то в одну сторону, то в другую. Чем выше частота, тем чаще будет меняться направление тока, причем, как мы видим из нашего графика, меняться плавно.

Если вы поближе познакомитесь с переменным напряжением, то узнаете, что оно не так просто, как я описал (к примеру, существует амплитудное (которое, кстати, выше 220 В), мгновенное, среднеквадратичное и т.п. напряжения в одной единственной розетке), но для общего понятия процесса этого материала, я думаю, вполне достаточно.

https://youtube.com/watch?v=WwXRADEb_Oc

Ну а по поводу гипотетического волшебного прибора – такие приборы есть и называют их осциллографами:

1. Преобразование переменного тока в постоянный

Современные электротехнические
устройства (ЭТУ) содержат большое число
полупроводниковых приборов (различных
типов диодов, транзисторов, тиристоров,
интегральных микросхем), устройств
отображения информации, фотоэлементов.
Нормальная работа этих и других приборов,
а также выполненных на их основе
функциональных узлов связана с
потреблением электрической энергии в
большинстве случаев постоянного и реже
переменного токов.

Для
обеспечения работоспособности подобной
аппаратуры используют источники
вторичного электропитания (ИВЭП), которые
преобразуют напряжение первичной
системы электроснабжения в напряжение
требуемого уровня, рода тока и повышают
качество напряжения постоянного тока.

Одним
из функциональных узлов ИВЭП являются
выпрямители. Это объясняется, с одной
стороны, тем, что большинство первичных
источников вырабатывают электрическую
энергию в виде переменного тока (115, 127,
220 и 380 В), промышленной (50 Гц) и повышенной
(400, 1000 Гц) частоты. С другой стороны,
электронные функциональные узлы ЭТУ
требуют для нормальной работы напряжение
постоянного тока различного уровня (от
десятых долей вольта до десятков тысяч
вольт) и часто самого высокого качества
(высокая стабильность, малая пульсация
выходного напряжения и др.).

Методы
и способы преобразования переменного
тока в постоянный.

В
настоящее время преобразование
переменного тока в постоянный при
непосредственной передаче электрической
энергии от первичного источника
потребителю осуществляется путем
применения полупроводниковых диодов.

Однотактное
преобразование.
Пусть имеется генератор напряжения
переменного тока u₂
=
U_2msinωt
с внутренним сопротивлением, равным
нулю. Подключим к этому генератору через
ключ S
нагрузку (рис. 202,а)
и рассмотрим преобразование рода тока
в течение одного периода приложенного
напряжения.

Если
в течение первого полупериода 0 ≤
ωt
≤
π
(рис.202,б)
ключ S
замкнут (рис. 202,
а), а в течение
второго полупериода π
≤
ωt
≤
2π
он разомкнут, то в нагрузке будет
протекать ток iтолько в
первом полупериоде и в одном направлении
и на нагрузке будет выделяться
напряжениеU_н,
полярность которого показана на рис.
202, а.
При активном характере нагрузки формы
напряжения u_н
и тока i
совпадают и соответствуют форме
преобразуемого напряжения u₂.
Так как этот процесс повторяется каждый
период, то на нагрузке будет наблюдаться
пульсирующее (как и ток i)
напряжение постоянного тока. Это
напряжение представляет собой
периодическую функцию времени, которая
удовлетворяет условиям разложения в
ряд Фурье, и, следовательно, его можно
представить в виде суммы постоянной
составляющей U
(среднее значение) и ряда гармонических
составляющих (пульсации).

Таким
образом, для однотактного преобразования
необходимо, чтобы ключ синхронно с
частотой первичного источника подключал
нагрузку к генератору на время одной
полуволны напряжения переменного тока.

Рис. 202

Однотактное
преобразование напряжения переменного
тока в напряжение постоянного тока
характеризуется следующими особенностями:

• на
  нагрузке получается пульсирующее
  напряжение;

• частота
  появления импульсов тока в нагрузке
  равна частоте преобразуемого напряжения;

• за
  период преобразуемого напряжения через
  источник и нагрузку проходит только
  один импульс тока и в одном направлении.

• Двухтактное
  преобразование.
  Как и в первом случае, нагрузка
  подключается к генератору напряжения
  переменного тока, но так, чтобы с помощью
  синхронных ключей можно было коммутировать
  ток в нагрузке в зависимости от полярности
  u₂.
  При этом для получения напряжения на
  нагрузке используется каждый полупериод
  переменного тока.

• Двухтактное
  преобразование напряжения переменного
  тока в напряжение постоянного тока
  (рис. 204) характеризуется следующими
  особенностями:

• за
  период преобразуемого напряжения через
  нагрузку и источник проходят два
  импульса, причем через нагрузку – в
  одном направлении, а через источник –
  в противоположных направлениях;

• частота
  появления импульсов тока в нагрузке
  и, следовательно, частота первой
  гармоники пульсации выпрямленного
  напряжения в два раза выше частоты
  преобразуемого напряжения.

Этот
способ преобразования позволяет получать
более качественное напряжения на
нагрузке.

Устройство,
реализующее метод одно- и двухтактного
преобразования напряжения переменного
тока в напряжение постоянного тока,
называется выпрямителем. При этом
различают неуправляемые и управляемые
выпрямители.

При технической реализации любого
способа преобразования напряжения
переменного тока в напряжение постоянного
тока в качестве ключей Sиспользуются диоды и тиристоры.

Как делается из постоянного тока переменный ток

Категории

физика, дом, аккумулятор, солнце, электричество, деталь, использование, ток, энергия, постоянный, изменение, сохранение, переменный

Если из переменного тока можно сделать постоянный ток с помощью диодов, то и из постоянного тока можно сделать переменный, к тому же, кто использует солнечную энергию, как иногда мы видим иногда на крышах домов огромные солнечные батареи, то они дают постоянный ток, и ещё эту энергию нужно сохранять, если вдруг на небе будут облака, и солнце спрячеться, или если будет ночь, то ток поступать не будет, и насколько я слышал, что для этого используются специальные аккумуляторы, которын сохраняют енергию. А какая деталь используется для переделывания постоянного тока в переменный?

больше 4 лет назад

Время вопроса 11:15 01.08.2013 Часовой пояс: Германия. Выход в интернет: Мобильник. Место нахождения: На работе. Любителям онлайн-гемблинга советуем зарегистрироваться на официальном сайте пинап казино огромные бонусы на депозит. Лицензионные игровые автоматы, блекджек и рулетка для идеального вечера в Pin-up казино.

Ответы

Ответ выбран автором вопроса

Немного не по теме, но на твой вопрос тебе уже выше ответил Jormungand. Инвертор, конечно, штука хорошая, но большинство современной техники работает от прямого тока при напряжении не более 100В, в основном 5, 12, 15В.

Из сети они берут ~220В, преобразуют в рабочее, выпрямляют, теряют энергию на нагрев трансформатора. Проще, если есть уже постоянный ток нужного напряжения воткнуть его в обход входного трансформатора сразу в схему.

Инвертор потребляет лишнюю электроэнергию, стоит денег, так что если нет острой необходимости, то и не стоит извращаться. Переменным током питаются только нагревательные приборы и трехфазные электромоторы.

220 вольт постоянного тока, как сделать сетевое напряжение 220 постоянным. Простой преобразователь переменного напряжения сети в постоянный ток

Тема: как можно получить постоянное напряжение величиной 220 вольт из переменного

Как известно в обычной электрической сети (бытовой) имеется переменное напряжение величиной 220 вольт (с небольшим отклонением, зависящее от различных факторов).

Переменный тип тока достаточно легко поддается преобразованию, то есть при необходимости одну величину переменного напряжения и силы тока можно трансформировать в другую, при этом используется (обычно) всего одно устройство, называемое трансформатором.

Но порой возникает необходимость в наличии именно постоянного типа электрического тока, величиной сетевого напряжения в 220 вольт. В этой статье мы рассмотрим способы, которыми можно сделать преобразование переменного напряжения в постоянное.

Переменный ток, как известно из курса физики, представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, которые периодически меняют свое направление. Данный тип тока (переменный) имеет синусоидальную форму.

Если просто поставить один диод последовательно нагрузке, то мы уже получим постоянный ток после этого диода, но он будет иметь следующую форму.

В этом случае просто срезается одна часть волны переменного синусоидального тока. Остается лишь одна полуволна. Следовательно мощность на выходы (после этого диода) будет снижена в 2 раза. При подключении обычной лампочки накаливания мы увидим значительные мерцания света. Такой вариант получения постоянного тока с напряжением в 220 вольт используется крайне редко.

Хотя и в этом случае постоянный ток не будет иметь ровную и прямую форму. Он будет скачкообразным. Решить данную проблему можно при использовании фильтрующего конденсатора электролита.

В зависимости от того с какой мощность мы имеем дело, будет зависеть емкость и величина напряжения этого конденсатора.

Стоит заметить, что после добавления фильтрующего конденсатора электролита величина постоянного напряжения (его амплитуда) на выходе выпрямителя увеличиться где-то на 1,4 раза.

Лишнее напряжение всегда можно убрать (срезать) различными способами: ограничительным резистором, электронной схемой стабилизатора, простым параметрическим стабилизатором напряжения на стабилитроне и т.д.

Теперь по поводу вопроса конкретных диодов. Какие, собственно, диоды нужны для выпрямителя, чтобы получить постоянный ток из переменного для сетевого напряжения 220 вольт? Тут важны два основных параметра, это максимальное напряжение, на который рассчитан диод и максимальная сила тока, который он способен через себя пропускать.

Наиболее распространенными диодами являются серия 1n4007, у который максимальное напряжение 1000 вольт, ну а сила тока до 1 ампера.

Конденсатор должен быть рассчитан на напряжение более того, что подается на него. В нашем случае (при использовании 220 вольт) напряжение конденсатора должно быть не менее 500 вольт (с учетом увеличения амплитуды после моста).

Емкость должна быть от 1 до 10 000 микрофарад (чем больше емкость, тем сильнее будут сглаживаться импульсы, но и тем больше будут размеры конденсатора, и дороже он будет стоить).

Старайтесь найти наиболее оптимальный вариант, воспользовавшись формулами или онлайн калькуляторами по расчету емкости конденсатора для выпрямительного диодного моста под конкретное напряжение и мощность.

Если вам нужно, чтобы постоянное напряжение выпрямленного сетевого тока было регулируемым, то стоит сделать или приобрести готовое устройство (электронную плату, которая стоит относительно недорого) — регулируемый преобразователь сетевого напряжения с постоянным током на выходе. Такие схемы работают на тиристорах, симисторах вместо диодов. Они управляются дополнительными элементами, что срезают лишнии части напряжения. В итоге мы получаем диммер, что способен выдавать нужное постоянное напряжение от 0 до 220 вольт.

P.S. В настоящее время широко распространены электронные блоки питания (используются в блоках питания компьютера, зарядных устройствах мобильных телефонов и т.д.).

Именно в них применяется вариант, когда необходимо сетевое переменное напряжение преобразовать в постоянное, без снижения амплитуды. В самой начале схемы и ставятся выпрямительные диодные мосты с фильтрующим конденсатором электролитом, о которых и был разговор выше.

Схема — переменный ток

Схема переменного тока с нагрузкой на постоянном токе ( схема с вынесенным мостом) приведена на рис. 4.22, в.
 

Технологическая схема ( а.

Схемы переменного тока с мигающим светом ( рис. 87, в) применяют в случае большого числа точек сигнализации. При срабатывании любого из устройств, включенных в систему, замыкается его контакт, срабатывает реле К. После восприятия информации оператор нажимает кнопку SB1 и через диод ( например, V2) срабатывает реле К. К 1: 3 замыкается и лампа HLI начинает гореть ровным светом. Сирена выключается, и источник мигающего света прекращает свою работу. Для опробования сигнализации нажимают кнопку SB2: срабатывает реле К.
 

Схема переменного тока с нагрузкой на постоянном токе ( схема с вынесенным мостом) приведена на рис. 4.22, в, От схемы рис. 4.8, в она отличается включением нагрузки через выпрямительный мост В3 — Вв.
 

Схема переменного тока с нагрузкой на постоянном токе ( схема с вынесенным мостом) приведена на рис. 4.22, в.
 

Схема фотореле переменного тока с фотосопротивленяем ФС в одном плече мостовой схемы приведена на рис. ЗД Такое фотореле может срабатывать как при освещении фотосопротивления, так и при затемнении его, в зависимости от условий баланса входного моста.
 

Принципиальная схема для снятия статических характеристик в режиме переменного тока.

В схеме переменного тока мощность, выделяющаяся на электродах лампы при снятии характеристик, приблизительно в четыре раза меньше, чем в схеме постоянного тока.
 

В мощных схемах переменного тока УПВ выключается вскоре после того, как под действием напряжения сети его анодный ток доводится до нуля. При обычных промышленных частотах схемное время выключения или время, в течение которого УПВ имеет обратное смещение, очень велико по сравнению с приборным временем выключения / ыкл ( разд. Это обеспечивает высокую эффективность действия УПВ на промышленной частоте и вместе с его низким падением напряжения в открытом состоянии придает ему наибольшее практическое значение среди управляемых приборов для применений в контролируемых схемах переменного тока и управляемых схемах выпрямления. Эти виды применений УПВ рассматриваются подробнее в гл.
 

В схемах переменного тока участки цепей маркируются последовательными числами без деления на четные и нечетные согласно рекомендуемой разбивке групп чисел по функциональному признаку. Маркировка этих участков цепей — порядковая буквенно-цифровая или цифровая.
 

В схемах переменного тока участки цепей маркируются последовательными числами, без деления на четные и нечетные.
 

Пример приспособления фазосмещающей схемы переменного тока для управления УПВ иллюстрируется на фиг. Вторичная обмотка трансформатора 7 питает переменным напряжением ет переменные RC — или RL-цепи. Это напряжение приложено между управляющим электродом и катодом. Оно обозначено как напряжение VG-C на фиг.
 

Датчик включается в мостико-вую схему переменного тока.
 

Схема дифференциального Схема фотореле пере.

На рис. 152 изображена схема фотореле переменного тока. Питание переменным током упрощает схему, так как не нужны выпрямители или батареи. Но реле переменного тока малочувствительно и более инерционно, чем реле постоянного тока. Реле работает следующим образом. Как видно из схемы, накал лампы Л, анодная цепь и цепь сетки питаются от отдельных обмоток трансформатора.
 

Преобразователи постоянного напряжения в переменное. Как из постоянного тока сделать переменный?

“Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники”

Кафедра защиты информации

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ »

Инвертор – преобразует постоянный ток в переменный.

Конвертор – преобразователь постоянного напряжения в постоянное, но другого уровня (с промежуточным преобразованием входного напряжения в переменное и трансформацией к нужному уровню).

Центральным звеном является преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Применяют различные схемы таких устройств:

Транзисторные и на электронных лампах;

Построенные на транзисторах с насыщающимися сердечниками;

Релаксационные генераторы, триггеры, мультивибраторы;

По однотактной, двухтактной и мостовой схемах;

Тиристорные простые и мостовые схемы (в мощных устройствах).

Простая схема двухтактного тиристорного инвертора

Рисунок 1 — простая схема двухтактного тиристорного инвертора

От Т2 поступают импульсы управления в цепь тиристоров.

От постоянного источника напряжение поступает на вход схемы. Оно проходит через

на аноды VD. заряжается до двойного входного напряжения. Если теперь подать импульсы на VD2, сразу закрывается VD1, перезаряжается, все знаки в Т1 поменяются на противоположные и ток потечет через VD2.

Как видно из работы схемы, на коммутирующей емкости

в момент закрытия тиристора действует напряжение равное удвоенному напряжению питания, что является недостатком для схемы.

Его устраняет мостовая схема тиристорного инвертора.

Мостовая схема тиристорного инвертора

Рисунок 2 — Мостовая схема тиристорного инвертора

Схема управления открывает сначала VD1 и VD4, а потом, когда емкость зарядится до

, в этот момент, если открыть другие тиристоры, VD1 и VD4 мгновенно закроются.

В данной схеме на закрытых тиристорах действует лишь напряжение источника питания.

Тиристорные выпрямители являются эффективными перспективными инверторами. Применяются на значительной мощности и используются в настоящее время для замены электромашинных агрегатов, преобразующих энергию постоянного тока резервных аккумуляторных батарей в переменный ток, в устройствах гарантированного питания (УГП) аппаратуры на предприятиях связи.

Преобразователи постоянного напряжения

Часто при питании электронных устройств ИП являются низковольтными, а для питания цепей потребления требуются значительные напряжения. При этом прибегают к преобразованию напряжения. Для этого используют инверторы и конверторы. Используются электромагнитные преобразователи, вибропреобразователи и статические преобразователи на п/п приборах.

Электромагнитные преобразователи вырабатывают напряжение синусоидальной формы, в то время как полупроводниковые и вибропреобразователи – напряжение прямоугольной формы. В настоящее время имеются статические преобразователи с выходным напряжением по форме близким к синусоидальному. Недостаток электромагнитного преобразователя: большие габариты и масса. Вибропреобразователи – маломощные и малонадежные. Поэтому наибольшее применение находят полупроводниковые преобразователи с малыми габаритами и массой, высоким КПД и эксплуатационной надежностью.

Построение преобразователей на тиристорах и транзисторах следует связывать с величиной питающих напряжений, требуемой мощности, характером изменения нагрузки.

Транзисторные преобразователи напряжения

Они подразделяются по способу возбуждения на 2 типа: с самовозбуждением и преобразователи с усилением мощности.

Транзисторы могут включаться по схеме с ОЭ, ОК, ОБ, но наиболее широко используются включение с ОЭ, так как в этом случае реализуется максимальное усиление транзисторов по мощности и тем более просто достигаются условия самовозбуждения.

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощных, до нескольких десятков ватт, по однотактным и двухтактным схемам. Простейшая схема однотактного преобразователя представляет собой релаксационный генератор с обратной связью.

С обратным включ. диода.С прямым включ. диода.

При подключении напряжения питания через резистор на базу транзистора подается опирающий потенциал. Транзистор открывается и через первичную обмотку Wк трансформатора протекает ток, который вызывает магнитный поток в магнитопроводах транзистора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке Wк трансформируется в обмотке обратной связи Wб, полярность подключения которой такова, что она способствует отпиранию транзистора. Когда ток коллектора достигает своего максимального значения: Iк=Iб*h31э, нарастание магнитного потока прекратится, полярность напряжений на обмотках трансформатора изменяется на противоположное и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет прямоугольную форму.

Полярность подключения силового диода выпрямителя на вторичной обмотке трансформатора определяет способ передачи энергии в нагрузку.2*tu. Конденсатор сглаживающего фильтра Cф при этом заряжается выпрямленным напряжением до Uп.

В течении паузы tп, когда транзистор закрыт, цепь тока Iн замыкается через дроссель Lф и блокирующий диод VD2, как и в импульсном стабилизаторе с последовательным регулированием.

В однотактных преобразователях трансформатор работает с подмагничиванием, для борьбы с которым можно применять сердечник с зарядом. Однако он не подходит при использовании тор. транзистора. В нашем случае используется блокирующий конденсатор, который в течении паузы tп разряжаетсячерез обмотку W1, перемагничивая сердечник током разряда.

Емкость Cбл. Выбирается из условия, чтобы при максимальном коэффициенте заполнения φmax длительность паузы tп была не менее четверти периода колебательного контура L, Cбл.

Такой преобразователь с обратным включением диода обеспечивает развязку и защиту выходного напряжения от помех по входным шинам питания.

Транзисторные преобразователи определяются по следующим формулам:

Uп=Uп(Iкм/2Iн-W1/W2)

tu = Iкм*L1/Uп

tп = Iкм*L2/Uн*W2

φ = fп*Iкм*L1/Uп = tu/(tu+tп)

Лучшие массогабаритные показатели имеют двухтактные преобразователи с понижающим трансформатором.

Трансформаторы выполняются на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса. Здесь также используется положительная ОС. Генератор работает следующим образом. При включении напряжения питания Uп из-за неидентичности параметров один из транзисторов, например VT1, начинает открываться и его коллекторный ток увеличивается. Обмотки ОС Wб подключены так, что наведенное в них ЭДС полностью открывает транзистор VT1 и закрывает транзистор VT2.

Переключение транзисторов начинается в момент насыщения транзистора. Вследствие этого наведенные во всех обмотках трансф. Напряжения уменьшаются до нуля, а затем изменяют свою полярность.

Теперь на базу ранее открытого транзистора VT1 подается отрицательное напряжение, а на базу ранее закрытого транзистора VT2 поступает положительное напряжение и он начинает открываться. Этот регенеративный процесс формирования фронта выходного напряжения протекает очень быстро. В дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Частота переключения зависит от значения напряжения питания, параметров трансформатора и транзисторов и рассчитываются по формуле:fп=((Uп-Uкэ нас)*10000)/4*B*s*Wк*Sc*Kc.

Такой режим более экономичен, чем при переключении за счет предельного тока коллектора и работа преобразователя более устойчива.

Такие преобразователи используются как задающие генераторы для усилителей мощности и как автономные маломощные источники электропитания. Основные достоинства: простота схемы, а также нечувствительность к короткому замыканию в цепи нагрузки.

Недостатком преобразователя с насыщающимся сердечником является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что увеличивает потери а преобразователе.

Напряжение на закрытом транзисторе может достигать значения:

Uкэm = (2,2: 2,4)Uпmax

два напряжения это сумма Uп+ЭДС на неработающей обмотке, кроме того учитываются выбросы напряжения во время переключения. Для уменьшения последних в схему иногда включают шунтирующие диоды.

При преобразовании больших мощностей наибольшее распространение получили преобразователи с использованием усилителя мощности. В качестве задающего генератора можно использовать преобразователи с самовозбуждением. Применение таких преобразователей целесообразно если необходимо обеспечить постоянство частоты и напряжения на выходе, а также неизменность формы кривой переменного напряжения при изменении нагрузки преобразователя.

В случае высокого входного напряжения применяют мостовые усилители мощности.

Предположим, в первый полупериод одновременно работают транзисторы T1,T2. Во второй T2,T3. Напряжение питания прикладывается к первичной обмотке транзистора, его полярность меняется каждый полупериод. Напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания. Выходной транзистор работает в ненасыщенном режиме, выполняется он из материала с непрямоугольной петли гистерезиса.

Преобразователи на тиристорах

Тиристоры в отличие от транзисторов имеют одностороннее управление. Для запирания тиристоров в схемах преобразователей используются реактивные элементы в основном в виде коммутирующих конденсаторов.

При отпирании первого тиристора емкость заряжается до напряжения 2Uп. При отпирании второго тиристора напряжение конденсатора прикладывается в обратном направлении к первому транзистору, под действием его он запирается. Конденсатор перезаряжается, и напряжение на его обмотках и на первичной обмотке тиристора меняет знак (потенциалы показаны на схеме в скобках). В следующий полупериод вновь отпирается тиристор T1 и процесс повторяется.

Для обеспечения запирания тиристоров необходимо, чтобы энергия коммутирующего конденсатора была достаточной для того, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на тиристорах падало достаточно медленно и успело бы обеспечить восстановление их запирающих свойств.

Недостатком такого инвертора является сильная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Для уменьшения влияния характера и величины нагрузки на форму и величину выходного напряжения применяют схемы с обратными диодами, которые в свою очередь необходимы для возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и реактивных коммутирующих элементах в источнике питания преобразователя.

Источник питания с бестрансформаторным входом

Особенностью таких источников являются использование процесса преобразования входного напряжения с использованием высокой частоты.

Отсутствие силового транзистора на входе и использование транзисторовна повышенной частоте существенно улучшает массогабаритные характеристики.

Функциональная схема ИПБВ на базе регулируемого преобразователя имеет следующий вид:

ВЧФ — препятствует проникновению во входные цепи помех от ИПБВ и наоборот.

ВУ – выпрямительное устройство,

СФ – сглаживающий фильтр;

РП – регулируемый преобразователь;

ЗГ – синхронизирующий задающий генератор;

ГПН – генератор пилообразного напряжения.

Работу ИПБВ со стабилизацией входного напряжения с использованием ШИМ легко представлять, рассмотрев диаграммы напряжений на отдельных участках схемы.

С целью упрощения регулировки преобразователь как правило строится по однотактной схеме с обеспечением рекуперации части энергии, накопленной в реактивных элементах в источник входного напряжения. На выходе преобразователя при напряжениях 5 — 10В ставят выпрямитель со средней точкой. С целью уменьшения времени коммутации силовых транзисторов на их входах применяют цепи обеспечивающие значительное превышение запирающего напряжения по отношению к отрицательному.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. — Изд. 3-е, перераб. и доп.-Мн: Высшая школа, 200

2. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства/Подред. А.Я.Шихина: Учебник. – М.: Энергоиздат, 200– 336 с.

3. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Три Л, 2000. – 400 с.

4. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. – М.: Альтекс а, 2002. –191 с.

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.

Автор : elremont от 22-08-2013

В этом руководстве я собираюсь рассказать о кремниевых диодах, диодных мостах, и как преобразовывать переменный ток в постоянный. Это условное обозначение диода и картин. Полоска на конце диода указывает вам, каким образом поставить его в вашу схему, но что такое диод?

Диод это устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это удобно запомнить, сравнивая диоды с водопроводными кранами, которые позволяют воде течь только в одном направлении. Так что если вы пустите переменное напряжение или ток через диод, отрицательное напряжение будет блокировано, и вы останетесь с только положительной полуволной. Этот процесс называется выпрямлением тока… оно работает не только с синусоидальными волнами. Это также будет работать с квадратными, треугольными волнами, или любыми другими сигналами, которые имеют отрицательный полупериод. Минуточку…
Если увеличить и наложить сигналы друг на друга, то видно, что напряжение снизилось! Это происходит потому, что не существует такой вещи, как идеальный диод. У всех диодов есть прямое падение напряжения, обозначаемое «Vf». Это означает, что всякий раз, когда ток протекает вперед через диод, будет падение напряжения, которое обычно составляет около 0,7 вольт. Точное значение зависит от температуры, тока и типа диода, а пока давайте просто считать, что это 0.7V Так кремниевый диод даже не откроется, пока не будет 0.7V на его выводах и после его открытия на диоде всегда будет падение напряжения 0.7V. Проверьте это экспериментально, чтобы увидеть то, что я имею в виду: При отрицательном напряжении на входе, диод не может открыться, так что вы ничего не получите на выходе. 0,3 вольта на входе это все еще не достаточно, чтобы открыть диод, так что вы опять ничего не получите. 0,9 вольт на входе достаточно, чтобы открыть диод, но из-за падения напряжения у вас останется только 0.2V. И при 10 вольтах, минус 0,7 вольта, вы получаете 9,3 вольт.
Иногда падение напряжения на диоде проблема… иногда нет… Для примера я покажу вам, при 10 вольт от пика до пика на входе это почти незаметно.
Но если я попытаюсь выпрямить ток 0.5V, такой, как сигнал, поступающий из моего MP3-плеера, то падение 0.7V становится проблемой, и это не работает. Чтобы справиться с этой проблемой, надо использовать передовые технологии, такие как супер диоды. Но на данный момент вам не нужно беспокоиться об этом. Нет устройств эффективных на 100%, так что давайте поговорим о мощности. Будет ли диод нагреваться, сможете ли вы предсказать? Хорошо, потери энергии в диоде определяются Vf и током, протекающим через диод. Для обычного кремниевого диода с Vf = 0,7 В, при прохождении одного миллиампера, всего 0,7 мВт теряется на нагрев, так что это не проблема. Но уже при 3 А выделяется 2,1 Вт тепла, а это довольно много, так что вам придется использовать более крупный диод или использовать диод с низким прямым падением напряжения, например диод Шоттки. Их я рассмотрю в другом видео. Кстати, независимо от того, что кто-то говорит вам, при параллельном соединении диоды не смогут пропускать больший ток.
Что произойдет, если один диод закроется? Тепло, которое выделялось на нем, будет выделяться на других диодах. Старые диоды не идеальны, но я хочу поговорить не о коммутации скоростных диодов. Я использую диоды 1N4007, они предназначены для силовой электроники с низкой частотой переменного тока 50 — 60 Гц, как в вашем доме.
Теперь посмотрим, что происходит, когда я увеличиваю частоту. После около 15 кГц диод становится бесполезным, поскольку он начинает проводить в обратном направлении. Это потому, что диоду для переключения между открытым состоянием, позволяющим току двигаться вперед и закрытым требуется определенное количество времени. Разные диоды будут иметь разные скорости переключения. Так, если я заменю 1N4007 на 1N4148, то он будет хорошо работать, вплоть до 100 кГц и даже больше. Для работы с радиочастотами надо применять диоды, которые переключаются еще быстрее. Поэтому, когда вы проектируете что-то, вы должны думать о максимальном обратном напряжении вашего диода, прямом напряжении, номинальном токе и скорости переключения. Google всегда поможет вам в поиске справочной информации по диодам. Хорошо, что в большинстве случаев теорию работы диодов знать не обязательно. Так давайте использовать диоды, чтобы что-нибудь построить. Наиболее распространено использование диодов для преобразования переменного тока в постоянный, для питания различных устройств, которые есть у вас дома. Я собираюсь показать вам, как построить простой нерегулируемый источник питания постоянного тока очень похожий на этот. Я начну с тока малой силы, а затем я покажу вам, как улучшить конструкцию, чтобы работать с более мощной нагрузкой. Начинаем с преобразования напряжения сети в более низкое, безопасное переменное напряжение. Я покажу вам, как это сделать в моем руководстве по трансформаторам. При отсутствии нагрузки мой трансформатор дает мне хорошую чистую синусоиду около 39 вольт от пика до пика при 60 Гц. Я поставил диод 1N4007 и измерю напряжение до и после диода, можно увидеть срез отрицательного напряжения. Технически я преобразовал переменный ток в постоянный с помощью только одного диода, потому что я убрал все отрицательное напряжение. Но это не очень хороший постоянный ток, не так ли? Половину времени у вас странный горб по напряжению и половина времени у нас нет вообще ничего.
Если вам надо немного больше стабильности, для питания полезной нагрузки, мы добавим конденсатор, чтобы все наладить. Я начинаю с 1 мкФ, но чем больше емкость, тем лучше, потому что вы будете иметь больший энергетический накопитель. Это больше похоже на правду! Теперь у меня есть идеальный источник постоянного тока на 18,7 вольт. Всякий раз, когда вы делаете источник питания постоянного напряжения то лучшее, что вы можете увидеть на экране осциллографа- это постоянное стабильное напряжение. К сожалению, единственная причина, почему сейчас все выглядит идеально, то только потому, что я не успел подключить нагрузку. Конденсатор заряжается через диод, и сейчас нет ничего, что могло бы разрядить конденсатор. Итак, давайте посмотрим, что происходит, когда я добавляю резистор 4,7 кОм в качестве нагрузки. Закон Ома предсказывает, что должно быть только 4 мА нагрузки (что очень мало), но посмотрите, что происходит. Вы видите здесь, что, когда входное напряжение положительное, диод позволяет току протекать, так конденсатор заряжается. Но как только входное напряжение становится отрицательным, диод блокирует обратное протекание тока и единственный источник энергии это конденсатор на 1 мкФ. И как вы можете видеть его энергия быстро расходуется даже при низкой нагрузке. Так что же нам с этим делать? Давайте увеличим размер нашего резервуара энергии, чтобы его было достаточно, чтобы обеспечить нам питание до следующей положительной полуволны. Давайте заменим крошечный конденсатор на 1 мкФ на большой конденсатор на 470 мкФ, и посмотрим что происходит.
Это работает очень хорошо! Теперь у нас есть источник питания постоянного тока, который может выдавать ток в несколько миллиампер которого достаточно для питания некоторых датчиков и операционных усилителей. Хорошо, давайте модернизируем его на ступеньку выше. С нагрузкой в десять Ом, эта схема должна потреблять гораздо больше тока. Ну, что дело дрянь… мы вернулись к ситуации, когда напряжение проседает в каждом такте. Среднее напряжение 8 вольт, при токе около 0,8 ампер, но величина пульсаций напряжения огромна. Представьте себе, что мы попытаемся подключить что-то к этим… напряжение будет постоянно падать так низко, что никогда не будет оставаться постоянным! Так что даже 470 мкФ как накопителя энергии уже недостаточно. Мы можем попробовать решить проблему в лоб и добавить еще больше емкости.
Итак, давайте посмотрим, как схема работает с 3400 мкФ. Ну… это лучше… Теперь мы получили среднее напряжение около 12,5 вольт при токе около 1,25 А, но мы видим пульсации переменного тока 5 вольт, а это очень много. Можно продолжать добавлять емкость бесконечно, чтобы уменьшить количество провисания между циклами. Но для нагрузки в несколько ампер это становится непрактично и дорого. Но есть небольшая хитрость. Если взять четыре диода и расположить их таким образом, мы получим «диодный мост». Вот как это работает: В первой половине синусоиды, на верхний провод приходит положительная волна синусоиды, эти два диода открываются и пропускают ток. Далее диоды закрываются, блокируя любые возможные изменения направления тока. Теперь во второй половине синусоидальной волны, где верхний провод становятся отрицательным по отношению к нижнему проводу, другие два диода открываются, а два других закрыты. Таким образом, вместо того, чтобы терять нижнюю половину формы сигнала переменного тока, обрезав ее и никогда не используя, вы просто переворачиваете и перенаправляете ее. И на выходе вы получаете постоянный ток с пульсациями 120 Гц вместо 60 Гц.
И так же, как и раньше, вы можете обработать выходной сигнал конденсаторами, чтобы получить хорошее гладкое напряжение. Вы можете купить готовые мостовые выпрямители, но их легко построить самостоятельно. Вот мой мостового выпрямителя подключен к трансформатору. Я сделал его из четырех диодов 1N4007 и я потратил на них около 4 центов. Взгляните на то, как напряжение изменяется с положительного на отрицательное при 60 Гц, и теперь оно никогда не опускается ниже нуля вольт, и мы получаем эти положительные постоянные полуволны напряжения при 120 Гц. Это называется полным выпрямлением, потому что мы используем обе волны переменного тока. Теперь давайте вернемся к нашей макетной плате с нагрузкой десять Ом и посмотрим, как мостового выпрямитель работает с емкостью 470 мкФ по сравнению с одиночным диодом, который мы испытывали ранее.
Теперь у нас в среднем 11,6 вольт вместо 8 вольт, которые мы получали раньше с одного диода. И вы можете видеть, что это объясняется тем, что мостовой выпрямитель заряжает конденсатор в два раза чаще, потому что мы используем обе полуволны сети переменного тока 60 Гц. Теперь подумайте о том, насколько это большая разница, учитывая, что эти дополнительные диоды стоили мне только три цента.
Работу мостовых выпрямителей может быть немного трудно понять, но так как они работают так хорошо, все их используют. Теперь давайте сравним один диод с 3400 мкФ и мостовый выпрямитель с 3400 мкФ. Теперь мы получаем в среднем 13,5 вольт вместо 12,5 вольт и у нас есть пульсации только около одного или двух вольт. Другими словами, сочетание мостового выпрямителя с большой емкостью может преобразовать большой ток питания переменного тока в большой полезный ток питания постоянного тока. Просто имейте в виду, что ваши диоды и конденсаторы должны быть рассчитаны на то напряжение, с которым вы работаете.
То, что мы имеем сейчас, это в основном то же самое, что находится внутри этих дешевых маленьких нерегулируемых блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный, которые используются для питания радиостанций, часов и других домашних гаджетов. Мы могли бы сделать версию на 9 вольт, и она может питать старые Sega или Nintendo. Но я хочу подчеркнуть, что все это нерегулируемые источники питания. Это означает, что даже если мы успешно сгладим пульсации напряжения, то мы все равно столкнемся с проблемой изменения среднего напряжения под нагрузкой.
Без нагрузки это 18,7 вольт. А при 1 амперной нагрузке вы получите 13 вольт. Для некоторых схем это не будет иметь значения, если они предназначены для работы с широким диапазоном напряжений. Но многие устройства, такие как микроконтроллеры и другая цифровая электроника потребуют очень стабильный источник напряжения, и для этого вам нужно будет создать так называемый регулируемый источник напряжения. Про регуляторы напряжения я расскажу в другом видео. Теперь вы знаете, что делают диоды и как они преобразовывают переменный ток 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) .

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.

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.-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. Пренебрегая iR c ввиду малости R c , получим

Полученное основное уравнение коммутации (1.68) совпадает с уравнением коммутации в выпрямителе (1.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.).

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). Через полупроводниковые вентили (диоды) ток может проходить только тогда, когда положительный потенциал приложен к аноду (в направлении вершины треугольника на рис.-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. Пренебрегая iR c ввиду малости R c , получим

Полученное основное уравнение коммутации (1.68) совпадает с уравнением коммутации в выпрямителе (1.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.

Зависимость переменного тока от постоянного

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 удовлетворяет многие наши потребности. На рисунке 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.

Рис. 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.

Рис. 2. Разность потенциалов V между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для V задается следующим образом: [latex] V = {V} _ {0} \ sin \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex].

На рисунке 2 показана схема простой схемы с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано на рисунке, с переменным напряжением , заданным как

.

[латекс] V = {V} _ {0} \ sin \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex],

, где В — напряжение в момент времени t , В ₀ — пиковое напряжение, а f — частота в герцах.Для этой простой цепи сопротивления I = V / R , поэтому переменного тока равно

.

[латекс] I = {I} _ {0} \ sin 2 \ pi {ft} \\ [/ latex],

, где I — это 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 1 (b).

Ток в резисторе меняется взад и вперед, как управляющее напряжение, 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. { 2} \ text {2} \ pi {ft} \\ [/ latex], как показано на рисунке 3.

Установление соединений: домашний эксперимент — лампы переменного / постоянного тока

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

Рис. 3. Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь синфазны, их произведение неотрицательно и колеблется от нуля до I ₀ В ₀ .Средняя мощность (1/2) I ₀ V ₀ .

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 _средн. составляет

[латекс] {P} _ {\ text {ave}} = \ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \\ [/ latex].

Это очевидно из графика, поскольку области выше и ниже линии (1/2) I ₀ V ₀ равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств.Аналогичным образом, мы определяем средний или действующий ток I _{среднеквадратического значения} и среднее значение или действующее значение напряжения В _{среднеквадратичное значение} , соответственно, равное

[латекс] {I} _ {\ text {rms}} = \ frac {{I} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex]

и

[латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex].

, 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. Сейчас,

P _{среднеквадратичное} = I _{среднеквадратичное значение} В _{среднеквадратичное значение} ,

, что дает

[латекс] {P} _ {\ text {ave}} = \ frac {{I} _ {0}} {\ sqrt {2}} \ cdot \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} = \ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \\ [/ latex],

, как указано выше. Стандартной практикой является указание I _rms , V _rms и P _{, среднее значение} , а не пиковые значения.Например, напряжение в большинстве домашних хозяйств составляет 120 В переменного тока, что означает, что В _{среднеквадратичного значения} составляет 120 В. Обычный автоматический выключатель на 10 А прервет постоянное I _{среднеквадратичное значение} , превышающее 10 А. Ваш 1,0-кВт микроволновая печь потребляет P _средн. = 1,0 кВт и т. д. 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 для мощности полностью аналогичны таковым для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения.{2} R \\ [/ латекс].

Пример 1. Пиковое напряжение и мощность для переменного тока

(a) Каково значение пикового напряжения для сети 120 В переменного тока? (b) Какова пиковая потребляемая мощность лампочки переменного тока мощностью 60,0 Вт?

Стратегия

Нам говорят, что В _{среднеквадратичное значение} составляет 120 В, а P _{среднеквадратичное значение} составляет 60,0 Вт. Мы можем использовать [латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex], чтобы найти пиковое напряжение, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.

Решение для (a)

Решение уравнения [латекс] {V} _ {\ text {rms}} = \ frac {{V} _ {0}} {\ sqrt {2}} \\ [/ latex] для пикового напряжения В ₀ и замена известного значения на В _rms дает

[латекс] {V} _ {0} = \ sqrt {2} {V} _ {\ text {rms}} = 1,414 (120 \ text {V}) = 170 \ text {V} \\ [/ latex ]

Обсуждение для (а)

Это означает, что напряжение переменного тока изменяется от 170 В до –170 В и обратно 60 раз в секунду.Эквивалентное постоянное напряжение составляет 120 В.

Решение для (b)

Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,

[латекс] {P} _ {0} = {I} _ {0} {V} _ {0} = \ text {2} \ left (\ frac {1} {2} {I} _ {0} {V} _ {0} \ right) = \ text {2} {P} _ {\ text {ave}} \\ [/ latex].

Мы знаем, что средняя мощность 60,0 Вт, поэтому

P ₀ = 2 (60,0 Вт) = 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.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕН

Похоже, вы неправильно ввели URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

добавил в корзину!

Разъем для обжима ленты — 6-контактный (2×3, розетка)

В наличии PRT-10651

Эти обжимные соединители 2×3 могут быть прикреплены к 6-жильному ленточному кабелю, чтобы создавать собственные кабельные сборки и сохранять соединение…

$ 0.35 год

Добавлено в избранное Любимый 12 Список желаний

добавил в корзину!

Chip Quik No-Clean Flux Pen — 10 мл

В наличии TOL-14579

Эта флюсовая ручка объемом 10 мл от Chip Quik, не требующая очистки, отлично подходит для всех ваших задач пайки, снятия припоя, доработки и оплавления!

7 долларов.95

4 Добавлено в избранное Любимый 30 Список желаний

добавил в корзину!

Промышленный датчик Холла / магнитный датчик — многооборотный

Осталось всего 4! SEN-16874

Датчики BEI Модульный датчик Sensata TCW4 IO-Link обеспечивает компактную многооборотную индикацию абсолютного положения с помощью IO-Link или…

258 долларов.95

Добавлено в избранное Любимый 0 Список желаний

добавил в корзину!

Синфазный дроссель — 0,85 мГн, 1 кГц, 3 А, 30 мОм

В наличии COM-18410

Синфазные дроссели полезны в различных приложениях для противодействия помехам, включая источники питания, бытовую технику,…

3 доллара.95

Добавлено в избранное Любимый 0 Список желаний

Friday Product Post: Ооо! Что делает эта кнопка?

24 января 2020 г.

Кнопки

Qwiic теперь окрашены в красный цвет SparkFun! У нас также есть GreatFET One от Great Scott Gadgets, а также новые метеометры!

Добавлено в избранное Любимый 2

Возня с линейным движением: как построить вагон MicroMod

5 августа 2021 г.

Как я сделал простую систему линейного перемещения, используя MicroMod, Qwiic Breakouts и детали, напечатанные на 3D-принтере.

Добавлено в избранное Любимый 1

SparkFun Inventor’s Kit: руководство по эксперименту — версия 4.0

15 ноября 2017

Руководство по эксперименту SparkFun Inventor’s Kit (SIK) содержит всю информацию, необходимую для создания всех пяти проектов, включающих 16 схем, в последней версии набора v4.0a.

Добавлено в избранное Любимый 8

Qwiic SHIM Kit для Raspberry Pi Hookup Guide

16 февраля 2021

Начните работу с последовательным ЖК-дисплеем с подсветкой RGB и 9DoF IMU (ICM-20948) через I2C, используя систему Qwiic и Python на Raspberry Pi! Снимите показания датчика и отобразите их на последовательном терминале или SerLCD.

Добавлено в избранное Любимый 0

Переменный ток — Гипертекст по физике

Обсуждение

введение

Ток, который протекает непрерывно только в одном направлении, называется постоянным током ( DC ). Не имеет значения, останется ли сила тока постоянной. Направление — вот что важно. Типичным примером источника постоянного тока является разряжающийся аккумулятор или конденсатор.Устройства, используемые для подзарядки аккумулятора портативного электронного устройства, например мобильного телефона, электродрели или электромобиля, также являются источниками постоянного тока. Большинство железнодорожных систем также питаются постоянным током. Это включает в себя третий рельс, контактную сеть и даже дизель-электрические системы.

Электрический ток, который часто меняет направление, называется переменным током ( AC ). Опять же, не имеет значения, остается ли сила тока постоянной.Важна частая смена направления. Типичным примером источника переменного тока является генератор. Хотя генераторы бывают как переменного, так и постоянного тока, большая часть электроэнергии вырабатывается и распределяется в форме переменного тока. Это тип электричества, который проходит через большинство, если не все, провода в стенах вашего дома, школы и рабочего места. (Исключение составляют некоторые дверные звонки и питание через USB или Ethernet.) Любая аналоговая передача аудиосигнала по проводу также является переменным током.Это может быть многокилометровый провод между двумя сторонами, разговаривающими по телефону в начале 20 века, или полметра кабеля, соединяющего пару наушников с мобильным телефоном в начале 21 века.

Различие между переменным током и постоянным током может быть неудачным примером платоновского идеализма (поскольку реальные физические формы вещей только приближаются к их философским идеалам) или закона исключенного среднего (поскольку все физические формы не относятся исключительно к тому или иному типу).Предложенные мною определения содержат фразы «устойчиво» и «часто обращаются вспять». Как долго действие должно продолжаться, чтобы его можно было назвать устойчивым действием? Как часто должно происходить событие, чтобы его можно было описать как часто встречающееся? Когда одно поведение изменилось настолько, чтобы его можно было считать другим? Поскольку это источник вводной информации, мой ответ: кого это волнует? Ток бывает постоянным или переменным.

Хотя я продолжаю использовать слово «ток», то, что действительно описывает природу доступного «электричества», — это напряжение источника.Напряжение определяет, что вы можете делать. Текущее — это то, что вы на самом деле делаете. Напряжение источника постоянного тока по сути является постоянным. Математически это можно записать так…

В ( т ) = В

Где…

В ( т ) =	напряжение как функция времени
т =	раз
В =	напряжение («the», потому что есть только одно значение)

Напряжение источника переменного тока изменяется синусоидально (как функция синуса).Поскольку функции синуса и косинуса имеют одинаковую форму, но со сдвигом фазы, можно также сказать, что они изменяются косинусоидально (как функция косинуса). Это не потому, что язык так не работает. Математически это можно записать так…

V ( t ) = V sin (2π ft + φ)

Где…

В ( т ) =	напряжение как функция времени [В]
т =	раз [с]
В =	максимальное напряжение (амплитуда напряжения) [В]
f =	частота [Гц = 1 / с]
φ =	фаза относительно другого источника переменного тока [рад]
π =	полезная математическая константа

Мы могли бы записать это математически так…

V ( t ) = V sin (ω t + φ)

Где…

В ( т ) =	напряжение как функция времени [В]
т =	раз [с]
В =	максимальное напряжение (амплитуда напряжения) [В]
ω =	угловая частота [рад / с]
φ =	фаза относительно другого источника переменного тока [рад]

Для вычислительных целей (например, в электронной таблице) значения фазы необходимо указывать в радианах, но я почти всегда описываю их в градусах.Несмотря на то, что радианы являются естественной единицей, мне просто не кажется естественным.

С инженерной точки зрения системы переменного тока можно описать тремя числами: напряжение, частота и фаза. В этом разделе книги мы будем рассматривать каждую из этих величин в указанном порядке ( V , f , φ), а также некоторые другие вещи.

СКЗ

Для сравнения значений переменного и постоянного тока требуется немного математики. Средние значения — хороший способ сделать это.Среднее значение постоянной величины — это любое ее значение, поскольку оно имеет это значение все время. Однако среднее значение синусоидально изменяющейся величины равно нулю, поскольку в половине случаев оно положительное, а в половине случаев отрицательное.

Напряжение и ток могут быть в среднем равными нулю в системе переменного тока, но мощность другая. Его среднее значение всегда больше нуля в любой включенной электрической системе. При сравнении переменного и постоянного тока нам нужно сравнивать мощность.

Взгляните на это уравнение…

P = VI

Напряжение и ток имеют одинаковый знак, поскольку первое вызывает второе.Положительное напряжение дает положительный ток. Умножьте два, и вы получите положительную силу. Отрицательное напряжение дает отрицательный ток. Умножьте два, и вы все равно получите в положительной степени.

Пока устройство имеет сопротивление, которое не зависит от направления тока, потребляемая мощность также определяется одним из этих уравнений…

Эти уравнения говорят о том, что электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока.Поэтому, когда мы говорим об переменном токе, средний квадрат этих величин будет ближе к тому, что мы хотим. Еще лучше был бы квадратный корень из этих средних значений, поскольку мы могли бы использовать их во многих уравнениях, которые мы вывели для постоянного тока. Другое название среднего — это среднее значение, поэтому в конечном итоге нам нужен корень среднего квадрата.

Среднеквадратичное значение ( среднеквадратичное значение ) величины является мерой ее типичной величины без учета математического знака, определяемого путем взятия абсолютного значения квадратного корня (r) из среднего (m) квадрата ( s) количества.

Среднеквадратичное значение синусоидально изменяющейся величины — это ее пиковое значение, деленное на квадратный корень из двух. Чтобы доказать это математическое соотношение, вам понадобится интегральное исчисление, но в каком-то смысле это не так.

Задана величина x , синусоидально изменяющаяся во времени t с периодом T …

x ( t ) = x sin	⎛ ⎜ ⎝	2π	т	⎞ ⎟ ⎠
		Т

Квадрат…

x ( t ) 2 = x 2 sin 2	⎛ ⎜ ⎝	2π	т	⎞ ⎟ ⎠
		Т

Затем возьмите его интеграл за один цикл.

Т		т
⌠ ⎮ ⌡	x ( т ) 2 dt =	⌠ ⎮ ⌡	x 2 sin 2	⎛ ⎜ ⎝	2π	т	⎞ ⎟ ⎠	дт
					Т
0		0

Это один из моих любимых определенных интегралов, так как вам не нужно знать причудливое исчисление, чтобы его решить.Визуализируйте синусоидальную кривую, построенную за один цикл. Обратите внимание, как он делит ограничивающий его прямоугольник на равные половины.

Высота этого прямоугольника равна квадрату пикового значения, а его ширина равна одному периоду. Умножьте высоту на ширину, чтобы получить площадь ограничивающего прямоугольника, а затем разделите ее на два. Интеграл завершен.

Т
⌠ ⎮ ⌡	x ( т ) 2 dt =	x 2
		2
0

Разделите указанное выше количество на период, чтобы получить среднее значение квадрата.Затем извлеките из этого корень, чтобы получить корень среднего квадрата.

Применительно к переменному току получаем…

и…

Теперь умножьте эти две величины.

P rms = В я √2 √2

Поскольку мощность всегда положительна, ее среднеквадратичное значение совпадает со средним значением (или равным половине его пикового значения).

частота

Вся Австралия и Европа работают от переменного тока частотой 50 Гц. Африка, Азия и Океания используют в основном 50 Гц. Северная и Южная Америка используют в основном 60 Гц. Япония — единственная страна с двумя стандартами: на северо-востоке используется 60 Гц, а на юго-западе — 50 Гц. Выбор частот был несколько произвольным, поскольку ни одна из них не имеет технических преимуществ перед другой.

Эти стандарты были приняты, потому что они хорошо работали для освещения общего назначения в 20 веке.Лампы накаливания (старые добрые, вдохновленные Томасом Эдисоном, стеклянные колбы со светящейся горячей нитью накаливания) мерцают в два раза быстрее, чем ток — один раз, когда он течет в положительном направлении, а второй — когда он течет в отрицательном направлении. Выше порога слияния мерцания источник света будет иметь постоянную яркость. Как и все физиологические вещи, это варьируется от человека к человеку, но где-то между 15 и 60 Гц вполне нормально. Удвоение 50 и 60 Гц дает 100 и 120 Гц, что намного выше этих значений.Современное светодиодное освещение использует постоянный ток (даже если оно вкручено в розетку переменного тока), поэтому на него это явление не влияет.

Когда на рубеже 20-го века впервые разрабатывались крупномасштабные коммерческие системы переменного тока, они, как правило, отдавали предпочтение более низким частотам. Первая крупномасштабная коммерческая электростанция переменного тока была построена в Ниагара-Фолс, штат Нью-Йорк, в 1890-х годах. Первоначально выбранная частота составляла 25 Гц, потому что она лучше работала для низкоскоростных и мощных приложений, таких как промышленное оборудование — его основное применение в то время.В результате это стало стандартом де-факто для государства. Когда в 1905 году в Нью-Йорке была открыта первая линия метро, ​​электрическая система включала единую центральную генерирующую станцию, вырабатывающую трехфазный переменный ток 25 Гц и напряжением 11 000 вольт. Он был преобразован в постоянный ток 600 В для использования поездами через третий рельс с помощью вращающегося преобразователя — гибрид двигателя переменного тока и генератора постоянного тока. Я не могу найти точную дату, но я думаю, что большая часть этого оборудования была вывезена где-то в 1990-х годах.Тот, что в моем районе, был окончательно снесен в 2021 году после десятилетий неиспользования. В 21 веке система метро Нью-Йорка питается переменным током 60 Гц стандарта США.

фаза и фазоры

Фаза относится к этапу цикла периодического явления. Основной математический способ описания фазы — связать ее с положением на круге. Цикл. Круг. Заметили что-нибудь?

Количество фаз в системе

1. Жилой район Великобритании, розетки 240 В для крупной бытовой техники в домах США
   • Обычные розетки на 120 В в США разделены фазой на 180 °.
2. устаревшая система с 2 источниками, разделенными на 90 ° (а не на 180 °)
3. промышленные, производственные, большие коммерческие и большие жилые (многоквартирные дома)

векторов

В США

• расщепленная фаза, нейтраль с отводом по центру: [нейтраль] [+120 В или 120 В∠0 °] [-120 В или 120 В∠180 °]
  • под напряжением — нейтраль = 120 В, стандартное напряжение (на самом деле 120 ± 6 В, то есть где-то между 114 В и 126 В)
  • фаза — фаза = 240 В, высокое напряжение для бытового использования (электрические печи, электрические сушилки для одежды и т. Д.))
• трехфазный: [нейтраль] [120 В∠0 °] [120 В∠120 °] [120 В∠240 °]
  • фаза — нейтраль = 120 В, стандартное напряжение
  • под напряжением — под напряжением = 120√3 В ≈ 208 В

В напряжение фазы (напряжение источника?) В зависимости от ∆ В напряжение линии (некоторая комбинация фазных напряжений)

примеры

текст

однофазный

Нечего тут сказать?

однофазный, двухфазный

Дома в Северной Америке подключены к двум проводам под напряжением и одному нейтральному проводу.Обычные приборы (лампы, телевизоры, холодильники) получают 120 В при подключении к одному из токоведущих проводов и нейтральному проводу. Энергозатратные приборы (печи, водонагреватели, центральное кондиционирование) получают 240 В при подключении к обоим проводам под напряжением. Розетки для обычных бытовых приборов в здании с питанием от расщепленных фаз имеют сбалансированную конфигурацию, так что половина розеток подключена к одной фазе, а половина — к другой.

текст

V ₀ = 0
V ₁ = V sin (θ + 000 °) = + V sin θ
V ₂ = V sin (θ + 180 °) = — В sin θ

текст

текст

∆ V ₁₀ = V ₁ — V ₀ = + V sin θ
∆ V ₂₀ = V ₂ — V ₀ = — V sin θ
∆ V ₂₁ = V ₂ — V ₁ = 2 V sin θ

текст

2 фазы

Устаревшая система.Оставил в качестве упражнения для читателя?

3 фазы, 3 провода звезда

текст

текст

V ₁ = V sin (θ + 000 °)
V ₂ = V sin (θ + 120 °)
V ₃ = V sin (θ + 240 °)

текст

текст

∆ V ₁₂ = V sin (θ — 060 °)
∆ V ₂₃ = V sin (θ + 090 °)
∆ V ₃₁ = V sin (θ + 210 °)

текст

3 фазы, 4-х проводная звезда

текст

текст

3 фазы, 3 провода, треугольник

текст

текст

3 фазы, 4 провода, треугольник

Стоит ли мне вообще это делать?

физиология

Согласно Руководству по медицинской информации Merck, Second Home Edition

Переменный ток … опаснее постоянного.Постоянный ток имеет тенденцию вызывать сокращение одной мышцы, часто достаточно сильное, чтобы оттолкнуть человека от источника тока. Переменный ток вызывает продолжающееся сокращение мышц, часто не позволяя людям ослабить хватку на источнике тока. В результате воздействие может продлиться. Даже небольшое количество переменного тока — едва достаточное для ощущения легкого шока — может вызвать у человека замерзание хватки. Чуть более сильный переменный ток может вызвать сокращение грудных мышц, что сделает дыхание невозможным.Еще большее количество тока может вызвать смертельный сердечный ритм.

Руководство по медицинской информации Merck, 2004 г.

15.2: Источники переменного тока — Physics LibreTexts

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Объясните разницу между постоянным током (dc) и переменным током (ac)
• Определите характеристики переменного тока и напряжения, такие как амплитуда или пик и частота

Большинство примеров, рассмотренных до сих пор в этой книге, особенно с использованием батарей, имеют источники постоянного напряжения.Таким образом, как только ток установлен, он 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. Переменный ток создается переменной ЭДС, которая генерируется на электростанции, как описано в разделе «Индуцированные электрические поля».Если источник переменного тока периодически меняется, особенно синусоидально, цепь называется цепью переменного тока. Примеры включают коммерческую и бытовую энергетику, которая удовлетворяет многие наши потребности.

Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые на предприятиях и дома, различаются по всему миру. В обычном доме разность потенциалов между двумя сторонами электрической розетки изменяется синусоидально с частотой 60 или 50 Гц и амплитудой 170 или 311 В, в зависимости от того, живете ли вы в США или Европе соответственно.Большинство людей знают, что разность потенциалов для электрических розеток составляет 120 В или 220 В в США или Европе, но, как объясняется далее в этой главе, эти напряжения не являются пиковыми значениями, приведенными здесь, а скорее связаны с обычными напряжениями, которые мы видим в наших электрические розетки. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показаны графики зависимости напряжения и тока от времени для типичных источников постоянного и переменного тока в США.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Напряжение и ток постоянного тока постоянны во времени после установления тока.(б) Напряжение и ток в зависимости от времени сильно различаются для переменного тока. В этом примере, который показывает мощность переменного тока 60 Гц и время t в миллисекундах, напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковое напряжение источников переменного тока сильно различаются.

Предположим, мы подключаем резистор к источнику переменного напряжения и определяем, как напряжение и ток изменяются во времени на резисторе. На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана схема простой схемы с источником переменного напряжения.Напряжение синусоидально колеблется во времени с фиксированной частотой, как показано, либо на клеммах батареи, либо на резисторе. Следовательно, напряжение переменного тока , или «напряжение на вилке», может быть задано как

.

\ [v (t) = V_0 \, \ sin \, \ omega t, \]

где

• \ (v \) — напряжение в момент времени \ (t \),
• \ (V_0 \) — пиковое напряжение, а
• \ (\ omega \) — угловая частота в радианах в секунду.

Для типичного дома в США \ (V_0 = 156 \, V \) и \ (\ omega = 120 \ pi \, rad / s \), тогда как в Европе \ (V_0 = 311 \, V \) и \ (\ omega = 100 \ pi \, рад / с \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Разность потенциалов В, между выводами источника переменного напряжения колеблется, поэтому источник и резистор имеют синусоидальные волны переменного тока друг над другом. Математическое выражение для v дается как \ (v = V_0 \, sin \, \ omega t \).

Для этой простой цепи сопротивления \ (I = V / R \), поэтому переменный ток , то есть ток, который синусоидально колеблется во времени с фиксированной частотой, равен

\ [i (t) = I_0 \, \ sin \, \ omega t, \]

где

• \ (i (t) \) — текущий момент времени \ (t \) и
• \ (I_0 \) — пиковый ток, равный \ (V_0 / R \).

В этом примере говорят, что напряжение и ток синфазны, что означает, что их синусоидальные функциональные формы имеют пики, впадины и узлы в одном и том же месте. Они колеблются синхронно друг с другом, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \). В этих уравнениях и на протяжении всей главы мы используем строчные буквы (такие как \ (i \)) для обозначения мгновенных значений и заглавные буквы (такие как \ (I \)) для обозначения максимальных или пиковых значений.

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 вашим лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект переменного тока.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Если рассматривать европейский источник переменного напряжения, какова разница во времени между переходами через ноль на графике зависимости переменного напряжения от времени?

Решение

10 мс

Авторы и авторство

Сэмюэл Дж.Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — прикладное промышленное электричество

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 на противоположные 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, переменное напряжение будет создаваться на катушках с проволокой, когда этот вал вращается, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. 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:

Рис. 4.3. Работа генератора постоянного тока

. Показанный выше генератор выдает 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 размыканием 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. на валу, 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 обычно 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 катушки 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 прямо противоположен: ток первичной обмотки умножается 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 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 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 двигателей переменного и постоянного тока
• очень точно соответствует принципам конструкции соответствующих генераторов.
• 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 величины 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 как «форму 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 сигнала 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 количества 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 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 сигнала, рассматривая все точки на волне как положительные величины, как если бы форма сигнала выглядела так:

Рис. 4.12 Форма волны, измеренная измерителем «среднего отклика» переменного тока.

Нечувствительные к полярности механические движения счетчика (счетчики, рассчитанные на одинаковую реакцию на положительные и отрицательные полупериоды переменного напряжения или тока) регистрируются пропорционально (практическому) среднему значению формы волны, потому что инерция стрелки относительно напряжения 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. напряжение или ток, приложенные к нему. 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 приводом от двигателя. 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:

Рисунок 4.13. Аналогия постоянного и переменного тока ленточной пилой.

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 проталкивает постоянное напряжение или постоянный ток движется 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 рассеивания тепловой энергии через равное сопротивление:

Рисунок 4.14 Среднеквадратичное напряжение вызывает тот же эффект нагрева, что и такое же напряжение постоянного тока.

Каким образом среднеквадратичное значение (СКЗ) имеет отношение к переменному току?

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, потому что 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 волны.

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 расчетов, 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 волны измеряемого напряжения или тока не является чистой синусоидой, показание измерителя не будет истинным среднеквадратичным значением формы волны, потому что степень отклонения стрелки в аналоговом движении измерителя Д’Арсонваля равна пропорционально среднему значению сигнала, а не среднеквадратичному значению. Калибровка измерителя среднеквадратичного значения получается путем «перекоса» диапазона измерителя так, 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 небольшое кратное, используемое при калибровке измерителя, составляет 1,1107 (форм-фактор: 0,707 / 0,636: отношение среднеквадратичных значений деленное на среднее значение для синусоидального сигнала). Любая форма волны, кроме чистой синусоидальной волны, 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 измерителям 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 любого сигнала с участками равной площади выше и ниже «нулевой» линии на графике равна нулю.Однако в качестве практической меры амплитуды среднее значение сигнала часто вычисляется 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.
• «Среднеквадратичное значение» 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 (пик) 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 волны: от того, точно ли она совпадает с формой волны, используемой при калибровке.
Рис. 4.17. Принципиальная схема однофазной системы электропитания мало что говорит о разводке 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 цепей

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 {10кВт} {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]

В приведенном выше примере 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 дешевая! 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, связанная с силовыми цепями, — опасность поражения электрическим током от высокого напряжения. Опять же, обычно это не то, на чем мы сосредотачиваемся 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. Электрораспределительные 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 повышает эффективность системы за счет снижения 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 разработчики европейских 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 120 В перем. Тока, приводимые в действие источником 240 В перем. 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, что 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 из-за контакта с проводниками конкретной нагрузки, а не из-за 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, как нейтральный провод соединен с заземлением 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 разделенной 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 напряжения переменного тока , 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) одинаковой меткой полярности (-), мы должны выразить их относительные фазовые сдвиги как разнесенные 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 питание 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 функцию синуса 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 приведена 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 опережают , а вторая — отстает от . Фазовый сдвиг, как и напряжение, всегда является измерением относительно двух вещей. На самом деле не существует такой вещи, как форма волны 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 единицах 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.
• Величина фазового сдвига между двумя волнами может быть выражена 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 на — это сигнал, который отстает от другого. Пример:
• Расчеты для анализа цепей переменного тока должны 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 достигают высокого КПД проводников. и — низкий риск безопасности за счет разделения общего напряжения на меньшие части и питания нескольких нагрузок с этими меньшими напряжениями при одновременном потреблении токов 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, соединенных 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 несет 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.Тем не менее, мы добились повышения безопасности, поскольку общее напряжение между двумя «горячими» проводниками на 32 вольт ниже, чем 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 он в любом случае несет 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 находятся 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 при общей массе 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 дает 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 нашем примере схемы мы показали три источника напряжения, соединенные 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 фазовыми углами друг от друга (много «фаз» формы волны напряжения в работе). 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 системы питания, 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 — 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 сигнала 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, существуют некоторые применения 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 фазового сдвига 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 чередование 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 оказывает влияние на несбалансированные 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 вместе три источника напряжения 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 могут создать 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 [/ latex]

[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 подключается 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 («Дельта»):

[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 цепи 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)} [/ latex]

[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 энергосистеме 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 Δ-подключением 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 выходе из строя 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 Δ-подключенной нагрузке два сопротивления испытывают пониженное напряжение, в то время как одно остается на исходном линейном напряжении, 208. Нагрузка, подключенная по схеме Y, постигает еще худшую судьбу (рисунок ниже) с таким же отказом обмотки в схеме с Y-подключением. 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.
• Фазный ток — это ток через любой компонент, содержащий трехфазный источник или нагрузку.
• В симметричных Y-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3, а линейный ток равен фазному току.
• Для цепей «Y»:

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

• В симметричных схемах Δ линейное напряжение равно фазному напряжению, а линейный ток равен фазному току, умноженному на квадратный корень из 3.
• Для цепей Δ («треугольник»):

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

• Трехфазные источники напряжения, подключенные по схеме Δ, обеспечивают большую надежность в случае отказа обмотки, чем источники, подключенные по схеме Y. Однако источники, подключенные по схеме Y, могут выдавать такое же количество энергии при меньшем линейном токе, чем источники, подключенные по схеме Δ.

Переменный ток vs.Постоянный ток: Урок для детей — Видео и стенограмма урока

Постоянный ток

При постоянном токе электроны движутся в одном направлении, от (-) отрицательного к (+) положительному. Это постоянный ток, протекающий непрерывно, пока он не отключится, либо его источник питания не иссякнет, либо не перестанет генерировать энергию.

Постоянный ток протекает по простой цепи.

Допустим, мы рассматриваем цепь с лампочкой.Как уже отмечалось, постоянный ток течет от отрицательного к положительному, а переключатель включения / выключения действует как затвор для этого электронного потока. Когда он включен, цепь замкнута, позволяя электронам течь. Пройдя через выключатель, электроны попадают в лампочку. Нить накала в лампочке загорается, забирая заряд с электронов, которые затем притягиваются к положительной клемме аккумулятора для повторной зарядки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока аккумулятор не разрядится.

Переменный ток

При переменном токе электроны на самом деле не текут, они просто колеблются взад и вперед от отрицательного к положительному и от положительного к отрицательному.Это также не постоянная вибрация, как постоянный поток в постоянном токе. Электроны колеблются во времени или синхронно друг с другом, и это время регулируется путем изменения скорости генератора. Мы называем это электрическое время герц .

В США электричество переменного тока вырабатывается с частотой 60 Гц. Электроны вибрируют и сталкиваются друг с другом, передавая свой заряд с положительного на отрицательный и обратно 60 раз в секунду. Это означает, что когда в цепи, работающей на переменном токе, есть лампочка, через нее не проходит постоянный поток положительно заряженных электронов, как при питании от постоянного тока, поэтому свет тоже непостоянен.Он мигает при каждом цикле переноса заряда электрона со скоростью 60 полных циклов в секунду. Однако это слишком быстро для человеческого глаза, поэтому кажется, что это постоянный свет.

Переменный ток протекает по простой цепи.

переменного тока вырабатывается генератором, и его заряд (отрицательный или положительный) течет в обоих направлениях, как показано синей и красной стрелками на этом изображении. Переключатель и лампочка работают так же, как и в цепи постоянного тока.

Изучая различия в мощности переменного и постоянного тока, это помогает визуализировать происходящее. Как вы можете видеть на иллюстрации, сравнивая их, переменный ток течет синусоидально, чередуя от отрицательного к положительному, а постоянный ток течет в одном направлении от отрицательного к положительному последовательно и в постоянное время.

Проиллюстрирован поток переменного и постоянного тока.

Напряжение

Величина силы, с которой перемещаются электроны, называется напряжением .Многие из наших электрических устройств требуют разного напряжения. Напряжение в сети переменного тока можно легко изменить с помощью трансформатора, что делает этот ток идеальным для электроснабжения наших домов.

Тем не менее, питание постоянного тока позволяет легко переносить электричество с собой в виде батарей, таких как те, которые мы используем в наших мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах, фонариках и даже в наших транспортных средствах, потому что им не нужен очень высокое напряжение.

Краткое содержание урока

Поток электроэнергии имеет два разных пути движения, или токи .Постоянный ток (DC) — это постоянный поток от отрицательного к положительному, в то время как переменный ток (AC) течет в форме волны, которая колеблется с определенной частотой Гц и , что означает, что он циклически изменяется от отрицательного к положительному определенное количество раз в секунду. Напряжение — это сила, используемая для перемещения электрического тока, и может регулироваться трансформаторами переменного тока, но не постоянного.

11.3 Переменный ток | Электродинамика

Объясните преимущества переменного тока.

• Легко быть преобразованный (шаг вперед или уйти, используя трансформатор).
• Легче преобразовать из переменного в постоянный чем от постоянного тока к переменному току.
• Легче сгенерировать.
• Это может быть передан в высокое напряжение и низкое ток в течение длительного времени расстояния с меньшими потеряна энергия.
• Высокий частота, используемая в переменном токе делает его подходящим для моторы.

Какой из следующих графиков правильно показывает текущую vs.время график для генератора переменного тока?

Для генератора переменного тока график зависимости тока от времени представляет собой синусоида и чередуется между положительными и отрицательными значениями.

Для генератора постоянного тока зависимость тока отграфик времени абсолютное значение синусоидальной волны и не чередуется между положительные и отрицательные значения.

Правильный ответ — C.

Запишите выражения для тока и напряжения в цепи переменного тока.

\ begin {align *} я & = I _ {\ max} \ sin (\ text {2} πft + φ) \\ v & = V _ {\ max} \ sin (\ text {2} πft) \ end {выровнять *}

Определите среднеквадратичные (среднеквадратичные) значения тока и напряжения для AC.

Среднеквадратичное значение — это значение, которое мы используем для переменного тока, и это то, что он Эквивалент постоянного тока будет.

\ begin {align *} I_ {rms} & = \ frac {I _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ V_ {rms} & = \ frac {V _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ end {выровнять *}

Какая частота переменного тока генерируется в Южной Африке?

В Южной Африке частота составляет \ (\ text {50} \) \ (\ text {Hz} \)

.

Если \ ({V} _ {\ mathrm {\ max}} \) на генераторе электростанции \ (\ text {340} \) \ (\ text {V} \) Переменный ток, напряжение от сети (среднеквадратичное значение) напряжение) в нашем доме?

\ begin {align *} V_ {rms} & = \ frac {V _ {\ max}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ frac {\ text {340}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {240,42} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Дано: \ (I _ {\ text {max}} \) равно \ (\ text {10} \) \ (\ text {A} \)

Рассчитайте среднеквадратичное значение тока с точностью до двух десятичных знаков.

\ begin {align *} I _ {\ text {rms}} & = \ frac {I _ {\ text {max}}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ конец {выравнивание *} \ begin {выравнивание *} I _ {\ text {rms}} & = \ frac {\ text {10} \ text {A}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {7,07} \ текст {A} \ end {выровнять *}

Следовательно \ (I _ {\ text {rms}} = \ text {7,07} \ text {A} \)

\ (\ текст {7,07} \)

Дано: \ (V _ {\ text {max}} \) равно \ (\ text {266} \) \ (\ text {V} \)

Вычислите среднеквадратичное значение напряжения с точностью до двух десятичных знаков.

\ begin {align *} V _ {\ text {rms}} & = \ frac {V _ {\ text {max}}} {\ sqrt {\ text {2}}} \ конец {выравнивание *} \ begin {выравнивание *} V _ {\ text {rms}} & = \ frac {\ text {266} \ text {V}} {\ sqrt {\ text {2}}} \\ & = \ текст {188,09} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Следовательно \ (V _ {\ text {rms}} = \ text {188,09} \ text {V} \)

\ (\ текст {188,09} \) \ (\ текст {V} \)

Нарисуйте график зависимости напряжения от времени и тока от времени для переменного тока.