Напряжение переменного тока: основные характеристики и особенности

alexxlabРазное
Что такое переменный ток. Какие основные параметры характеризуют напряжение переменного тока. Чем отличается переменное напряжение от постоянного. Какое напряжение в бытовой электросети.

Содержание

Что такое переменный электрический ток

Переменный ток — это электрический ток, который периодически изменяет свое направление и величину. Основные характеристики переменного тока:

  • Периодически меняет направление (полярность)
  • Изменяется по синусоидальному закону
  • Имеет определенную частоту колебаний
  • Характеризуется действующим и амплитудным значением

В отличие от постоянного тока, который течет только в одном направлении, переменный ток меняет направление с определенной частотой, обычно 50 или 60 раз в секунду в бытовых электросетях.

Основные параметры напряжения переменного тока

Напряжение переменного тока характеризуется следующими основными параметрами:

Действующее значение напряжения

Это эквивалентное постоянное напряжение, которое выделяет такое же количество тепла за период, как и переменное. Измеряется в вольтах (В). В бытовой сети действующее напряжение составляет 220-230 В.


Амплитудное значение напряжения

Максимальное мгновенное значение напряжения за период. Для синусоидального напряжения амплитудное значение в √2 ≈ 1,41 раза больше действующего. Для сети 220 В амплитудное напряжение составляет около 311 В.

Частота

Число полных циклов изменения напряжения за 1 секунду. Измеряется в герцах (Гц). В России стандартная частота сети 50 Гц, в США — 60 Гц.

Период

Время одного полного цикла изменения напряжения. Измеряется в секундах. Период обратно пропорционален частоте: T = 1/f.

Формула мгновенного значения напряжения переменного тока

Мгновенное значение синусоидального напряжения в любой момент времени описывается формулой:

u = Um * sin(ωt + φ)

Где: Um — амплитудное значение напряжения ω — угловая частота (ω = 2πf) t — время φ — начальная фаза колебаний

Отличия переменного напряжения от постоянного

Основные отличия переменного напряжения от постоянного:

  • Переменное напряжение периодически меняет полярность, постоянное — нет
  • Переменное напряжение характеризуется действующим и амплитудным значением, постоянное — только одним значением
  • Переменное напряжение имеет частоту, постоянное — нет
  • Переменное напряжение легче трансформировать, передавать на большие расстояния
  • Для переменного напряжения характерны реактивные сопротивления (емкостное, индуктивное)

Почему в бытовой электросети используется переменное напряжение

В бытовой электросети используется переменное напряжение по следующим причинам:


  • Его проще и дешевле вырабатывать на электростанциях
  • Переменное напряжение легко трансформировать, повышая для передачи на большие расстояния
  • При высоком напряжении снижаются потери при передаче электроэнергии
  • Переменный ток проще коммутировать и распределять
  • Многие бытовые приборы эффективнее работают на переменном токе

Стандартные значения напряжения в электросети

Стандартные значения напряжения в бытовой электросети в разных странах:

  • Россия, Европа: 220-230 В, 50 Гц
  • США, Канада: 120 В, 60 Гц
  • Япония: 100 В, 50/60 Гц

В трехфазных сетях линейное напряжение составляет:

  • Россия, Европа: 380-400 В
  • США, Канада: 208-240 В

Как измеряется напряжение переменного тока

Для измерения напряжения переменного тока используются следующие приборы:

  • Мультиметры — измеряют действующее значение напряжения
  • Вольтметры переменного тока — показывают действующее значение
  • Осциллографы — позволяют наблюдать форму сигнала и измерять амплитуду
  • Анализаторы качества электроэнергии — измеряют различные параметры напряжения

При измерении важно учитывать, что большинство приборов показывают действующее значение напряжения, а не амплитудное.


Влияние частоты на характеристики цепи переменного тока

Частота переменного тока оказывает существенное влияние на характеристики электрической цепи:

  • С ростом частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушек
  • Емкостное сопротивление конденсаторов уменьшается с увеличением частоты
  • На высоких частотах проявляется скин-эффект, увеличивающий активное сопротивление проводников
  • Частота влияет на потери в магнитопроводах трансформаторов и двигателей

Поэтому при проектировании устройств переменного тока важно учитывать рабочую частоту и ее влияние на параметры цепи.


Военно-техническая подготовка

1.3. Переменный ток


1.3.1. Параметры сигналов переменного тока.

Величина переменного тока, как и напряжения, постоянно меняется во времени. Количественными показателями для измерений и расчётов применяются их следующие параметры:

Период T — время, в течении которого происходит один полный цикл изменения тока в оба направления относительно нуля или среднего значения.

Частота f — величина, обратная периоду, равная количеству периодов за одну секунду.

Один период в секунду это один герц (1 Hz)

,

Циклическая частота ω — угловая частота, равная количеству периодов за 2π секунд.

,

Обычно используется при расчётах тока и напряжения синусоидальной формы. Тогда в пределах периода можно не рассматривать частоту и время, а исчисления производить в радианах или градусах. T = 2π = 360°

Начальная фаза ψ — величина угла от нуля ( ωt = 0) до начала периода. Измеряется в радианах или градусах. Показана на рисунке для синего графика синусоидального тока.

Начальная фаза может быть положительной или отрицательной величиной, соответственно справа или слева от нуля на графике.

Мгновенное значение — величина напряжения или тока измеренная относительно нуля в любой выбранный момент времени t

.

,

Последовательность всех мгновенных значений в любом интервале времени можно рассмотреть как функцию изменения тока или напряжения во времени.

Например, синусоидальный ток или напряжение можно выразить функцией:

,

С учётом начальной фазы:

,

Здесь I amp и U amp — амплитудные значения тока и напряжения.

Амплитудное значение

— максимальное по модулю мгновенное значение за период.

,

Может быть положительным и отрицательным в зависимости от положения относительно нуля.

Часто вместо амплитудного значения применяется термин амплитуда тока (напряжения) — максимальное отклонение от нулевого значения.

Среднее значение (avg) — определяется как среднеарифметическое всех мгновенных значений за период T .

,

Среднее значение является постоянной составляющей DC

напряжения и тока.

Для синусоидального тока (напряжения) среднее значение равно нулю.

Средневыпрямленное значение — среднеарифметическое модулей всех мгновенных значений за период.

,

Для синусоидального тока или напряжения средневыпрямленное значение равно среднеарифметическому за положительный полупериод.

,

Среднеквадратичное значение (rms) — определяется как квадратный корень из среднеарифметического квадратов всех мгновенных значений за период.

,

Для синусоидального тока и напряжения амплитудой

Iamp ( Uamp ) среднеквадратичное значение определится из расчёта:

,

Среднеквадратичное — это действующее, эффективное значение, наиболее удобное для практических измерений и расчётов. Является объективным количественным показателем для любой формы тока.

В активной нагрузке переменный ток совершает такую же работу за время периода, что и равный по величине его среднеквадратичному значению постоянный ток.

.


1.3.2. Виды модуляции сигналов.

Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Пусть

S ( t ) — информационный сигнал, | S ( t ) < 1 |,

Uc ( t ) — несущее колебание.

Тогда амплитудно-модулированный сигнал Uam ( t ) может быть записан следующим образом:

(1)

Здесь m — некоторая константа, называемая коэффициентом модуляции. Формула (1) описывает несущий сигнал U c ( t ) , модулированный по амплитуде сигналом S ( t ) с коэффициентом модуляции m . Предполагается также, что выполнены условия:

,

Выполнение условий (2) необходимо для того, чтобы выражение в квадратных скобках в (1) всегда было положительным. Если оно может принимать отрицательные значения в какой-то момент времени, то происходит так называемая перемодуляция (избыточная модуляция). Простые демодуляторы (типа квадратичного детектора) демодулируют такой сигнал с сильными искажениями.

Амплитудной модуляции свойственны следующие существенные недостатки:

1) приему амплитудно-модулированных сигналов сильно мешают индустриальные и атмосферные помехи;

2) в процессе модуляции лампа используется по мощности полностью только при подаче максимального мгновенного модулирующего напряжения, а во все остальное время она недоиспользуется.

Эти недостатки в значительной степени устраняются при частотной и фазовой модуляции.

Рис 1. Амплитудная модуляция с различным коэффициентом модуляции.

Рис 2. Спектр АМ колебания.

Частотная модуляция — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

Основными характеристиками частотной модуляции являются девиация (отклонение) и индекс модуляции .

Девиация частоты (frequency deviation) – наибольшее отклонение значения модулированного сигнала от значения его несущей частоты. Единицей девиации частоты является герц (Hz), а также кратные ему единицы.

Индекс модуляции (modulation index) – отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.

Колебание называют частотно-модулированным (ЧМ), если частота его изменяется пропорционально передаваемому колебанию (например звуковому) S(t). Следовательно, угловая частота такого колебания должна равняться:

,

где ω 0 и a — некоторые постоянные, которые выбираются так, чтобы частота ω изменялась в желаемых пределах.

Рис 3. Пример частотной модуляции по линейному закону.

Рис 4. Пример частотной модуляции. Вверху — информационный сигнал на фоне несущего колебания. Внизу — результирующий сигнал.

Фазовая модуляция — вид модуляции, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом. Фазомодулированный сигнал s(t) имеет следующий вид:

,

где g(t) — огибающая сигнала; φ ( t ) является модулирующим сигналом; f c — частота несущего сигнала; t — время.

Фазовая модуляция, не связанная с начальной фазой несущего сигнала, называется относительной фазовой модуляцией (ОФМ).

Рис 5. Пример фазовой модуляции — двоичная фазовая модуляция BPSK.

Рис 6. AM,FM модуляции.


1.3.3. Особенности цепей переменного тока.

Переменный ток изменяется во времени по синусоидальному закону. Время, за которое совершается полный цикл изменений по величине и направлению, называется периодом. При векторном изображении синусоиды вектор периодически описывает угол а, равный 360° или в дуговом (радианном) измерении равный 2π. Следовательно, первый полупериод оканчивается при α = π, а первое максимальное значение синусоида принимает при π/2. Время, за которое вектор описывает угол 2π [рад], называется периодом и обозначается буквой Т. Число периодов в секунду называется частотой и обозначается буквой f.

Отсюда

[1/сек] ,

За единицу частоты принят герц (гц). Частота промышленной сети переменною тока обычно равна 50 гц.

В теории переменного тока часто приходится иметь дело с круговой частотой

[1/сек] ,

В течение периода переменный ток, изменяющийся. по синусоидальному закону, достигает максимального значения 2 раза (при π/2 и Зπ/2). Максимальное значение тока или напряжения обозначают соответственно буквами Iмакс и, Uмакс. Действующее значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который, проходя через сопротивление, выделяет в нем (за одинаковое время с переменным током) равное количество тепла:

,

.

Следует иметь в виду, что, например, при расчете токовой нагрузки проводов принимается во внимание действующее значение тока. Это положение во многих случаях распространяется и на напряжение. Лишь при расчете изоляции на пробой необходимо учитывать максимальное (мгновенное) значение напряжения, так как пробой может произойти во время прохождения напряжения через максимум. На шкалах измерительных приборов указываются, как правило, действующие значения тока или напряжения.

Резистор в цепи переменного тока

.

Здесь через IR обозначена амплитуда тока, протекающего через резистор. Связь между амплитудами тока и напряжения на резисторе выражается соотношением

Фазовый сдвиг между током и напряжением на резисторе равен нулю.

Физическая величина R называется активным сопротивлением резистора .

Конденсатор в цепи переменного тока

,

.

Соотношение между амплитудами тока IC и напряжения UC :

.

Ток опережает по фазе напряжение на угол π/2.

Физическая величина

называется емкостным сопротивлением конденсатора .

Катушка в цепи переменного тока

,

.

Соотношение между амплитудами тока IL и напряжения UL :

.

Ток отстает по фазе от напряжения на угол π/2.

Физическая величина XL = ω L называется индуктивным сопротивлением катушки .

каким символом обозначается на электроустановках

Содержание:

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

  • сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
  • мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
  • частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Что такое переменный ток

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Что такое постоянный ток

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

В чем заключается принцип работы переменного тока

Английская аббревиатура АС (Alternating Current) обозначает ток, меняющий на временных отрезках свое направление и величину. Отрезок синусоиды «~» – его условная маркировка на приборах. Применяется также нанесение после этого значка и других характеристик.

Ниже приведен рисунок с главными характеристиками данного вида тока – номинальными показателями частоты и действующего напряжения.

Следует отметить особенности изменения на левом графике, выполненном для однофазного тока, величины и направления напряжения с осуществлением перехода на ноль за определенный промежуток времени Т. На одну треть периода выполняется смещение трех синусоид при трехфазном токе на другом графике.

Отметками «а» и «б» обозначены фазы. Любой из нас имеет представление о наличии в обычной розетке 220В. Но для многих будет открытием, что максимальное или именуемое по-другому амплитудным значение больше действующего на величину равную корню из двух и составляет 311 Вольт.

Очевидно, что в случае с током постоянного вида параметры направления и напряжения остаются неизменными, а вот для переменного наблюдается трансформация данных величин. На рисунке обратное направление – это область графика ниже нуля.

Переходим к частоте. Под этим понятием подразумевают отношение периодов (полных циклов) к условной единице временного отрезка меняющегося тока. Данный показатель измеряется в Герцах. Стандартная европейская частота – 50, в США применяемый норматив – 60Г.

Эта ве6личина показывает количество изменений направления тока за одну секунду на противоположное и возвращение в исходное состояние.

Переменный ток присутствует при прямом подключении приборов потребления к электрощитам и в розетках. По какой причине здесь отсутствует постоянный ток? Это сделано для того, чтобы получить возможность без особых потерь получать нужное напряжение в любом количестве способом применения трансформаторов. Эта методика остается лучшим способом передавать электроэнергию в промышленных масштабах на значительные расстояния с минимальными потерями.

Номинальное напряжение, которое подается мощными генераторами электростанций, на выходе составляет порядка 330 000-220 000 Вольт. На подстанции, расположенной в зоне потребления, происходит трансформация данной величины до показателей 10 000В с переходом в трехфазный вариант 380 Вольт. Выполняется подача в отдельный дом и на вашу квартиру попадает напряжение однофазного типа. Напряжение между нулем и фазой составит 220 В, а в щите между разными фазами подобный показатель равняется 380 Вольт.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.


Закон Ома

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.


Схема описания физического смысла

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.


Формулы колебаний

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.


Синусоидальная функция

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.


Регулятор переменного напряжения

Отличие между переменным и постоянным напряжением

Разница между двумя этими величинами не только в названии. Все зависит от вида тока. В обычной розетке дома ток переменный. Это значит, что направление движения заряженных частиц в нем постоянно изменяется. Более того, у переменных токовых сил разная частота и напряжение. Например, в розетке на 220 вольт обычная частота равна 50 Гц, что означает смену направления движения электронов и их зарядов 50 раз в секунду. Напряжение в этом плане означает максимальную скорость, с которой движутся электроны по цепи.


Постоянная и переменная характеристики

Еще одно отличие изменчивого направления движения частиц и, как следствие, напряжения от постоянного, в том, что в нем постоянно изменяется заряд. Значение U в такой сети бывает равно то 100 %, то 0 %. Если оно всегда было полным, то потребовался бы провод очень большого диаметра.

Постоянное же направление – это ток, который не изменяет координаты своего движения. Его можно наблюдать в аккумуляторах и батареях. Попадает он туда через зарядное устройство, конвертирующее любой поток из розетки в постоянный.


Противофаза

Какой ток в розетке – постоянный или переменный

Люди, мало-мальски знакомые с электротехникой, без труда ответят на вопрос о том, какой ток в розетке. Конечно же переменный. Этот вид электричества гораздо проще производить и передавать на большие расстояния, а потому выбор в пользу переменного тока очевиден.

Существует два вида тока — постоянный и переменный. Чтобы понять разницу и определить, постоянный или переменный ток находится розетке, следует вникнуть в некоторые технические особенности. Переменный ток имеет свойство изменяться по направлению и величине. Постоянный же ток обладает устойчивыми качествами и направлением передвижения заряженных частиц.

Переменный ток выходит из генераторов электростанции с напряжением, составляющим 220–440 тысяч вольт. При подходе к многоквартирному зданию ток уменьшается до 12 тысяч вольт, а на трансформаторной станции преобразуется в 380 вольт.

Совет

Напряжение между фазами именуют линейным. Низковольтный участок понижающей подстанции выдает три фазы и нулевой (нейтральный) провод. Подключение энергопотребителей осуществляется от одной из фаз и нулевого провода.

Таким образом, в здание заходит переменный однофазный ток с напряжением 220 вольт.

Схема распределения электроэнергии между домами представлена ниже:

В жилище электричество поступает на счетчик, а далее — через автоматы на коробки каждого помещения. В коробках имеется разводка по комнате на пару цепей — розеточную и осветительной техники.

Автоматы могут предусматриваться по одному для каждого помещения или по одному для каждой цепи.

С учетом того, на сколько ампер рассчитана розетка, она может быть включена в группу или быть подключенной к выделенному автомату.

Переменный ток составляется примерно 90% всей потребляемой электроэнергии. Столь высокий удельный вес вызван особенностями этого вида тока — его можно транспортировать на значительные расстояния, изменяя на подстанциях напряжение до нужных параметров.

Источниками постоянного тока чаще всего являются аккумуляторные батареи, гальванические элементы, солнечные панели, термопары.

Постоянный ток широко используется в локальных сетях автомобильного и воздушного транспорта, в компьютерных электросхемах, автоматических системах, радио- и телевизионной аппаратуре.

Постоянный ток применяется в контактных сетях железнодорожного транспорта, а также на корабельных установках.

На схеме, представленной ниже, показаны принципиальные отличия между постоянным и переменным токами.

Параметры домашней электрической сети

Основными параметрами электричества являются его напряжение и частота. Стандартное напряжение для домашних электросетей — 220 вольт. Общепринятая частота — 50 герц. Однако в США используется другое значение частоты — 60 герц. Параметр частоты задается генерирующим оборудованием и является неизменным.

Напряжение в сети конкретного дома или квартиры может быть отличным от номинала (220 вольт). На данный показатель влияет техническое состояние оборудования, сетевые нагрузки, загруженность подстанции. В результате напряжение может отклоняться от заданного параметра в ту или другую сторону на 20–25 вольт.

Токовая нагрузка

Все розетки имеют определенную маркировку, по которой можно судить о допустимой токовой нагрузке. Например, обозначение «5A» указывает на максимальную силу тока в 5 ампер. Допустимые показатели следует соблюдать, поскольку в противном случае возможен выход оборудования из строя, в том числе его возгорание.

Маркировка на розетках показана на рисунке внизу:

Ко всем легально продаваемым электроприборам прилагается паспорт, где указана потребляемая мощность или номинал токовой нагрузки.

Крупнейшими потребителями электроэнергии являются такие электробытовые приборы, как кондиционеры, микроволновые печи, стиральные машины, кухонные электроплиты и духовки.

Таким приборам для нормальной работы понадобится розетка с нагрузкой не меньше 16 ампер.

Обратите внимание

Если же в документации к электробытовой технике отсутствуют сведения о потребляемых амперах (сила тока в розетке), определение нужных величин осуществляется по формуле электрической мощности:

Показатель мощности имеется в паспорте, напряжение сети известно. Чтобы определить потребление электричества, нужно показатель мощности (указывается только в ваттах) разделить на величину напряжения.

Откуда берется напряжение

Чтобы подать электричество в розетку, необходимо его как-то сгенерировать. Для  выработки электроэнергии до сих пор в большинстве применяются технологии конца 19 века – электромагнитная индукция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Проще говоря – генераторы. Различие генераторов  лишь в том, каким образом подают механическую энергию. Раньше это были громоздкие паровые машины. Со временем добавились гидротурбины для проточной воды (гидроэлектростанции) , двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы.

Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор — это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора


Принцип работы ТЭС

либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток


Принцип работы ГЭС

Ну или это может быть даже ветряк


Ветряная электростанция

Короче говоря, принцип везде один и тот же.

Кстати, ядерный реактор не способен самостоятельно выработать энергию. По сути, атомная энергоустановка является тем же самым примитивным паровым котлом, где рабочим телом является обыкновенный пар. Да, нынче существуют иные способы генерации электричества, на вроде тех же самых солнечных элементов, бетагальванических и изотопных ядерных батарей, «мифических»  токомаков.  Однако, вышеперечисленный «хайтэк» имеет существенные ограничения – запредельная стоимость материалов ,монтажа и наладки, габариты и малый кпд. Потому, всерьёз рассматривать всё это в качестве полноценной электростанции большой мощности не стоит (по крайней мере в ближайшие пару десятков лет).

Экскурс в историю

Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?

Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.

Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.

Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый  стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.



формула напряжения

где

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

q — заряд, Кулон

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.



напряжение из закона Ома

где

I — сила тока, Амперы

R — сопротивление, Омы

Напряжение тока — что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).

В чём разница переменного и постоянного тока

Общее понятие электрического тока можно выразить как движение различных заряженных частиц (электронов, ионов) в некотором направлении. А его величину охарактеризовать числом заряженных частиц, которые прошли через проводник за определенный промежуток времени.

Если величина заряженных частиц в 1 кулон проходит через определенное сечение проводника за время в 1 секунду, тогда можно говорить о силе тока в 1 ампер протекающего через проводник. Таким образом определяется количество ампер или сила тока. Это общее понятие тока. А теперь рассмотрим понятие переменного и постоянного тока и их различие.

Постоянный электрический ток по определению — это ток, который течёт только в одном направлением и не меняет его со временем. Переменный ток характерен тем, что меняет свое направление и величину со временем. Если графически постоянный ток отображается как прямая линия, то переменный ток течет по проводнику по закону синуса и графически отображается как синусоида.


Графическое изображение постоянного тока

Так как переменный ток меняется по закону синусоиды, то он имеет такие параметры как период полного цикла, время которого обозначается буквой Т. Частота переменного тока обратна периоду полного цикла. Частота переменного тока выражается числом полных периодов в определенный промежуток времени (1 сек).


Графическое изображение переменного тока

Таких периодов в нашей электросети переменного тока равно 50, что соответствует частоте 50 Гц. F = 1/Т, где период для 50 Гц равен 0,02 сек. F =1/0,02 = 50 Гц. Обозначается переменный ток английскими буквами AC и знаком «~». Постоянный ток имеет обозначение DC и значок «-». Кроме того переменный ток может быть однофазным или многофазным. В основном используется трехфазная сеть.

Обобщенные определения

Физический процесс, при котором заряженные частицы движутся упорядоченно (направленно), называется электротоком. Его принято разделять на переменный и постоянный. У первого направление и величина остаются неизменными, а у второго эти характеристики меняются по определенной закономерности.

Приведенные определения сильно упрощены, хотя и объясняют разницу между постоянным и переменным электротоком. Для лучшего понимания, в чем заключается это различие, необходимо привести графическое изображение каждого из них, а также объяснить, как образуется переменная электродвижущая сила в источнике. Для этого обратимся к электротехнике, точнее ее теоретическим основам.

Преимущества переменного тока

Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.

Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.

Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.

Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.

Недостатки переменного тока

  1. Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.

Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.

  1. Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.

Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.

Предыдущая

РазноеЭнергия конденсатора

Следующая

РазноеАвтоматические выключатели

Электрические величины. Напряжение, ток, мощность. Переменный и постоянный ток, полярность.

Содержание

Электричество – это движение электронов по проводам. Ток – это скорость движения электронов, измеряемая в Амперах, напряжение – сила заставляющая их двигаться, измеряемая в Вольтах. Для того, чтобы ток протекал в цепи, она должна быть замкнута и в ней должен присутствовать источник электрического напряжения. Вот почему любое устройство подключается к сети как минимум двумя проводами, а каждая батарейка имеет как минимум два контакта. Любой проводник, либо электроприбор, включенный в сеть, создает в цепи сопротивление движению электронов, измеряемое в Омах. Чем меньше напряжение и больше сопротивление, тем меньше будет ток. Это и есть главный закон электричества – закон Ома. Записывается он следующим образом:

Рисунок 1 — Закон Ома.

Наглядно можно представить себе закон Ома в виде трех граждан с характером:

Рисунок 2 — Закон Ома (наглядное представление).

Ток и напряжение бывают как постоянными, так и переменными.
Постоянное напряжение всегда направлено в одну сторону, соответственно и ток будет всегда направлен туда же. Для постоянного тока характерна полярность, обозначаемая значками «+» и «-». Полярность обозначает направление протекания тока, и для многих устройств, включая светодиоды, это направление очень важно не перепутать. Постоянное напряжениеочень удобно в плане хранения, поэтому трудится оно в автомобилях и во всех портативных устройствах на батарейках и аккумуляторах. А вот передача на большие расстояние постоянного напряжения невозможна из-за слишком больших потерь.

Рисунок 3 — Постоянный ток.

И вот в этом, нам на помощь приходит переменное напряжение. Оно названо так, потому что меняет свое направление много раз в секунду (50 раз в обычной российской розетке), соответственно и ток тоже будет протекать то в одну, то в другую сторону. У такого тока нет полярности, а провода обозначаются как «L» и «N». Переменное напряжение удобно для его выработки при помощи различных генераторов, передачи на любые расстояния, повышения или понижения при помощи обычных трансформаторов. Его можно встретить в любом доме, магазине и офисе, в каждой розетке, в линиях электропередач.

Рисунок 4 — Переменный ток.

Каждый электрический прибор имеет мощность, которая измеряется в Ваттах (Вт). Чем больше ток и напряжение, тем больше мощность. Рассчитать ее можно по формуле:

Рисунок 5 — Формула мощности.

Как видим из формулы, это произведение напряжения и тока, а значит при одинаковой мощности, лампочка на 100Вт в автомобиле при 12В питания, будет потреблять гораздо больший ток, чем 10Вт лампочка на 220В в домашней люстре.
Соединяя формулу мощности и закон Ома, мы получим еще две удобные формулы для вычисления мощности при известном сопротивлении нагрузки:

Рисунок 6 — Формула вычисления мощности.Рисунок 7 — Формула вычисления мощности.

Тэги:

#основы #вольты_и_ватты

  • Почему постоянный ток не используется в городских электросетях?
  • Что обозначают метки + и – у батарейки?
  • У вас есть блок питания 12В 200Вт. Какой ток он способен отдавать в цепь? А блок на 24В 200Вт?
  • У вас есть батарейка на 3В, и вы подключили к ней резистор с сопротивлением 10 Ом. Какой ток потечет через резистор? Какая мощность будет на нем выделяться?

06.03.2022

Светодиодные модули. Устройство. Виды модулей. Монтаж и подключение

Освещение в квартире

06.03.2022

ТОП 6 идей по использованию светодиодной ленты SWG в интерьере

Освещение в квартире

06.03.2022

220В лента, особенности подключения и монтажа

Освещение в квартире

06.03.2022

Освещение для большого офиса в центре Москвы: подбор и особенности

Освещение в квартире

06.03.2022

НЕСКУЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ ЗАГОРОДНОГО ДОМА

Освещение в квартире

06.03.2022

ОСВЕЩЕНИЕ ФИТНЕС ЦЕНТРА

Освещение в квартире

06.02.2022

Почему нет бина на RGB ленте?

Освещение в квартире

04.29.2022

Сколько светильников нужно в офис, размеры которого заставляют сотрудников ездить на самокатах?

Вопрос-ответ

04. 29.2022

Традиционные источники света (лампы). Их питание и диммирование

Освещение в квартире

04.28.2022

Сценарии освещения в лаборатории

Освещение в квартире

04.28.2022

Слои освещения на примере кухонной зоны

Освещение в квартире

04.27.2022

Блоки питания. Требования по безопасности, особенности подключения и монтажа

Освещение в квартире

  • Спасибо,
    ваша заявка принята!

  • Подписаться на рассылку

    Ваш e-mail*

    Согласен на обработку персональных данных

    Спасибо,
    за подписку!

    • Новый универсальный подход к защите сетей переменного тока

    Перенапряжение, вызванное разрядами молний, и сбои в электросети переменного тока могут оказывать пагубное воздействие на широкий ряд электронного оборудования. Ущерб, полученный в результате перенапряжения и перегрузок по току, приводит к дорогостоящим простоям оборудования и затратам на ремонт, снижает доверие потребителей к производителю. Необходим новый подход к защите входного питания по переменному току, который обеспечит интеграцию надежной схемы защиты. При этом помехи в режиме нормальной работы приложения должны быть минимальными, чтобы уменьшить износ компонентов и продлить срок службы оборудования.

    Мы рассмотрим методологию скоординированной защиты цепей, в которой используется новые гибридные защитные устройства. В статье описываются специальные функции в новом универсальном решении по защите питания по переменному току, а также результаты лабораторных испытаний Bourns по моделированию выбросов в электросети переменного тока и при разрядах молний. мы приведем несколько примеров приложений, в которых обеспечивается новый уровень защиты, позволяющий в максимальной мере повысить надежность и сократить время простоя.

    Анализ защиты цепей переменного тока с использованием металлооксидных варисторов (MOV) диаметром 14 и 20 мм показал, что полная защита сети достигается путем такой координации группы защитных компонентов, когда каждый из них защищает находящиеся поблизости компоненты (см. рис. 1).


    Рис. 1. Вольтамперные характеристики компонентов универсальной защиты по переменному току и варисторов

    Требования к функциям универсальной защиты по переменному току

    К настоящему времени не появилось универсальное решение для защиты от перегрузки по току и перенапряжения. Такое решение с максимально полной защитой по напряжению независимо от величины бросков входного напряжения позволило бы смягчить требования к расчетным допускам и связанные с этим затраты на компоненты последующих цепей. Идеальный подход к защите цепи требует автоматического сброса в каждом полупериоде, чтобы при необходимости обеспечивалась непрерывная защита. для универсальной защиты источника переменного тока от перенапряжения защитное устройство должно ограничивать пропускание мощности для предотвращения возгорания в случае отказа или повреждения компонента.

    В соответствии с этими требованиями компания Bourns разработала новое гибридное защитное устройство IsoMOV. Это решение по самозащите работает в комбинации с sMD-предохранителями singl Fuse от Bourns, высокоскоростным защитным (HSP) устройством TBU и компонентами тиристорного устройства защиты от перенапряжения (TISP). Такой комплексный подход, обеспечивающий защиту оборудования при питании переменным током от выбросов, скачков и перенапряжения, в полной мере подходит для критически важных приложений, где недопустим отказ или обслуживание затруднено. защитная схема, в которой применяется компонент IsoMOV от Bourns, позволяет повысить надежность, улучшить время безотказной работы системы и гарантийное обслуживание, а также уменьшить расходы в течение жизненного цикла.

    Принцип работы защитной схемы.

    На рисунке 2 показана схема защиты. Сетевое питание подается на левый порт, а защищаемое оборудование подключается к правому порту. Проследим работу схемы в направлении справа налево, начав с TISP-устройства.


    Рис. 2. Диаграмма цепи универсальной защиты переменного тока

    Устройство TISP представляет собой тиристор, который срабатывает, если напряжение на защищаемой нагрузке превышает номинальное напряжение пробоя. при выборе TISP-устройства следует понимать, что его напряжение пробоя сыграет ключевую роль в предотвращении повреждений, вызванных чрезмерным напряжением в защищаемой цепи. Напряжение пробоя позволяет точно подобрать максимальное напряжение, необходимое для защиты той или иной цепи. Ниже рассматриваются рабочие режимы универсальной схемы защиты от сети переменного тока.

    1. Если бросок напряжения вызовет срабатывание TISP-устройства, закоротится линия переменного тока. избыточный потребляемый ток переведет высокоскоростное защитное устройство TBU от Bourns в состояние блокировки. при блокировании этим устройством чрезмерного тока нагрузка и TISP-устройство, по сути, отключаются от линии переменного тока во избежание повреждений.

    2. При блокировке тока высокоскоростным защитным TBU-устройством входное напряжение продолжает расти, пока не сработает гибридное защитное устройство IsoMOV от Bourns, чтобы ограничить напряжение величиной максимального номинального напряжения блокировки HSP TBU-устройства.

    3. Если напряжение продолжит увеличиваться, пока ток через устройство IsoMOV не превысит номинальное значение броска напряжения устройства, устройство SinglFuse от Bourns разомкнется и необратимо отключит цепь от линии переменного тока.

    Если защищаемой нагрузке потребуется ток, превышающий ток срабатывания HSP TBU-устройства, оно перейдет в состояние блокировки, и схема вернется в прежний рабочий режим (шаги 2 и 3). Когда входное напряжение переменного тока принимает нулевое значение, схема возвращается в исходное состояние и может либо возобновить нормальную работу (что обычно происходит в случаях появления перенапряжения, вызванного разрядом молнии), либо снова отключится в следующем полупериоде (обычно в случаях выбросов напряжения).

    При разработке подобной схемы защиты сетей с переменным напряжением 220 в необходимо учесть ряд дополнительных ограничений. Как известно, напряжение ограничения варистора существенно зависит от тока. Эта зависимость сохраняется и у гибридных устройств IsoMOV от компании Bourns. Схемотехнический подход, представленный на рисунке 2, должен быть немного видоизменен.

    Как правило, для защиты от сетей 220 в от перенапряжения применяются варисторы или гибриды IsoMOV с рабочим напряжением 275-300 В. При прохождении тестов согласно стандарту IEC61000-4-5 в сеть подается импульс 4 кВ через сопротивление 2 Ом, что обеспечивает ток величиной 2 кА(форма импульса: 8/20 мкс). Лучший варистор и IsoMOV при таком уровне тока ограничит напряжение на уровне 850-900 В, что может оказаться критичным для применения TBU c максимальным импульсным напряжением 850 В (см. ВАХ варистора MOV-14D471K на рисунке 3). Потребуется заменить тиристор в выходном каскаде с шунтирующей характеристикой на ограничивающий TVs-диод 430-450 В, например в корпусе SMCJ, благодаря чему напряжение ограничится уровнем 700 В (макс.).


    Рис. 3. ВАХ варистора MOV-14D471K

    Если оставить тиристор в выходном каскаде, то тогда при его срабатывании все напряжение приложится к TBU и оно может выйти из строя. Следовательно, в выходном каскаде сетей 220 В требуется ограничивающий (TVs-диод, варистор), а не закорачивающий компонент, как тиристор.

    На рисунке 4 показана реакция схемы на бросок напряжения в сети переменного тока. TISP-устройство активируется при напряжении около 220 В. Это типичное значение, выбранное для сетей электропитания с номинальным напряжением 120 В AC. Напряжение выброса задается равным 200 В AC. Входное и выходное напряжения отслеживаются, пока не сработает TISP-устройство, после чего напряжение нагрузки падает до нуля в оставшейся части каждого полупериода. Далее мы увидим, что протестированные нами нагрузки защищенных импульсных источников питания (SMPS) продолжали работать при этих бросках напряжения.


    Рис. 4. Принцип работы универсальной защиты питания при выбросах напряжения в сети переменного тока

    На рисунке 5 показана реакция схемы на смоделированный согласно IEC 61000-4-5 импульс разряда молнии величиной 6000 в с длительностью 8×20 мкс по разным уровням. Такие выбросы длятся всего около 50 мкс. Продолжительность переходных процессов при коммутации и других импульсоподобных помехах в электросетях, как правило, меньше. Заметим, что эти тесты не проводились в сети переменного тока. На практике TBU-устройства, перешедшие в состояние блокировки из-за разряда молнии или в результате другого переходного процесса, остаются в этом состоянии до тех пор, пока напряжение линии электропередачи не примет следующее нулевое значение.


    Рис. 5. Реакция схемы на переходный процесс при разряде молнии; напряжение: 6 кВ; длительность по разным уровням: 8×20 мкс

    Из осциллограммы на рисунке 4 видно, что входное напряжение ограничено устройством IsoMOV от Bourns величиной около 400 В. Генератор получает ток от конденсатора, заряженного до 6000 В. Следовательно, управляющее напряжение составляет 6000 В — 400 В = 5600 В. Поскольку характеристический импеданс генератора равен 2 Ом, расчетный пиковый ток равен 2800 А.

    На рисунке 6 показана осциллограмма того же сигнала, что и на рисунке 5, но во временном масштабе 1 мкс/дел, что соответствует 10-кратному увеличению изображения переходного процесса, возникшего в результате разряда молнии. Вид сигнала в канале 4 показывает реакцию TISP-устройства на перенапряжение. В этих измерениях явно присутствует звон. Звон в канале 1, главным образом, вызван переключением генератора импульсов, взаимодействующего с высоковольтным пробником. Заметим, что в канале 4 (при защищенной нагрузке) звон не наблюдается. Кроме того, некоторый звон в канале 1 являются реакцией трансформатора, управляющего напряжением переменного тока, когда TBU-устройство внезапно переключается в состояние блокировки.


    Рис. 6. Более полное представление осциллограммы переходного процесса в схеме в результате разряда молнии 6 кВ, 8×20 мкс

    Из этого теста можно сделать вывод, что в случае довольно-таки сильного разряда молнии пиковое напряжение, испытываемое защищаемой нагрузкой, составляет всего около 230 В.

    Приложение: выбросы напряжения в уличной системе освещения

    Уровень мощности 150-Вт уличного светодиодного светильника с импульсным преобразователем и функцией регулировки яркости задан равным 50 Вт.

    На рисунке 7 показаны сигналы напряжения и тока от электросети 120 В АС. Ток светильника имеет почти синусоидальную форму; при этом потребляемая им мощность между нулевыми точками тока и напряжения невелика. Нагрузка мала и имеет емкостной характер. Пиковое потребление тока составляет примерно 600 мА.


    Рис. 7. Напряжение и сила тока уличного светильника при мощности 50 Вт в электросети 120 В АС

    На рисунке 8 показан светильник при той же мощности и напряжении питания 277 В АС. В светильник установлена схема защиты (с использованием того же 220-В TISP-устройства). Видно, что питание светильника прекращается при напряжении около 210 В. При тестировании приложения в лаборатории Bourns наблюдался небольшой звон в линии переменного тока — так отреагировала индуктивность лабораторного силового трансформатора на внезапную блокировку тока TBU-устройством.


    Рис. 8. Напряжение и ток уличного светильника при установленной мощности 50 Вт в защищенной линии 277 В AC

    Заметим, что светильник потреблял большие токи (до 3 А) до срабатывания TISP-устройства. В точке его срабатывания на каждом пике каждого полупериода светильник потреблял около 600 вт!

    Выше упоминалось, что в нормальном режиме работы электросети пиковый ток светильника составил около 600 мА, а форма сигнала была близка к синусоидальной. В этом тесте выбросы напряжения не повлияли на светоотдачу осветительного прибора.

    Приложение: компьютерный блок питания.

    Стандартный блок питания ноутбуков с выходной мощностью 64 вт при входном напряжении 90-240 в АС работает с резистивной нагрузкой. Потребляемая мощность: 43 вт.

    На рисунке 9 показаны сигналы напряжения и тока от сети 120 в АС. Ток источника питания имеет почти синусоидальную форму. Источник работает в режиме коммутации при нулевом токе (ZVS). Нагрузка мала и имеет емкостной характер. Пиковое потребление тока: около 700 мА.


    Рис. 9. Сигналы напряжения и тока 64-Вт компьютерного блока питания при нагрузке 43 Вт в электросети 120 В АС

    На рисунке 10 показан блок питания компьютера с той же нагрузкой 43 вт, работающий при 277 в АС с установленной схемой защиты (с использованием того же 220-в TISP-устройства). Испытания в лаборатории Bourns показали, что напряжение источника питания прерывается при 210 в. И в этот раз наблюдался звон в линии переменного тока в результате реакции индуктивности лабораторного силового трансформатора на внезапную блокировку тока HSP TBU-устройством.


    Рис. 10. Напряжение и ток компьютерного блока питания мощностью 64 Вт при нагрузке 43 Вт в защищенной линии 277 В АС

    Заметим, что в тесте Bourns источник питания потреблял большие токи (до 3 А) перед срабатыванием TISP-устройства. в точке срабатывания на каждом пике каждого полупериода источник потреблял около 600 вт! И, как уже упоминалось, в нормальном рабочем режиме сети источник питания потреблял пиковый ток 700 мА, форма сигнала которого была близка к синусоидальной. величина этого тока контролировалась защитным TBU-устройством.

    Было установлено, что выброс напряжения не повлиял на работу источника питания.

    Компромиссы между сопротивлением и эффективностью

    В активной схеме защиты по переменному току TBU-устройство включено последовательно в линию сети. В лабораторной установке Bourns использовались четыре параллельно установленных устройства TBU-CA085-500-WH. Номинальный ток срабатывания каждого из них составляет 750 мА; сопротивление: 10,7 Ом; напряжение отключения: 850 в. Ток срабатывания составного устройства: 3 А; сопротивление: 2,7 Ом.

    В таком виде схема защиты представляет собой компромиссное решение между стоимостью и дополнительной стоимостью, обеспечиваемой сопротивлением TBU-устройства. величина тока срабатывания не важна, если его достаточно для поддержки пускового и рабочего токов защищаемой нагрузки. При срабатывании TISP-устройства ток короткого замыкания из линии переменного тока мгновенно отключит TBU-устройство.

    Сопротивление TBU-устройства может вызывать потери мощности, как видно из рисунков 11-12. Заметим, что более высокие пиковые токи, возникающие в «режиме защиты» с ограничением, в нормальном рабочем режиме приведут к увеличению потерь в сравнении с токами, форма которых близка к синусоидальной. В таких случаях следует найти приемлемый компромисс между стоимостью и эффективностью.


    Рис. 11. Эффективность защитного устройства для уличного светильника при 50 Вт


    Рис. 12. Эффективность защитного устройства для блока питания компьютера с нагрузкой 43 Вт

    Выводы

    Универсальная конструкция, в которой используется SMD-предохранитель SinglFuse вместе с гибридным защитным устройством IsoMOV, обеспечивает постоянную защиту по переменному току с помощью четырех небольших компонентов. Прежде реализация такой защиты не представлялась возможной с помощью компонентов гораздо большего размера, что повышало риск возгорания и разрушения.

    Компания Bourns предлагает современные компоненты, площадь которых не превышает одного квадратного дюйма, для защиты входов сетей переменного тока. Благодаря тому, что работа этих компонентов точно скоординирована, они защищают друг друга и нагрузку от перенапряжения, вызванного разрядами молний, шума и скачков напряжения в сетях переменного тока, а также в любых других состояниях перенапряжения, которые в противном случае могли бы повредить эксплуатируемое оборудование.

    Опубликовано в журнале «Электронные Компоненты» №12, 2021 г.

    Техподдержка: [email protected]

    Переменное напряжение и его параметры

    Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность катушки выполненной на разомкнутом сердечнике (например, ферритовой антенны, контурных катушек радиоприёмников, катушек с построечными сердечниками и т. д.). Сегодняшняя статья посвящена переменному напряжению и параметрам, которые его характеризуют.

    Что такое переменное напряжение?

    Как известно электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает под действием разности потенциалов или напряжения. Одной из основных характеристик любого типа напряжения является его зависимость от времени. В зависимости от данной характеристики различают постоянной напряжение, значение которого с течением времени практически не изменяется и переменное напряжение, изменяющееся во времени.

    Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

    Переменное напряжение в свою очередь бывает периодическим и непериодическим. Периодическим называется такое напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое напряжение может изменять своё значение в любой период времени. Данная статья посвящена периодическому переменному напряжению.


    Постоянное (слева), периодическое (в центре) и непериодическое (справа) переменное напряжение.

    Минимальное время, за которое значение переменного напряжения повторяется, называется периодом. Любое периодическое переменное напряжение можно описать какой-либо функциональной зависимостью. Если время обозначить через t, то такая зависимость будет иметь вид F(t), тогда в любой период времени зависимость будет иметь вид

    где Т – период.

    Величина обратная периоду Т, называется частотой f. Единицей измерения частоты является Герц, а единицей измерения периода является Секунда

    Наиболее часто встречающаяся функциональная зависимость периодического переменного напряжения является синусоидальная зависимость, график которой представлен ниже

    Синусоидальное переменное напряжение.

    Из математики известно, что синусоида является простейшей периодической функцией, и все другие периодические функции, возможно, представить в виде некоторого количества таких синусоид, имеющих кратные частоты. Поэтому необходимо изначально рассмотреть особенности синусоидального напряжения.

    Таким образом, синусоидальное напряжение в любой момент времени, мгновенное напряжение, описывается следующим выражением

    где Um – максимальное значение напряжения или амплитуда,

    ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла),

    φ – начальная фаза, определяемая смещением синусоиды относительно начала координат, определяется точкой перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну.

    Величина (ωt + φ) называется фазой, характеризующая значение напряжения в данный момент времени.

    Таким образом, амплитуда Um, угловая частота ω и начальная фаза φ являются основными параметрами переменного напряжения и определяют его значение в каждый момент времени.

    Обычно, при рассмотрении синусоидального напряжения считают, что начальная фаза равна нулю, тогда

    В практической деятельности, довольно часто, используют ещё ряд параметров переменного напряжения, такие как, действующее напряжение, среднее напряжение и коэффициент формы, которые мы рассмотрим ниже.

    Что такое действующее напряжение переменного тока?

    Как я писал выше, одним из основных параметров переменного напряжения является амплитуда Um, однако использовать в расчётах данную величину не удобно, так как временной интервал в течение, которого значение напряжения u равно амплитудному Um ничтожно мал, по сравнению с периодом Т напряжения. Использовать мгновенное значение напряжения u, также не очень удобно, вследствие больших объёмов расчётов. Тогда возникает вопрос, какое значение переменного напряжения использовать при расчётах?

    Для решения данного вопроса необходимо обратиться к энергии, которая выделяется под воздействием переменного напряжения, и сравнить её с энергией, которая выделяется под воздействием постоянного напряжения. Для решения данного вопроса обратимся к закону Джоуля – Ленца для постоянного напряжения

    Для переменного напряжения мгновенное значение выделяемой энергии составит

    где u – мгновенное значение напряжения

    Тогда количество энергии за полный период от t0 = 0 до t1 = T составит

    Приравняв выражения для количества энергии при переменном напряжении и постоянном напряжении и выразив полученное выражение через постоянное напряжение, получим действующее значение переменного напряжения

    Получившееся выражение, позволяет вычислить действующее значение напряжение U для периодического переменного напряжения любой формы. Из выше изложенного можно сделать вывод, что действующее значение переменного напряжения называется такое постоянное напряжение, которое за такое же время и на таком же сопротивлении выделяет такую же энергию, которая выделяется данным переменным напряжением.


    Действующее значение синусоидального напряжения.

    Вычислим действующее значение синусоидального напряжения

    Стоит отметить, все напряжения электротехнических устройств определяются, как правило, действующим значением напряжения.

    Для определения амплитудного значения синусоидального напряжения необходимо преобразовать полученное выражение

    Таким образом если в розетке у нас U = 230 В, следовательно, амплитудное значение данного напряжения

    Действующее напряжение также имеет название эффективного напряжения и среднеквадратичного напряжения.

    С действующим напряжением разобрались, теперь рассмотрим среднее значение напряжение.

    Что такое среднее значение переменного напряжения?

    Ещё одним параметром переменного напряжения, который его характеризует, является средним значением переменного напряжения. В отличие от действующего значения переменного напряжения, которое характеризует работу переменного напряжения, среднее значение напряжения характеризует количество электричества, которое перемещается из одной точки цепи в другую, под действием переменного напряжения. Среднее значение напряжения за период определяется следующим выражением

    где Т – период переменного напряжения,

    fu(t) – функциональная зависимость напряжения от времени.

    Таким образом, среднее значение переменного напряжения численно будет равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией fu(t) и осью Ox за период Т.


    Среднее значение переменного напряжения.

    В случае синусоидальной функции, можно говорить только о среднем значении за полупериод, так как в течение всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, и тогда среднее за период напряжение будет равно нулю.

    Таким образом, среднее за полупериод Т/2 значение переменного напряжения синусоидальной формы будет равно

    где Um – максимальное значение напряжения или амплитуда,

    ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла).

    Какие коэффициенты, характеризуют переменное напряжение?

    Иногда возникает необходимость охарактеризовать форму переменного напряжения. Для этой цели существует ряд параметров данного переменного напряжения:

    1. Коэффициент формы переменного напряжения kф – показывает как относится действующее значение переменного напряжения U к его среднему значению Ucp.

    Так для синусоидального напряжения коэффициент формы составит

    2. Коэффициент амплитуды переменного напряжения kа – показывает как относится амплитудное значение переменного напряжения Um к его действующему значению U

    Так для синусоидального напряжения коэффициент амплитуды составит

    На сегодня всё, в следующей статье я рассмотрю прохождение переменного напряжения через сопротивление, индуктивность и емкость.

    Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

    Переменный ток | Формулы по физике

    Электродвижущая сила переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         εBSω =   

    Вычислить ‘ε’

    Электродвижущая сила переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         eε_msinωt =   

    Вычислить ‘e’

    Максимальная сила переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         I_mε_mR =   

    Вычислить ‘I_m’

    Действующее (эффективное) значение силы переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         I_efI_m =   

    Вычислить ‘I_ef’

    Средняя мощность переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         p_средI_mR =   

    Вычислить ‘p_сред’

    Действующее (эффективное) значение напряжения переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         U_efU_m =   

    Вычислить ‘U_ef’

    Напряжение переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         UU_mcosωt =   

    Вычислить ‘U’

    Максимальная сила переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         I_mU_mCω =   

    Вычислить ‘I_m’

    Ёмкостное сопротивление

    Найти

      Известно, что:

         X_cCω =   

    Вычислить ‘X_c’

    Сила и ёмкостное сопротивление переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         IUX_c =   

    Вычислить ‘I’

    Сила и индуктивное сопротивление переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         IUX_L =   

    Вычислить ‘I’

    Индуктивное сопротивление

    Найти

      Известно, что:

         X_LωL =   

    Вычислить ‘X_L’

    Закон Ома для цепи переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         XRX_LX_C =   

    Вычислить ‘X’

    Закон Ома для цепи переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         XRωLC =   

    Вычислить ‘X’

    Сдвиг фаз между током и напряжением переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         φX_LX_CR =   

    Вычислить ‘φ’

    Резонанс в цепи переменного тока

    Найти

      Известно, что:

         UILC =   

    Вычислить ‘U’

    Первая формула трансформатора: напряжение

    Найти

      Известно, что:

         U1U2N1N2 =   

    Вычислить ‘U1’

    Вторая формула трансформатора: сила тока

    Найти

      Известно, что:

         I1I2N2N1 =   

    Вычислить ‘I1’

    Напряжение переменного тока: Руководство для начинающих

    Ключевые выводы

    • Узнайте, что такое напряжение переменного тока.

    • Понять, как генерируется переменное напряжение.

    • Исследуйте поведение резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности в цепях переменного тока.

    Просматривая видео на Facebook, я наткнулся на одно из них, где ребенок собирал кубик Рубика за 7 секунд. Это напомнило мне о моих подобных попытках в детстве. Хотя я мог решить для одной стороны после некоторой борьбы, мне никогда не удавалось правильно решить все стороны.

    По-видимому, существует особая техника перемещения куба в соответствии с узорами, которые вы видите на нем. Без этих методов разница между решением для одной стороны и для шести сторон будет очень разной. Эти различия похожи на линейность работы с постоянным напряжением по сравнению со сложностью переменного напряжения. Несмотря на то, что напряжение переменного тока является более сложным, эта статья поможет вам лучше понять.

    Итак, что такое переменное напряжение?

    AC означает переменный ток и относится к тому, как электроны движутся в переменном направлении в проводнике. В электронике электроны движутся от отрицательного потенциала к положительному потенциалу. Переменный ток получается путем переключения потенциала между двумя клеммами в фиксированный интервал времени — частоту.

    Разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами выражается в вольтах. Таким образом, термин напряжение переменного тока используется для определения значения разности потенциалов между клеммами, по которым протекает переменный ток.

    Источник переменного тока, питающий нагрузку.

    На графике переменное напряжение принимает форму синусоиды. В одном цикле напряжение переменного тока начинается с 0 В, поднимается до своего пика, проходит обратно через 0 В к своему отрицательному пику и снова возрастает до 0 В. Поскольку значение напряжения переменного тока изменяется в течение цикла, оно выражается в его пике (V пик ) и среднеквадратичные значения (V среднеквадратичное значение ).

    V пик относится к максимальной амплитуде синусоидального сигнала, а V среднеквадратичное значение вычисляется по следующей формуле: ак . Он представляет собой эквивалентное напряжение, подаваемое постоянным током. В США сеть обеспечивает 120 В переменного тока , в то время как в Великобритании используется 230 В переменного тока .

    Как генерируется напряжение переменного тока?

    Простой генератор переменного тока для питания лампы.

    Напряжение переменного тока стало возможным благодаря закону индукции Фарадея. Закон определяет, как электрические токи могут индуцироваться в движущейся катушке, когда она пересекает магнитный поток под прямым углом. Изменение тока пропорционально скорости изменения магнитного потока.

    Генераторы переменного тока или генераторы переменного тока представляют собой компоненты, построенные на основе закона Фарадея. Они включают вращение петли проводников поперек магнитного поля. Когда петля пересекает магнитное поле, ток начинает течь в одном направлении и достигает максимума, когда петля перпендикулярна магнитному полю.

    Петля продолжает вращаться до тех пор, пока проводник не окажется параллельно магнитному потоку, что приведет к нулевому току. Ток начинает течь в противоположном направлении, поскольку петля начинает отсекать магнитный поток, но в противоположном направлении.

    Как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности работают с переменным напряжением

    Переменный ток в катушках индуктивности и конденсаторах.

    Точно так же, как разница в решении одной и шести сторон кубика Рубика, анализ цепей с участием резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности становится более сложным с переменным током. В отличие от постоянного напряжения, поведение этих компонентов уже не является простым при использовании с переменным напряжением.

    Измерение резисторов выражается как импеданс (Z) в цепях переменного тока, а не как сопротивление (R) в цепях постоянного тока. Нет никакой разницы в резистивном значении, независимо от амплитуды или частоты переменного напряжения. Разница в терминологии существует из-за того, как учитывается разница векторов при выражении сопротивления как функции напряжения и тока.

    Что более интересно, так это поведение конденсаторов и катушек индуктивности при подаче переменного напряжения. Эти компоненты ведут себя как обрыв и короткое замыкание, соответственно, с источником постоянного тока, но все меняется с переменным током. Конденсаторы накапливают и высвобождают заряд по мере того, как напряжение переменного тока возрастает и уменьшается от его пиков. Такое поведение приводит к тому, что напряжение отстает от тока на 90 градусов.

    При работе с переменным напряжением сопротивление конденсатора определяется как емкостное реактивное сопротивление, которое имеет формулу:

    X C = 1/2πƒC по закону Ленца и начинает противодействовать направлению тока, изменяющего его магнитный поток. Следовательно, ток, протекающий через индуктор, отстает от переменного напряжения на 90 градусов. Поведение характеризуется индуктивным сопротивлением, которое имеет следующую формулу:

    X L = 2πƒL

    Учитывая, что напряжение переменного тока усложняет анализ схемы, полезно использовать программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат, которое способно предварительно рассчитать сложные параметры схемы. Инструмент моделирования смешанных сигналов OrCAD позволяет анализировать поведение схемы при подаче переменного напряжения. Наличие этих инструментов в вашем распоряжении в процессе проектирования может повысить качество и надежность ваших проектов, а также поможет убедиться, что вы делаете все правильно с первого раза.

    Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.

     

    Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

    Подпишитесь на LinkedIn Посетить сайт Больше контента от Cadence PCB Solutions