Что такое эффективные значения тока напряжения. Большая энциклопедия нефти и газа
Cтраница 2
Действующим значением силы тока I называется сила постоянного тока, выделяющего в проводнике за то же время такое же количество теплоты, что и переменный ток.
Как видно из рисунка, в каждый момент времени величины напряжения и силы тока принимают различные значения. Поэтому, чтобы судить о величине силы тока и напряжения переменного тока, пользуются действующим значением силы тока и напряжения. Чтобы определить действующее значение силы переменного тока, его приравнивают к силе постоянного тока, которое выделило бы в проводнике такое же количество тепла, как и переменный ток.
Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включен в сеть переменного тока с действующим напряжением 220 В. Вторичная цепь трансформатора питает нагрузку с активным сопротивлением 50 Ом. Найти действующее значение силы тока во вторичной цепи, если падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, содержащей 165 витков, равно 50 В.
Таким образом, при замене операции извлечения корня сравнением время, за которое интегрируемый сигнал с ГЛИН станет равен интегралу от квадрата измеренной силы тока, пропорционально действующему значению силы тока. До этого К2 был открыт в течение времени т и пропускал на счетчик СИ импульсы с генератора тактовых импульсов ГТИ. Число импульсов TV / гтит записанное в СЧ, пропорционально действующему значению силы тока. Это число хранится в / 77, а по окончании цикла измерения отображается на ЦИ.
Как и при механических колебаниях, в случае электрических колебаний обычно нас не интересуют значения силы тока, напряжения и других величин в каждый момент времени. Важны общие характеристики колебаний, такие, как амплитуда, период, частота, действующие значения силы тока и напряжения и средняя мощность. Именно действующие значения силы тока и напряжения регистрируют амперметры и вольтметры переменного тока.
Рх o jjFr В слУчае т - н - СУХОЙ лампы применяют способ термометра, подвешиваемого вблизи генераторной лампы, и отмечают его показание. Затем, разрывая цепь колебательного контура генератора, дают на сетку генераторной лампы положительный потенциал до тех пор, пока термометр не по. Беря в последнем случае величины 1а и Еа как исходные, определяем Рх из соотношения Рх1а Еа. Мощность в антенне определяется по ф-ле Рх - / /, где РЯ - мощность eW, ra - активное сопротивление антенны в Q и 1а - действующее значение силы тока в антенне в А. По скольку по современным международным нормам под мощностью передатчика принято понимать мощность в антенне, то упомянутая выше ф-ла определяет одновременно и мощность передатчика.
Тепловые измерители имеют наиболее широкое практич. Действие тепловых измерителей состоит в удлинении тонкой проволоки при нагревании ее проходящим по ней переменным током высокой частоты. Сам по себе эффект ограничивает пределы применимости таких измерителей токами от нескольких тА до 1 - 3 А в зависимости от материала тонкой проволоки, примененной в измерителе. Применяются сплавы серебра с платиной, платины с иридием и др. Если сплав применяется в виде проволоки, то она имеет диаметр сотых долей мм. При ленте толщина составляет 0 01 мм, ширина 3 мм и длина 25 - 30 мм. Удлинение нити нагреваемым током пропорционально квадрату действующего значения силы тока. Перемещение по шкале измерителя стрелки, связанной с той же проволокой с помощью особой подвижной системы, обычно пропорционально квадратному корню из действующей силы тока. Из-за этого шкалы тепловых измерителей имеют неравномерные интервалы между делениями.
В данном случае колебания тока являются гармоническими (график колебаний - синусоида) и вынужденными, поскольку параметры колебаний (частота, амплитуда) определяются внешним источником - генератором. Некоторые электротехнические устройства (например, колебательный контур) способны генерировать свободные гармонические колебания электрического тока. По левой ветви рамки - от нас и, поскольку в этом случае через клемму а течет ток в направлении, обратном показанному на рис. 12.1, ее полярность - минус. Поскольку при данном положении рамки сила тока имеет наибольшее значение, фаза колебаний может быть г / 2 или 3 / 2ir, в зависимости от того, какое направление тока в рамке мы принимаем за положительное. Сравнивая формулу (12.1) и заданную зависимость, нетрудно заметить, что 1т 10 А и ш 4тград / с. Далее, используя формулу (12.2), определяем частоту колебаний (отв. Используя закон Джоуля - Ленца (Q I2Rt), определяем действующее значение силы тока (отв.
Силу переменного тока (напряжения) можно охарактеризовать при помощи амплитуды. Однако амплитудное значение тока непросто измерить экспериментально. Силу переменного тока удобно связать с каким-либо действием, производимым током, не зависящим от его направления. Таковым является, например, тепловое действие тока. Поворот стрелки амперметра, измеряющего переменный ток, вызывается удлинением нити, которая нагревается при прохождении по ней тока.
Действующим илиэффективным значением переменного тока (напряжения) называется такое значение постоянного тока, при котором на активном сопротивлении выделяется за период такое же количество теплоты, как и при переменном токе.
Свяжем
эффективное значение тока с его
амплитудным значением. Для этого
рассчитаем количество теплоты, выделяемое
на активном сопротивлении переменным
током за время, равное периоду колебаний.
Напомним, что по закону Джоуля-Ленца
количество теплоты, выделяющееся на
участке цепи cсопротивлениемприпостоянном
токе
за время
,
определяется по формуле
.
Переменный ток можно считать постоянным
только в течение очень малых промежутков
времени
.
Поделим период колебаний
на очень большое число малых промежутков
времени.
Количество теплоты
,
выделяемое на сопротивлении
за время:
.
Общее количество теплоты, выделяемое
за период, найдется суммированием
теплот, выделяемых за отдельные малые
промежутки времени, или, другими словами,
интегрированием:
.
Сила тока в цепи изменяется по синусоидальному закону
,
.
Опуская вычисления, связанные с интегрированием, запишем окончательный результат
.
Если бы по
цепи шёл некоторый постоянный ток
,
то за время, равное,
выделилось бы тепло
.
По определению постоянный ток,
оказывающий такое же тепловое действие,
что и переменный, будет равен эффективному
значению переменного тока
.
Находим эффективное значение силы
тока, приравнивая теплоты, выделяемые
за период, в случаях постоянного и
переменного токов
(4.28)
Очевидно, точно такое же соотношение связывает эффективное и амплитудное значения напряжения в цепи с синусоидальным переменным током:
(4.29)
Например, стандартное напряжение в сети 220 В – это эффективное напряжение. По формуле (4.29) легко посчитать, что амплитудное значение напряжения в этом случае будет равно 311 В.
4.4.5. Мощность в цепи переменного тока
Пусть на некотором участке цепи с
переменным током сдвиг фаз между током
и напряжением равен
,
т.е. сила тока и напряжение изменяются
по законам:
,
.
Тогда мгновенное значение мощности, выделяемой на участке цепи,
Мощность изменяется со временем. Поэтому можно говорить лишь о ее среднем значении. Определим среднюю мощность, выделяемую в течение достаточно длительного промежутка времени (во много раз превосходящего период колебаний):
С использованием известной тригонометрической формулы
.
Величину
усреднять не нужно, так как она не зависит
от времени, следовательно:
.
За длительное время значение косинуса много раз успевает измениться, принимая как отрицательные, так и положительные значения в пределах от (1) до 1. Понятно, что среднее во времени значение косинуса равно нулю
,
поэтому
(4.30)
Выражая амплитуды тока и напряжения через их эффективные значения по формулам (4.28) и (4.29), получим
. (4.31)
Мощность, выделяемая на участке цепи с
переменным током, зависит от эффективных
значений тока и напряжения и сдвига
фаз между током и напряжением
. Например,
если участок цепи состоит из одного
только активного сопротивления, то
и
.
Если участок цепи содержит только
индуктивность или только ёмкость, то
и
.
Объяснить среднее нулевое значение
мощности, выделяемой на индуктивности
и ёмкости можно следующим образом.
Индуктивность и ёмкость лишь заимствуют
энергию у генератора, а затем возвращают
её обратно. Конденсатор заряжается, а
затем разряжается. Сила тока в катушке
увеличивается, затем снова спадает до
нуля и т. д. Именно по той причине, что
на индуктивном и ёмкостном сопротивлениях
средняя расходуемая генератором энергия
равна нулю, их назвали реактивными. На
активном же сопротивлении средняя
мощность отлична от нуля. Другими словами
провод с сопротивлением
при протекании по нему тока нагревается.
И энергия, выделяемая в виде тепла, назад
в генератор уже не возвращается.
Если участок цепи содержит несколько
элементов, то сдвига фаз
может быть иным. Например, в случае
участка цепи, изображенного на рис. 4.5,
сдвиг фаз между током и напряжением
определяется по формуле (4.27).
Пример 4.7.
К генератору переменного
синусоидального тока подключён резистор
с сопротивлением.
Во сколько раз изменится средняя
мощность, расходуемая генератором, если
к резистору подключить катушку с
индуктивным сопротивлением
а) последовательно, б) параллельно (рис.
4.10)? Активным сопротивлением катушки
пренебречь.
Решение.
Когда к генератору подключено
одно только активное сопротивление,
расходуемая мощность
(см. формулу (4.30)).
Рассмотрим цепь на рис. 4.10, а. В примере
4.6 было определено амплитудное значение
силы тока генератора:
.
Из векторной диаграммы на рис. 4.11,а
определяем сдвиг фаз между током и
напряжением генератора
.
В результате средняя расходуемая генератором мощность
.
Ответ: при последовательном включении в цепь индуктивности средняя мощность, расходуемая генератором, уменьшится в 2 раза.
Рассмотрим цепь на рис. 4.10,б. В примере
4.6 было определено амплитудное значение
силы тока генератора
.
Из векторной диаграммы на рис. 4.11,б
определяем сдвиг фаз между током и
напряжением генератора
.
Тогда средняя мощность, расходуемая генератором
Ответ: при параллельном включении индуктивности средняя мощность, расходуемая генератором, не изменяется.
Как известно, переменная э.д.с. индукции вызывает в цепи переменный ток. При наибольшем значении э.д.с. сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального значения, имеются приборы, с помощью которых можно замерить силу переменного тока.
Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и могут быть такими же, как и при постоянном токе. К таким действиям можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током такое же количество тепла, что и при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим значением силы переменного тока.
В данное время в мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток , который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными э.д.с. с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода. Каждая такая цепь называется фазой.
Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора. Пример такой системы показан на рис. 3.4.б.
Согласно вышеперечисленным условиям, выясняется, что э.д.с., возникающая во втором генераторе, не будет успевать измениться, по сравнению с э.д.с. первого генератора, т. е. она будет опаздывать на 120°. Э.д.с. третьего генератора также будет опаздывать по отношению ко второму на 120°.
Однако такой способ получения переменного трехфазного тока весьма громоздкий и экономически невыгодный. Чтобы упростить задачу, нужно все статорные обмотки генераторов совместить в одном корпусе. Такой генератор получил название генератор трехфазного тока (рис. 3.4.а). Когда ротор начинает вращаться, в каждой обмотке возникает
а) б)
Рис. 3.4. Пример трехфазной системы переменного тока
а) генератор трёхфазного тока; б) с тремя генераторами;
изменяющаяся э.д.с. индукции. Из-за того что происходит сдвиг обмоток в пространстве, фазы колебаний в них также сдвигаются относительно друг друга на 120°.
Для того чтобы подсоединить трехфазный генератор переменного тока к цепи, нужно иметь 6 проводов. Для уменьшения количества проводов обмотки генератора и приемников нужно соединить между собой, образовав трехфазную систему. Данных соединений два: звезда и треугольник. При использовании и того и другого способа можно сэкономить электропроводку.
Соединение звездой
Обычно генератор трехфазного тока изображают в виде 3 статорных обмоток, которые располагаются друг к другу под углом 120°. Начала обмоток принято обозначать буквами А, В, С , а концы - X, Y, Z . В случае, когда концы статорных обмоток соединены в одну общую точку (нулевая точка генератора), способ соединения называется «звезда». В этом случае к началам обмоток присоединяются провода, называемые линейными (рис. 3.5 слева).
Точно так же можно соединять и приемники (рис. 3.5., справа). В этом случае провод, который соединяет нулевую точку генератора и приемников, называется нулевой. Данная система трехфазного тока имеет два разных напряжения: между линейным и нулевым проводами или, что то же самое, между началом и концом любой обмотки статора. Такая величина называется фазным напряжением (Uл ). Поскольку цепь трехфазная, то линейное напряжение будет в v3 раз больше фазного, т. е.: Uл = v3Uф.
Соединение треугольником.
Рисунок 3.6. Пример соединения треугольником
При использовании данного способа соединения конец X первой обмотки генератора подключают к началу В второй его обмотки, конец Y второй обмотки - к началу С третьей обмотки, конец Z третьей обмотки - к началу А первой обмотки. Пример соединения показан на рис. 3.6. При данном способе соединения фазных обмоток и подключении трехфазного генератора к трехпроводной линии линейное напряжение по своему значению сравнивается с фазным: Uф = Uл
1. Перечислите основные параметры, характеризующие переменный ток.
2. Дайте определение частоты и единицы её измерения.
3. Дайте определение амплитуды и единицы её измерения.
4. Дайте определение периода и единицы его измерения.
5. Отличие простейшего генератора трёхфазного тока от генератора однофазного тока.
6. Что такое фаза?
7. Что представляет собой ротор генератора трёхфазного тока?
8. Почему сдвинуты по фазе обмотки статора генератора трёхфазного тока?
9. Особенность симметричной системы трёх фаз.
10. Принцип соединения фазных обмоток трёхфазных генераторов и трансформаторов по схеме «звезда».
11. Принцип соединения фазных обмоток трёхфазных генераторов и трансформаторов по схеме «треугольник».
3.2. Виды сопротивлений в цепях переменного тока
В цепях переменного тока сопротивления разделяют на активные и реактивные.
В активных сопротивлениях , включенных в цепь переменного тока, электрическая энергия преобразуется в тепловую. Активным сопротивлением R обладают, например, провода электрических линий, обмотки электрических машин и т.д.
В реактивных сопротивлениях электрическая энергия, вырабатываемая источником, не расходуется. При включении реактивного сопротивления в цепь переменного тока возникает лишь обмен энергией между ним и источником электрической энергии. Реактивное сопротивление создают индуктивности и ёмкости.
Если не учитывать взаимное влияние отдельных элементов электрической цепи, то в общем случае электрическая цепь синусоидального тока может быть представлена тремя пассивными элементами: активным сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью C.
Активное сопротивление в цепи переменного тока .
При включении в цепь переменного тока активного сопротивления, ток и напряжение совпадают по фазе (рис. 3.7) и изменяются по одному и тому же cинусоидальному закону: u=U m sinωt . Они одновременно достигают своих максимальных значений и одновременно проходят через нуль (рис. 3.7.б).
Для цепи переменного тока, содержащей только активное сопротивление, закон Ома имеет такую же форму, как и для цепи постоянного тока: I=U/R.
Электрическая мощность р в цепи с активным сопротивлением в любой момент времени равна произведению мгновенных значений силы тока i и напряжения u : p=ui .
Рисунок 3.7. Схема включения в цепь переменного тока активного сопротивления R (a), кривые тока i , напряжения u и мощности p (б) и векторная диаграмма.
Из графика видно, что изменение мощности происходит с двойной частотой по отношению к изменению тока и напряжения, т.е. один период изменения мощности соответствует половине периода изменения тока и напряжения. Все значения мощности положительные, это означает, что энергия передается от источника к потребителю.
Средняя мощность Рcp , потребляемая активным сопротивлением, P=UI=I 2 R – это и есть активная мощность.
Под индуктивностью L будем понимать элемент электрической цепи (катушку индуктивности, потерями которой можно пренебречь), способный запасать энергию в своём магнитном поле, который не имеет активного сопротивления и ёмкостиС (рис.3.8).
При включении в цепь переменного тока индуктивности, изменяющийся ток непрерывно индуцирует в ней э.д.с. самоиндукции e L = LΔi/Δt, где Δi/Δt – скорость изменения тока.
Когда угол ωt равен 90° и 270° скорость изменения тока Δi/Δt =0, поэтому э.д.с. e L =0.
Скорость изменения тока будет наибольшей, когда угол ωt равен 0°, 180° и 360°. В эти минуты времени э.д.с. имеет наибольшее значение.
Кривая мощности представляет собой синусоиду, которая изменяется с двойной частотой по сравнению с частотой изменения тока и напряжения. Мощность имеет положительные и отрицательные значения, т.е. возникает непрерывный колебательный процесс обмена энергией между источником и индуктивностью.
Рисунок 3.8. Схема включения в цепь переменного тока индуктивности (а), кривые тока i , напряжения u , э.д.с. e L (б) и векторная диаграмма (в)
Э.д.с. самоиндукции согласно правилу Ленца направлена так, чтобы препятствовать изменению тока. В первую четверть периода, когда ток увеличивается, э.д.с. имеет отрицательное значение (направлена против тока).
Во вторую четверть периода, когда ток уменьшается, э.д.с. имеет положительное значение (совпадает по направлению с током).
В третью четверть периода ток меняет своё направление и увеличивается, поэтому э.д.с. направлена против тока и имеет положительное значение.
В четвёртую четверть периода ток уменьшается и э.д.с. самоиндукции стремится поддержать прежнее положение тока и имеет отрицательное значение. В результате ток отстает от напряжения по фазе на угол 90 О.
Сопротивление катушки или проводника переменному току, вызванное действием э.д.с. самоиндукции, называется индуктивным сопротивлением Х L [Ом]. Индуктивное сопротивление не зависит от материала катушки и от площади поперечного сечения проводника.
В цепях переменного тока катушки индуктивности соединяют последовательно и параллельно.
При последовательном соединении катушек эквивалентная индуктивностьLэ и эквивалентное индуктивное сопротивление X L э будут равны:
Lэ=L 1 +L 2 +… X L э=X L 1 +X L 2 +…
При параллельном соединении катушек:
1/Lэ=1/L 1 +1/L 2 +… 1/X L э=1/X L 1 +1/X L 2 +…
Контрольные вопросы
1. Какие виды сопротивления в цепях переменного тока Вы знаете?
2. Что значит активное сопротивление?
3. Что такое реактивное сопротивление?
4. Какие элементы цепи создают реактивное сопротивление?
5. Что такое активная мощность?
1. Дайте определение индуктивности.
2. Что происходит в первую четверть периода колебательного процесса обмена энергией между источником и индуктивностью?
3. Что происходит во вторую четверть периода колебательного процесса обмена энергией между источником и индуктивностью?
4. Дайте определение индуктивного сопротивления.
3.3. Конденсаторы. Ёмкость в цепи переменного тока
Конденсатор – устройство, способное накапливать электрические заряды.
Простейший конденсатор представляет собой две металлические пластины (электроды), разделенные диэлектриком.
Каждый конденсатор характеризуется номинальной емкостью и допустимым напряжением. Напряжение конденсатора указывают на корпусе, и превышать его нельзя. Конденсаторы различаются формой электродов (плоский), типом диэлектрика и ёмкостью (постоянной и переменной).