Доступно о технике

Все, что нужно знать об электрических цепях переменного тока: виды, структура и расчеты

Содержание

Фото 1

Хотя постоянный ток качественнее переменного, в электросетях в основном применяется второй. Причины — удешевление двигателей (генераторов), мизерные потери при транспортировке электричества на большие расстояния и возможность преобразовывать ток трансформированием.

Далее рассмотрим, какими бывают электрические цепи переменного тока и из чего они состоят.

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток, в отличие от постоянного, с определенной периодичностью меняет направление и величину. Генерируется он путем вращения проволочного витка в магнитном поле или, наоборот, магнитного поля при неподвижном витке.

Наводимая ЭДС зависит от синуса угла, на который повернут ротор генератора. Потому все переменные электрические величины являются синусоидальными. Существует два вида цепей переменного тока – одно- и трехфазные.

Фото 2

Параметры переменного тока:

  1. амплитуда: максимальное отклонение от нуля. Оно достигается при положении плоскости витка перпендикулярно силовым линиям поля. В момент времени, когда плоскость витка и силовые линии становятся параллельными, ЭДС падает до нуля, затем меняет знак;
  2. частота: число полных циклов за секунду (в основном используется ток частотой в 50 Гц);
  3. мгновенное значение: величина параметра в данный момент времени;
  4. действующее значение (см. ниже).

Однофазные

В однофазной цепи генератор имеет одну обмотка для индукции ЭДС и к ней подключен один проводник. Источников тока может быть и несколько, но они должны работать в одной фазе и на одной частоте.

Трехфазные

Фото 3

В статоре генератора 3-фазной цепи имеется 3 обмотки для индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол в 120 n градусов, где n — число пар полюсов. Соответственно, наводимые в каждой обмотке ЭДС отличаются по фазе на угол в 120 градусов (электрический угол).

При отдельном подключении каждой обмотки для передачи энергии требуется 6 проводов. Систему называют несвязной и сегодня она не применяется ввиду повышенных затрат материалов.

Экономически более целесообразна связанная система, когда обмотки соединены одним из двух способов:

  1. «звездой». Обмотки одной стороной замкнуты в одной точке. Это дает возможность применить один нулевой провод, общий для всех фаз, то есть система получается 4-проводной. А если токи в фазах равны (симметричная нагрузка), необходимость в использовании нулевого провода отпадает: токи гасят друг друга (их векторная сумма равна нулю). В этом случае применяется 3-проводная система;
  2. «треугольником». Обмотки образуют замкнутый контур: каждая своим концом подключается к началу следующей. В каждой фазе формируется линейное напряжение, равное фазному. Но величина фазного тока окажется в 1,72 раза ниже линейного.

Трехфазная система электроснабжения превосходит однофазную в следующем:

Фото 4

  1. требуется меньше материалов для изготовления силовых кабелей;
  2. для одной установки доступно два напряжения: фазное (фаза — нейтраль) и линейное (фаза — фаза). То есть при изменении схемы подключения нагрузки со «звезды» на «треугольник», получают два уровня мощности;
  3. есть возможность получать вращающееся магнитное поле, чем удешевляется конструкция электродвигателей и других устройств. Для этого в статоре двигателя размещают равноудаленно три обмотки, подключенные к разным фазам;
  4. система уравновешена. К примеру, 3-фазные люминесцентные светильники почти не мерцают, в отличие от 1-фазных. В таком светильнике имеется три лампы или группы ламп, подключенных к разным фазам. Когда светимость одной лампы уменьшается, соседняя разгорается. Происходит взаимокомпенсация.

Структура

Электрическая цепь — совокупность устройств и элементов, имеющая целью доставить ток потребителю и преобразовать его в другой вид энергии: тепло, свет или механическую работу.

Фото 5

В цепи различают три части:

  1. источник питания;
  2. транслирующая часть: провода, выключатели, трансформаторы, стабилизаторы и пр. Все то, что используется для передачи, трансформации электрической энергии и поддержания ее качества на должном уровне;
  3. потребители: лампы, электродвигатели, нагреватели и пр.

Источник питания — генератор, аккумулятор, солнечную батарею — называют внутренней частью цепи, остальные компоненты — внешней. Также источник называют активным элементом, прочие — пассивными. Электрическая цепь функционирует только в замкнутом виде, то есть в непрерывном. При размыкании сила тока в ней падает до нуля, хотя участок со стороны генератора или батареи остается под напряжением.

По числу выводов компоненты цепи делятся на два вида:

  1. двухполюсные: имеют одну пару выводов. Пример — диод, резистор;
  2. многополюсные: имеют более двух выводов. Пример — трансформатор (4 вывода).

Процессы в электрической цепи описываются законами Ома и Кирхгофа.

Компоненты в ней соединяются тремя способами:

  • последовательно;
  • параллельно;
  • комбинированным способом.

Применяют такие термины:

  1. ветвь. Участок из последовательно соединенных элементов в параллельной или комбинированной цепи. Законы электротехники гласят: сила тока в пределах ветви одинакова, независимо от величины сопротивления составляющих ее компонентов, а общее сопротивление ветви равно сумме сопротивлений всех ее компонентов. В цепи только с последовательным соединением компонентов, ветвей не выделяют, ее так и называют — неразветвленная цепь;
  2. узел. Место, где цепь разветвляется. Принято считать, что сумма токов, сходящихся в узле, равна сумме токов, исходящих из него. Падение напряжения для параллельных ветвей между точками разветвления и схождения — одинаково;
  3. контур. Совокупность ветвей, представляющая собой замкнутый путь для тока.

По функциональности отдельные части в структуре электрической цепи делятся на такие виды:

Фото 6

  1. силовая. Включает в себя элементы, генерирующие, проводящие, преобразующие и потребляющие электроэнергию;
  2. вспомогательная. Различные дополнительные устройства, не относящиеся к силовой части. Например, установки компенсации реактивной мощности, предохранители;
  3. измерительная. Относящиеся к этой части приборы позволяют отследить параметры сети и подключенных к ней устройств;
  4. управляющая. Оборудование для регулировки параметров устройств либо их включения/отключения.;
  5. сигнализирующая. Сообщает путем включения сигнальных устройств об изменениях в параметрах сети.

По сложности электрические цепи делят на:

  • простейшие: источник, подключенный к потребителю;
  • простые: содержат один контур;
  • сложные: насчитывают несколько контуров.

В сложных цепях выделяют:

  • многоконтурные;
  • многоузловые;
  • плоскостные;
  • объемные.

Расчет цепи

Основная цель расчета — определение на отдельных участках цепи:

Фото 7

  • напряжения;
  • силы тока; и угла сдвига фаз.

В простых случаях, когда в цепи присутствует только резистивная нагрузка, неудобный для расчетов переменный ток заменяют так называемым действующим значением. Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному, то есть выделяющий то же количество тепла.

Для синусоидальных переменных тока и напряжения, справедливы выражения:

  • I = Imax / корень из 2 = Imax / 1.41;
  • U = Umax / корень из 2 = Umax / 1.41;
  • где I и U — действующие значения, соответственно, тока и напряжения;
  • Imax и Umax — амплитуды тока и напряжения, то есть их максимальные отклонения от нуля.

Стандартное напряжение в бытовой электросети 210-230 В — это действующее значение. Реальное значение колеблется в пределах от -296 до 296 В (210 В) или от -324 до 324 В (230 В).

Аналогично, когда говорят, что прибор мощностью 2,2 кВт потребляет ток в 10 А, подразумевают действующее значение, тогда как реальная его величина колеблется в пределах от -14 до 14 А.

Фото 8

График синусоидального переменного тока

Задача усложняется при наличии в комплексе таких элементов:

  • катушки индуктивности: возникают ЭДС само- и взаимоиндукции; : появляются токи — зарядные и разрядные.

Под влиянием этих процессов напряжение и ток сдвигаются по фазе друг относительно друга, разница составляет 90 градусов, при этом в системах:

  • с индуктивностью — U опережает I;
  • с конденсаторами — напряжение отстает от тока.

В подобных цепях действуют те же законы, что и в цепях постоянного тока, но заменить переменные напряжения и ток на действующие значения нельзя, существует два пути:

  1. оперирование мгновенными значениями переменных величин;
  2. запись их в векторной (комплексной) форме.

В первом варианте приходится иметь дело с тригонометрическими уравнениями, поскольку мгновенные значения тока и других параметров выражаются через функцию «sin(ωt)», где ω — угловая частота вращения ротора генератора, t — время. Решение таких уравнений отличается сложностью, потому этот путь непопулярен. Векторными величинами оперировать проще.

Этот метод называют символическим. При составлении уравнений, векторы записывают в виде комплексных чисел, задаваясь условным положительным направлением для тока, напряжения и ЭДС.

В алгебраической форме комплексное число выглядит так A = a + jb, где:

  • А — действительная (вещественная) часть;
  • j — мнимая единица;
  • b — мнимая часть.

Букву, выражающую электрический параметр, в комплексной записи подчеркивают. Для проверки правильности расчета цепи составляют баланс активной и реактивной мощностей.

Видео по теме

О расчете электрической цепи переменного тока в видео:

Многие бытовые приборы, особенно электроника, чувствительны к качеству переменного тока, то есть к стабильности его параметров. Если источник стабильностью не обеспечивает, ситуацию спасает специальное устройство — стабилизатор. Обычные стабилизаторы корректируют только напряжение, а инверторные — даже частоту.


Источник: proprovoda.ru