Все, что нужно знать об однофазном переменном токе: основные параметры и виды электрогенераторов

Фото 1

Для передачи энергии в электросетях используется однофазный переменный ток.

Целесообразность такого решения в свое время доказал Никола Тесла.

Как генерируется такой ток, и какие физические характеристики имеет — об этом читайте далее.

Получение переменного тока

Генерация тока основана на явлении электромагнитной индукции, которое открыл Майкл Фарадей. Суть его такова: в проводнике, находящемся в магнитном поле с изменяющимися характеристиками, возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Под параметрами магнитного поля подразумевают:

Фото 2

  • плотность силовых линий;
  • угол их направления по отношению к проводнику.

Обеспечить изменение показателей магнитного поля можно несколькими способами:

  1. перемещать (вращать) проводник в поле постоянного магнита;
  2. вращать постоянный магнит вокруг проводника;
  3. поместить токопроводящий элемент в поле электромагнита (намотанный в виде катушки провод) с протекающим по нему переменным током.

В электрогенераторах применяют два первых метода, последний — в трансформаторах тока. Приведение в движение магнита или проводника требует затрат механической энергии. Она и преобразуется генератором в электрическую. Направление ЭДС определяется правилом правой руки.

При таком ее положении, когда силовые линии поля входят в ладонь, а отведенный в сторону большой палец совпадает с вектором движения проводника, прочие пальцы указывают на направление ЭДС. Простейший генератор переменного тока — вращающаяся между постоянными магнитами проволочная рамка, подключенная к электроцепи.

Фото 3Контакт между подвижной рамкой и неподвижными проводящими элементами цепи — скользящий: на концах рамки прикрепляют кольца, на концах цепи — графитовые щетки (обладают низким коэффициентом трения), прижатые к этим кольцам.

Вращающуюся часть генератора или электродвигателя, в нашем примере это рамка, называют ротором. Неподвижную — статором.

Наводимая в рамке ЭДС определяется формулой: E = B*S*ω*sinα, где В — магнитная индукция, S — площадь рамки, ω — угловая частота, А — угол поворота рамки.

Изменяется только угол α, следовательно, график изменения ЭДС имеет вид синусоиды. Поскольку ток, в соответствии с законом Ома, равен отношению ЭДС к сопротивлению нагрузки (I = E/R), он также является синусоидальным.

Синусоидальность переменных ЭДС и тока означает, что они периодически меняют не только величину, но и направление на противоположное.

Фото 4

Принципиальные схемы генераторов переменного тока

Преимущества

В сравнении с постоянным, переменный ток выигрывает в следующем:

  1. упрощает, удешевляет и делает более надежной конструкцию электродвигателей и генераторов;
  2. позволяет осуществлять преобразование с помощью трансформатора;
  3. уменьшает потери при передаче;
  4. переменный ток легко превратить в постоянный, тогда как постоянный в переменный — намного сложнее.
Ротор двигателей и генераторов постоянного тока называют якорем, статор — ярмом.

Параметры

В характеристике переменного тока различают параметры основные и дополнительные.

Основные:

  • частота;
  • период;
  • амплитуда;
  • действующее значение.

Дополнительные:

  • угловая частота;
  • фаза;
  • мгновенное значение.

Рассмотрим их подробно.

Частота

Буквенное обозначение — f, единица измерения — герц (Гц). Обозначает число полных циклов колебаний тока за секунду.

Частота переменного тока на выходе простейшего генератора определяется частотой вращения его ротора. В системе электроснабжения России и других стран бывшего СССР, используется ток частотой 50 Гц.

Фото 5

Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте

В ряде случаев частоту путем преобразования тока повышают. К примеру, в инверторных сварочных аппаратах и импульсных блоках питания — до 20 – 80 кГц. При такой частоте значительно уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем. В некоторых устройствах частоту доводят до нескольких МГц.

Период

Обозначение — «Т», единица измерения — секунда. Период — продолжительность полного цикла колебаний тока. С частотой данный параметр связан следующей зависимостью: Т = 1 / f. Соответственно, в электросети период тока составляет 1 / 50 = 0,02 с = 20 мс.

Амплитуда

Максимальное значение силы тока или ЭДС, соответствует вершине полуволны. Обозначается, соответственно, Imи Um. За период, указанные величины достигают амплитудных значений дважды — с положительным и отрицательным знаком.

Фото 6

Амплитуда

Действующее значение

Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному по производимой работе. Постоянно меняющийся переменный ток неудобно использовать в расчетах, потому его заменяют действующим значением. Обозначается литерами I и U.

Фото 7Для синусоидальных тока и ЭДС определяется по формуле:

I = 2^(-1/2) * Im = (1/1,414) * Im = 0,707 Im;

U = 2^(-1/2) * Um = 0.707 Um;

Напряжение 220 В бытовой электросети — это действующее значение. Амплитуда составляет 311 В. Аналогично, если говорят, что нагрузка потребляет ток в 5А, подразумевают действующее значение. Амплитуда тока составляет 7,07 А.

Приборы — амперметры и вольтметры — при измерении переменных величин также отображают действующее значение.

Угловая частота

Обозначает скорость изменения угла α в формуле расчета ЭДС. Соответствует угловой частоте вращения ротора. Поскольку за один период угол а меняется на 2π при стандартной частоте f = 50 Гц, угловая частота составит: ω = 2π * 50 = 100 π.

Фаза

Фаза — характер изменения угла α относительно точки отсчета времени. Токи и ЭДС могут совпадать по фазе или иметь сдвиг. Последний измеряется в радианах, градусах или долях периода. При сдвиге по фазе на π (1/2 периода) говорят, что величины находятся в противофазе.

Фото 8

Сдвиг фаз переменного тока и напряжения

Мгновенное значение

Значение переменного тока или ЭДС в данный момент времени. Обозначается литерами I и u соответственно.

Мощность

Мощность переменного тока определяется перемножением действующих значений напряжения (ЭДС) и силы тока: W = U * I.

Однофазный генератор переменного тока

Фото 9Описанный ниже генератор представляет собой простейший вариант. В его составе присутствует одна пара магнитных полюсов, потому частота тока равна частоте вращения рамки (ротора).

В промышленных электрогенераторах имеется несколько пар полюсов. Число полных циклов колебаний тока за один оборот ротора при этом увеличивается во столько же раз, сколько пар полюсов имеется.

Соответственно, частота тока определяется по формуле: F = n*p, где: N — число оборотов ротора в секунду, P — число пар магнитных полюсов.

Для нормальной работы потребителей важна стабильность переменного тока, она достигается при соблюдении двух условий:

  1. магнитное поле равномерно (имеет постоянную величину);
  2. ротор вращается с постоянной скоростью.

Вместо постоянных магнитов, не способных обеспечить достаточную мощность, в действующих генераторах применяются электромагниты. Ротор изготавливается не в виде рамки, а собирается из множества контуров, соединенных определенным образом.

Вышеописанная схема является классической. Поскольку не имеет значения, приходит ли в движение магнит или проводник, можно устроить генератор иным способом: проводники, в которых индуцируется ЭДС, разместить в статоре, а ротор превратить в электромагнит.

Фото 10

Как работает однофазный генератор

Выгода от такого решения в следующем: для подключения статора к нагрузке, вместо скользящих используются обычные контакты. Теперь щетки понадобятся для подключения вращающегося электромагнита, но здесь сила тока значительно меньше, потому реализовать скользящее соединение проще. Элементы имеют меньшие размеры и работают надежнее.

В случае применения постоянного магнита необходимость в устройстве скользящих контактов отпадает вовсе. Но такой генератор не способен выработать значительную мощность, и ток на выходе получится менее стабильным. Такую схему применяют в мощных электрогенераторах, а в маломощных — классическую.

Механическую энергию, приводящую ротор во вращение, получают одним из следующих способов:

Фото 11

  • используют потенциальную энергию воды (гидроэлектростанции);
  • превращают воду в пар путем нагрева распадом атомных ядер (атомные электростанции);
  • за счет сжигания угля (тепловые станции);
  • путем применения двигателя внутреннего сгорания (автономные электрогенераторы).

В автомобилях также применяют генераторы переменного тока, хотя в бортовой цепи используется ток постоянный. Для преобразования – на выходе генератора имеется выпрямитель. Ротор приводится в движение двигателем транспортного средства и при любой частоте вращения последнего, напряжение на выходе составляет 12 В. Это обеспечивается специальным регулятором, установленным в питающей схеме возбуждающей обмотки (индуктора).

Виды электрогенераторов

Генераторы переменного тока делятся на два вида:

  1. синхронные. Частота индуцируемой ЭДС соответствует частоте вращения ротора;
  2. асинхронные. Между частотами вращения и наводимой ЭДС существует разница, именуемая скольжением. Устроены проще синхронных и проявляют устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям, потому нашли применение в транспорте. Для питания потребителей, чувствительных к частоте тока, не подходят.

По способу питания обмотки индуктора (электромагнита) электрогенераторы делятся на 4 вида:

  1. запитанные от стороннего источника;
  2. устройства с самовозбуждением на обмотку подается часть вырабатываемого генератором электротока, преобразованная выпрямителем в постоянный. Такой генератор нуждается в стороннем источнике только во время запуска. В этом качестве применяется аккумулятор;
  3. устройства с дополнительным маломощным генератором, установленным на одном валу с основным. Этот дополнительный генератор и питает обмотку индуктора. Сторонний источник для старта нужен только ему, соответственно, требования к аккумулятору виду малой мощности снижаются;
  4. генераторы с постоянным магнитом. Обмотки нет, питание не требуется. Недостатки конструкции упоминались выше.

Инверторные автономные генераторы

В условиях крупной электростанции имеется возможность обеспечить вращение ротора с постоянной скоростью. В автономном генераторе с ДВС добиться этого практически невозможно, вследствие чего ток получается нестабильным. Проблему решают установкой инвертора — управляемого микросхемой электронного узла, производящего цифровую обработку тока.

Производимый генератором переменный ток выпрямляется, подается на инвертор и тот уже формирует на выходе переменный ток с точно заданной частотой и напряжением.

Недостаток инверторных генераторов — высокая стоимость.

Видео по теме

Что такое и как работает твёрдотельное реле? Ответы в видео:

Представить современную жизнь без переменного тока невозможно. Именно он используется в централизованных сетях электроснабжения. Величина переменного напряжения постоянно меняется, но для расчетов используют ее действующее значение.


Поделиться:
Нет комментариев
×
Рекомендуем посмотреть
Adblock detector