Переменный ток и его применение. Частота и период тока

Переменным называется ток, периодически изменяющий свое направление и величину, причем среднее значение за период может быть равно нулю. Через определенный промежуток времени T, называемый периодом, изменение тока повторяется. Длительность измеряется в секундах. Число периодов в секунду называется частотой f

f=1/T,

она измеряется в герцах (Гц).

В России стандарт промышленной частоты = 50 Гц, в США = 60 Гц.

Преимущественное применение переменного тока в электротехнике и промышленности объясняется в основном тем, что на переменном токе работают трансформаторы, а двигатели переменного тока проще, прочнее и дешевле двигателей постоянного тока. Особо важна возможность трансформирования электроэнергии, т.е. простого и с малыми потерями преобразования тока большой величины и низкого напряжения в ток малой величины и высокого напряжения или обратного преобразования.

 

· Синусоидальный ток

Мгновенные значения синусоидального переменного тока выражаются формулой

i = I_m sin (wt+y),

где I_m - максимальное значение тока, w = 2/Т = 2 pf - угловая частота тока, y - начальная фаза переменного тока. Рис. 1.2.2.

 

 

Рис. 1.2.2. Построение синусоидальной кривой.

· Источники переменного тока

Для получения переменного тока служат электромашинные генераторы, вращаемые первичными двигателями. Генератор состоит из неподвижной части - статора, сердечник которого собран из тонких (0,35-0,5 мм) листов электротехнической стали, в пазах размещены обмотки, соединенные между собой определенным образом и подвижной части - ротора.

На роторе размещены электромагниты. Их обмотка, называемая обмоткой возбуждения генератора, соединяется через кольца и щетки с источником постоянного тока - возбудителем. Генераторы строятся так, чтобы распределение магнитной индукции вдоль окружности ротора было близко к синусоидальному.

На тепловых эл. станциях генераторы вращаются с частотой 3000 об/мин (50 Гц), на гидротурбинах 75 об/мин, но увеличено число полюсов p = 40.

 

· Мгновенная и активная мощности

Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений тока и напряжения p = u·i, это также как и для цепи постоянного тока P=U·I. Но в качестве основной величины принята средняя за период мощность, называемая активной мощностью

P=U·I·cosj,

 где cos j - коэффициент мощности.

 Например, напряжение установки U = 6 кВ, нагружена мощностью

P = 600 кВ при токе I =200 А cosj= P /U·I = 0,5.

 

· Параллельное соединение приемников переменного тока

Параллельное соединение широко применяется для приемников переменного тока. Они подключаются к сети переменного тока, напряжение в которой поддерживается почти постоянным.

При последовательном соединении сопротивления приемников складывается ток в цепи один, а напряжение согласно падению на приемнике.

При параллельном соединении токи распределяются согласно сопротивлению приемников, а общий ток на источнике будет возрастать от нагрузки.

 

· Активная, реактивная и полная мощности

При выборе трансформаторов, кабелей, выключающей аппаратуры и т.п. необходимо знать на какой ток они рассчитаны. Если известны напряжение и активная мощность P, следует еще определить cosj установки. Для облегчения расчетов введены две вспомогательные величины: полная S=U·I и реактивная Q=U·I·sinj=U·I_p мощности.

,

где P=S·cosj, Q=S·sinj и Q=P·tgj.

Единицей полной мощности служит вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВ·А), например, 500 кВ·А - это полная, а не активная мощность.

 

· Резонанс токов. Повышение коэффициента мощности

Если параллельно соединить катушку и конденсатор, то в цепи возникают индуктивный и емкостной токи, противоположные по фазе и по отношению к источнику энергии компенсируются, что и является резонансом токов.

Режим, близкий к резонансу токов, используется для повышения коэффициента мощности. Низкое значение cosj - это неполное использование мощности генератора, линий передач и трансформаторов и потери при передаче электроэнергии.

При включении параллельно двигателю конденсаторов передающее устройство и генератор разгружаются от индуктивного тока и весь реактивный ток замыкается в кольце, образуемом конденсатором и индуктивными катушками. Исчезают дополнительные потери, а передающее устройство и генератор можно дополнительно загрузить активным током и передавать дополнительную активную мощность.