Частоты питающего напряжения
Современные промышленные вентильные преобразователи для электропривода с асинхронными электродвигателями
Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода изменением
частоты питающего напряжения
Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения 
следует непосредственно из выражения:
.
Питание асинхронных двигателей осуществляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рис. 8, энергия к которому подводится от сети постоянной частоты f1С и напряжения U1С. На выходе преобразователя, как правило, меняется не только частота f1, но и напряжение U1. Для преобразования частоты могут быть использованы полупроводниковые устройства, различающиеся по принципу действия и конструкции.
При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника питания. Действительно, э. д. с. обмотки статора асинхронного двигателя пропорциональна частоте и потоку:
С другой стороны, пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора, т. е. полагая 
, можно записать: 
, Или 
Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания 
и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом. Увеличение частоты приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствии, с выражением 
приводит к возрастанию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки.
Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления.
Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряжение при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки.
По мере снижения частоты при 
падает доля э. д. с. по отношению к приложенному напряжению вследствие относительного возрастания падения напряжения в сопротивлении статора с ростом нагрузки, что приводит к уменьшению магнитного потока, а, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Как следствие убывания магнитного потока и абсолютного критического скольжения по мере снижения частоты падает максимальный момент и снижается жесткость механических характеристик
Рисунок 9 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении по закону .
Изменение частоты источника питания позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5 
2 раза. Указанное ограничение обусловлено, прежде всего, прочностью крепления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности потерь, связанные с потерями в стали статора. Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне до 10 15. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20–30.
Если при регулировании частоты напряжение изменяется таким образом, что Ф=const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным ( 
).
Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. Это следует из выражения
с учетом того, что двигатель при изменении частоты работает на линейных участках механических характеристик, т. е. при малых скольжениях s. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализовать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.
Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.
Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (например, для центрифуг, шлифовальных станков, для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).
Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.
Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования преобразователей частоты, которые в настоящее время характеризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток ограничивает применение частотноуправляемых электроприводов. Тем не менее, преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию преобразователей частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.
В случае создания приемлемых по сложности и стоимости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.
Основное применение в настоящее время находит частотный способ регулирования числа оборотов асинхронных двигателей реализуемый с помощью автономных инверторов напряжения построенных на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Автономный инвертор преобразует постоянный ток в переменный, частота которого зависит от частоты коммутации полупроводниковых приборов.
Здесь выделяются два способа регулирования:
Для одновременного регулирования напряжения и частоты (амплитудно-частотное регулирование) можно использовать управляемый выпрямитель или импульсный регулятор для регулирования напряжения, а выходной инвертор для регулирования частоты. Рассмотрим подробнее работу инвертора с амплитудно-частотным регрегулированием
При частотном способе регулирования скорости необходимо регулировать и величину напряжения. Необходимым элементом системы электропривода является преобразователь частоты и напряжения на вход которого подаются стандартное напряжение u1 cчастота f1 c, а с выхода имаются регулируемое напряжение u1 реги регулируемая частота f1 рег. Рис.10
Статические ПЧ могут быть без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и нагрузкии с промежуточным звеном постоянного тока.
Один их вариантов схем силовой части тиристорного преобразователя с непосредственной связью (НПЧ) приведён на рис 11.
НПЧ состоит из трёх одинаковых комплектов тиристоров 1, 2, 3, обеспечивающих питание трёх обмоток статора. К тиристорам подключены начала обмоток статора С1, С2, С3, а концы этих обмоток С4, С6, С6 подключены к нулевой точке трансформатора Т. Каждая фаза схемы работает независимо от остальных, поэтому принцип её действия можно рассмотреть на примере одной фазы, полагая, что нагрузка имеет активный характер (рис. 10). При активно – индуктивной нагрузке, которой являются обмотки статора, меняется лишь форма напряжения.
Так как период Tрегэтого напряжения больше, чем период сетевого напряжения T 1 , то частота напряжения на статоре асинхронного двигателя всегда меньше, чем частота питающего напряжения. Кроме того, недостатком этой схемы является необходимость нулевого вывода трансформатора.
Схема ПЧ со звеном постоянного тока состоитиз двух основных блоков (рис. 13): Управляемого выпрямителя и инвертора.
Напряжение сети стандартной u1 частоты f1 подаётся на вход управляемого выпрямителя, преобразующего переменное напряжение u1 в постоянное Е0, которое можно регулировать в широких пределах с помощью блока управления выпрямителем. Выпрямленное и регулируемое напряжение Е0, подаётся на вход инвертора, который преобразует его в трёхфазное напряжение регулируемой частоты f1 рег, поступающее на асинхронный двигатель. Частота выходного напряжения инвертора f1 рег регулируется блоком управления инвертором в функции сигнала управления Uу. ПЧ со звеном постоянного тока позволяют плавно регулировать частоту напряжения на статоре как ниже, так и выше сетевой.
Автономные инверторы делятся на инверторы напряжения АИН и тока АИТ.
В автономных инверторах для коммутации тока используются дополнительные элементы – тиристоры, диодыконденсаторы и катушки индуктивности.
источнику напряжения (например, управляемому выпрямителю) на выходе которого устанавливается конденсатор большой ёмкости. Автономные инверторы тока АИТ питаются от источика тока (например, управляемого выпрямителя через реактор большой индуктивности. Управляющими воздействиями здесь для АД являются частота и ток статора. В ПЧ со звеном постоянного тока регулирование напряжения на нагрузке (статоре АД) производится двумя способами – или с помощью специального регулятора напряжения, или самим инвертором. В первом случае может быть использован управляемый выпрямитель ( амплитудное регулирование напряжения ) или широтно – импульсное регулирование (ШИМ). Второй способ связан с совмещение функций регулирования частоты и напряжения в самом инверторе.
Источник
Период, частота, амплитуда и фаза переменного тока
Период и частота переменного тока
Время, в течение которого совершается одно полное изменение ЭДС, то есть один цикл колебания или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания переменного тока (рисунок 1).
Рисунок 1. Период и амплитуда синусоидального колебания. Период — время одного колебания; Аплитуда — его наибольшее мгновенное значение.
Период выражают в секундах и обозначают буквой Т.
Так же используются более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс)- одна тысячная секунды и микросекунда (мкс)- одна миллионная секунды.
1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10 -6 сек.
Число полных изменений ЭДС или число оборотов радиуса-вектора, то есть иначе говоря, число полных циклов колебаний, совершаемых переменным током в течение одной секунды, называется частотой колебаний переменного тока.
Частота обозначается буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах.
Одна тысяча герц называется килогерцом (кГц), а миллион герц — мегагерцом (МГц). Существует так же единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.
1000 000 Гц = 10 6 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;
1000 000 000 Гц = 10 9 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;
Чем быстрее происходит изменение ЭДС, то есть чем быстрее вращается радиус-вектор, тем меньше период колебания Чем быстрее вращается радиус-вектор, тем выше частота. Таким образом, частота и период переменного тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Чем больше одна из них, тем меньше другая.
Математическая связь между периодом и частотой переменного тока и напряжения выражается формулами
Например, если частота тока равна 50 Гц, то период будет равен:
И наоборот, если известно, что период тока равен 0,02 сек, (T=0,02 сек.), то частота будет равна:
Частота переменного тока, используемого для освещения и промышленных целей, как раз и равна 50 Гц.
Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми частотами. Токи в антеннах радиостанций колеблются с частотами до 1 500 000 000 Гц или, иначе говоря, до 1 500 МГц или 1,5 ГГц. Такие высокие частоты называются радиочастотами или колебаниями высокой частоты.
Наконец, токи в антеннах радиолокационных станций, станций спутниковой связи, других спецсистем (например ГЛАНАСС, GPS) колеблются с частотами до 40 000 МГц (40 ГГц) и выше.
Амплитуда переменного тока
Наибольшее значение, которого достигает ЭДС или сила тока за один период, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока. Легко заметить, что амплитуда в масштабе равна длине радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно буквами Im, Em и Um (рисунок 1).
Угловая (циклическая) частота переменного тока.
Скорость вращения радиуса-вектора, т. е. изменение величины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ? (омега). Угол поворота радиуса-вектора в любой данный момент относительно его начального положения измеряется обычно не в градусах, а в особых единицах — радианах.
Радианом называется угловая величина дуги окружности, длина которой равна радиусу этой окружности (рисунок 2). Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2
.
Рисунок 2. Радиан.
1рад = 360°/2
Следовательно, конец радиуса-вектора в течение одного периода пробегают путь, равный 6,28 радиан (2). Так как в течение одной секунды радиус-вектор совершает число оборотов, равное частоте переменного тока f, то за одну секунду его конец пробегает путь, равный 6,28 * f радиан. Это выражение, характеризующее скорость вращения радиуса-вектора, и будет угловой частотой переменного тока — ? .
? = 6,28*f = 2f
Фаза переменного тока.
Угол поворота радиуса-вектора в любое данное мгновение относительно его начального положения называется фазой переменного тока. Фаза характеризует величину ЭДС (или тока) в данное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза показывает, убывает ли ЭДС или возрастает.
Рисунок 3. Фаза переменного тока.
Полный оборот радиуса-вектора равен 360°. С началом нового оборота радиуса-вектора изменение ЭДС происходит в том же порядке, что и в течение первого оборота. Следовательно, все фазы ЭДС будут повторяться в прежнем порядке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370° будет такой же, как и при повороте на 10°. В обоих этих случаях радиус-вектор занимает одинаковое положение, и, следовательно, мгновенные значения ЭДС будут в обоих этих случаях одинаковыми по фазе.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Источник
Период, частота, амплитуда и фаза переменного тока
Период и частота переменного тока
Время, в течение которого совершается одно полное изменение ЭДС, то есть один цикл колебания или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания переменного тока (рисунок 1).
Рисунок 1. Период и амплитуда синусоидального колебания. Период – время одного колебания; Аплитуда – его наибольшее мгновенное значение.
Период выражают в секундах и обозначают буквой Т.
Так же используются более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс)- одна тысячная секунды и микросекунда (мкс)- одна миллионная секунды.
1 мс =0,001сек =10-3сек.
1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10-6сек.
1000 мкс = 1 мс.
Число полных изменений ЭДС или число оборотов радиуса-вектора, то есть иначе говоря, число полных циклов колебаний, совершаемых переменным током в течение одной секунды, называется частотой колебаний переменного тока.
Частота обозначается буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах.
Одна тысяча герц называется килогерцом (кГц), а миллион герц — мегагерцом (МГц). Существует так же единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.
1000 Гц = 103 Гц = 1 кГц;
1000 000 Гц = 106 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;
1000 000 000 Гц = 109 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;
Чем быстрее происходит изменение ЭДС, то есть чем быстрее вращается радиус-вектор, тем меньше период колебания Чем быстрее вращается радиус-вектор, тем выше частота. Таким образом, частота и период переменного тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Чем больше одна из них, тем меньше другая.
Математическая связь между периодом и частотой переменного тока и напряжения выражается формулами
Например, если частота тока равна 50 Гц, то период будет равен:
Т = 1/f = 1/50 = 0,02 сек.
И наоборот, если известно, что период тока равен 0,02 сек, (T=0,02 сек.), то частота будет равна:
f = 1/T=1/0,02 = 100/2 = 50 Гц
Частота переменного тока, используемого для освещения и промышленных целей, как раз и равна 50 Гц.
Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми частотами. Токи в антеннах радиостанций колеблются с частотами до 1 500 000 000 Гц или, иначе говоря, до 1 500 МГц или 1,5 ГГц. Такие высокие частоты называются радиочастотами или колебаниями высокой частоты.
Наконец, токи в антеннах радиолокационных станций, станций спутниковой связи, других спецсистем (например ГЛАНАСС, GPS) колеблются с частотами до 40 000 МГц (40 ГГц) и выше.
Амплитуда переменного тока
Наибольшее значение, которого достигает ЭДС или сила тока за один период, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока. Легко заметить, что амплитуда в масштабе равна длине радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно буквами Im, Em и Um (рисунок 1).
Угловая (циклическая) частота переменного тока.
Скорость вращения радиуса-вектора, т. е. изменение величины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ? (омега). Угол поворота радиуса-вектора в любой данный момент относительно его начального положения измеряется обычно не в градусах, а в особых единицах — радианах.
Радианом называется угловая величина дуги окружности, длина которой равна радиусу этой окружности (рисунок 2). Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2.
Рисунок 2. Радиан.
Тогда,
1рад = 360°/2
Следовательно, конец радиуса-вектора в течение одного периода пробегают путь, равный 6,28 радиан (2). Так как в течение одной секунды радиус-вектор совершает число оборотов, равное частоте переменного тока f, то за одну секунду его конец пробегает путь, равный 6,28 * f радиан. Это выражение, характеризующее скорость вращения радиуса-вектора, и будет угловой частотой переменного тока — ?.
Итак,
?= 6,28*f = 2f
Фаза переменного тока.
Угол поворота радиуса-вектора в любое данное мгновение относительно его начального положения называется фазой переменного тока. Фаза характеризует величину ЭДС (или тока) в данное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза показывает, убывает ли ЭДС или возрастает.
Рисунок 3. Фаза переменного тока.
Полный оборот радиуса-вектора равен 360°. С началом нового оборота радиуса-вектора изменение ЭДС происходит в том же порядке, что и в течение первого оборота. Следовательно, все фазы ЭДС будут повторяться в прежнем порядке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370° будет такой же, как и при повороте на 10°. В обоих этих случаях радиус-вектор занимает одинаковое положение, и, следовательно, мгновенные значения ЭДС будут в обоих этих случаях одинаковыми по фазе.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
Как определить частоту переменного тока
Содержание
- 1 Что такое частота
- 2 Как определяется
- 2.1 Измерение частоты
- 2.2 Расчёт частоты тока
- 3 Заключение
- 4 Видео по теме
В силу различных преимуществ большинство энергетических систем — от общегосударственных до бытовых, функционируют на переменном токе. Однако мало кто считается с тем, что кроме параметров напряжения и тока системы, важную роль играет также частота тока. Например, в функционале популярных мультитестеров измерение частоты переменного тока отсутствует. Между тем значения этой величины, которые выходят за требуемые пределы, грозят тяжёлыми последствиями. Мгновенно происходит разбалансированность системы энергоснабжения с неминуемыми катастрофическими последствиями для целых регионов.
Графическое отображение переменного тока
Что такое частота
Производство электроэнергии в подавляющем большинстве ситуаций называют контролируемым. Эту работу проделывают генераторы, преобразующие механическую энергию ротора турбины в электрическую. Как показано на схеме, на поверхности ротора имеется обмотка из медной проволоки, поэтому он представляет собой непрерывно вращающийся электромагнит.
Схематическое изображение генератора
Во время вращения ротора, созданное вокруг него магнитное поле, наводит электрический ток. Его направление периодически изменяется на противоположное, поскольку месторасположение полюсов электромагнита чередуется после каждого оборота ротора. Соответственно, ток тоже меняет своё направление два раза за цикл вращения.
Следствием и мерой скорости этих изменений является частота, которая измеряется количеством изменений месторасположения полюсов в секунду. Единица частоты получила наименование герц и обозначается двумя буквами — Гц. Таким образом, можно сказать, что генератор, который снабжён парой магнитных полюсов, вращающихся с угловой скоростью 3000 мин-1, будет производить ток частотой 50 Гц.
Мощность переменного тока изменяется по синусоидальному закону с чередованием положительных и отрицательных полюсов. При переходе каждого цикла из положительной области в отрицательную происходит соответствующее перемещение электронов. В конечном счете, эти циклы создают электрический нагрев или рассеивание мощности. Независимо от направления движения тока (т. е., положительного или отрицательного), если силы тока (напряжения) достаточно для удовлетворения требований электрического устройства, оно будет работать.
Синусоида переменного тока
Таким образом, количество полных циклов за секунду, когда переменный ток переходит от положительного полюса к отрицательному, называется частотой, а сам временной отрезок называется периодом. С точки зрения электрического тока частотой принято считать количество повторений синусоиды, а другими словами — это полное колебание, состоящее из положительной и отрицательной составляющих. Следовательно, частота и период связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью:
Определение частоты
Частота и период переменного тока варьируются в зависимости от страны, причём не обязательно привязываются к местному стандарту напряжения. Например, в США, Канаде и других странах со стандартным линейным напряжением 110…120 В эталоном частоты является 60 Гц. В большинстве стран, где значения переменного напряжения равняются 220…240 В (в том числе и в нашей стране), за стандартную частоту принято 50 Гц, однако Южная Корея, Филиппины и многие страны Карибского бассейна используют 220…240 В с частотой 60 Гц. А есть ещё и Япония, где напряжение в сети достигает 100 В, но стандартная частота переменного тока в разных районах составляет 50 и 60 Гц.
Большинство электронных устройств могут работать, потребляя переменный ток, если его частота 50 или 60 Гц. Но, для электроприборов, использующих довольно мощные приводы, рассчитанные на конкретную частоту (холодильники, морозильники, стиральные и сушильные машины), разница в 10 Гц уже значительна. В первую очередь это касается устройств, включающихся периодически. Их электромоторам приходится вращаться то быстрее, то медленнее, что отрицательно сказывается на их долговечности. В таких случаях необходимо использовать преобразователи частоты или трансформаторы напряжения.
Внешний вид преобразователя частоты
Как определяется
Существует два способа установить, чему равна частота и амплитуда переменного тока — применять специальные приборы либо воспользоваться результатами расчётов.
Измерение частоты
Для измерения частоты переменного тока используется принцип механического резонанса. Он является достаточно простым, хотя и не очень точным. Основывается на том факте, что для каждого физического объекта, обладающего упругими свойствами, существует определенное значение частоты, при которой он начинает вибрировать.
Примером подобного устройства является камертон. Если по нему ударить, он будет довольно продолжительное время вибрировать со звуком, зависящим от его длины. Чем длиннее камертон, тем ниже будет резонансная частота и наоборот.
Если представить себе ряд камертонов с постепенно увеличивающимися размерами, установленными на общем основании, то это основание станет вибрировать с частотой измеряемого напряжения или тока. Для этого устройство следует снабдить электромагнитом.
Измерения частоты тока выполняются с помощью набора «камертонов», в качестве которых используются полоски листового металла. Это устройство называется частотомером вибрирующего геркона.
Схема вибрационного частотомера
Используя частотомер, можно наглядно увидеть, как концы всех полосок встряхиваются в зависимости от того, как меняется величина переменного напряжения, приложенного к катушке. Тот из лепестков, который будет ближе всего к резонансной частоте переменного тока, станет вибрировать наиболее интенсивно.
Особой точностью вибрационные частотомеры не отличаются, зато характеризуются простотой своего изготовления. Их применяют в небольших электроремонтных мастерских, а также в быту с целью калибровки частоты вращения двигателя.
Хотя подобный прибор будет иметь малую точность, этого нельзя сказать о самом принципе измерения. Заменив механический резонатор на электрический, можно получить частотомер на основе катушки индуктивности и параллельно включённого конденсатора. Вместе они образуют колебательный контур.
Один или оба компонента этого контура могут быть регулируемыми. В цепь включается измерительный блок, который показывает максимальную амплитуду напряжения на конденсаторе и катушке. Ручки регулировки предварительно откалибровываются, чтобы иметь возможность выставлять резонансную частоту для любого варианта настройки. Частота считывается после настройки устройства на максимальное показание шкалы измерителя.
Схема электрического частотомера
Фактически частотомер реализует схему настраиваемого фильтра, после чего отсчёт показаний происходит как в мостовой схеме (она вначале балансируется для условного нулевого состояния, после чего выполняется отсчёт). До тех пор, пока катушка и/или конденсатор смогут перехватывать достаточное поле магнитного или электрического рассеивания от тестируемой цепи, устройство будет сохранять свою работоспособность.
Метод не требует прямого подключения к цепи, поэтому часто применяется в бытовых условиях. Наиболее точные результаты дают электронные частотомеры.
Внешний вид электронного частотомера
Расчёт частоты тока
Для расчёта требуется знать период или временной отрезок, в течение которого значение переменного тока повторяется и образует одну полную волну. Между периодом и частотой переменного тока имеется зависимость, которую отражает следующая формула:
Определение частоты электротока
Если известно значение циклической частоты ɷ и амплитуда А, то по схожей зависимости можно вычислить силу тока I:
Определение силы электротока
Определение угловой частоты выполняется с помощью такого уравнения:
Формула угловой скорости
Заключение
Учитывая тенденцию к постепенному уменьшению производства электроэнергии с использованием традиционных видов топлива, всё чаще возникают вопросы оптимального управления частотными параметрами систем энергетики. Идеальным выходом их положения считают такой, при котором данные функции будут реализованы вследствие применения более стабильных и доступных форм генерации. К ним стоит отнести атомную энергетику, использование энергии солнца и ветра.
Видео по теме
Изобретение электричества поставило человечество на новую грань развития. Технический прогресс опирался на два направления движения с использованием электроэнергии. В одном случае применялся постоянный ток, во втором – переменный. Внедрение источников электричества и электропотребителей вылилось в столетнюю войну между приверженцами двух видов энергии. В конце концов, победу одержали те, кто продвигал идею повсеместного использования её переменного вида.
Общее понятие о переменном токе
В отличие от постоянного движения электронов в одном направлении, переменный ток меняет как направление, так и значение несколько раз за единицу времени. Изменения происходят по гармоническому закону. Если наблюдать подобный сигнал с помощью осциллографа, можно увидеть картинку в виде синусоиды.
Относительно оси ординат OY ток меняет своё направление с положительного на отрицательное и делает это периодически. Поэтому его мгновенное значение в первой позиции считается положительным, во второй – отрицательным.
Важно! Так как переменный ток – это алгебраическая величина, то говорить о его знаке заряда можно только для конкретного мгновенного значения, смотря, в каком направлении он протекает в этот момент.
Использование формулы
Использование закона Ома позволяет построить временные характеристики различных элементов. С помощью него несложно рассчитать нагрузки для электрических схем, выбрать нужное сечение проводов, правильно подобрать защитные автоматы и предохранители. Понимание закона даёт возможность применить правильный источник питания.
Использование Закона Ома можно применить на практике для решения задачи. Например, пускай есть электрическая линия, состоящая из последовательно соединённых элементов, таких как: ёмкость, индуктивность и резистор. При этом ёмкость C = 2*Ф, индуктивность L=10 мГн, а сопротивление R = 10 кОм. Требуется вычислить импеданс полной цепи и рассчитать силу тока. При этом блок питания работает на частоте равной f = 200 Гц и выдаёт сигнал с амплитудой U = 12 0 В. Внутреннее сопротивление источника питании составляет r = 1 кОм .
Вначале необходимо рассчитать реактивное сопротивление в цепи переменного тока. Так, ёмкостное сопротивление находится из выражения: Xc = 1/ (2 *p *F*C) и на частоте 200 Гц оно равно: Xc = 588 Ом.
Индуктивное сопротивление находится из выражения: XL = 2*p*F* L. На f = 200 Гц и оно оставляет: X*L = 1,25 Ом. Полное сопротивление RLC цепи будет: Z = ((10 *10 3 +1*10 3 ) 2 + (588−1,25) 2 ) ½ = 11 кОм.
Разность потенциалов, изменяющаяся по гармоническому закону синуса, будет определяться: U (t) = U * sin (2* p *f*t) = 120*sin (3,14*t). Ток будет равен: I (t) = 10* 10 −3 + sin (3,14*t+p/2).
По рассчитанным данным можно построить график тока, соответствующий частоте 100 Гц. Для этого в декартовой системе координат отображается зависимость тока от времени.
Следует отметить, закон Ома для переменного сигнала отличается от использующегося для классического расчёта лишь учётом полного сопротивления и частоты сигнала
А учитывать их важно, так как любой радиокомпонент обладает как активным, так и реактивным сопротивлением, что в итоге сказывается на работе всей схемы, особенно на высоких частотах. Поэтому при проектировании электронных конструкций, в частности импульсных устройств, для расчётов используется именно полный закон Ома
Периодический переменный ток
Тот, который, изменяясь, успевает вернуться к своему исходному значению через одинаковые временные интервалы и при этом проходит весь цикл своих преобразований, называется периодическим. Его можно проследить на синусоиде, изображённой на экране осциллографа.
Резонансная частота: формула
Видно, что через одинаковые интервалы времени график повторяется без перемен. Эти интервалы обозначаются буквой Т и называются периодами. Частота, с которой в единицу времени укладывается определённое количество подобных периодов, – это частота тока переменного значения.
Её можно вычислить по формуле частоты переменного тока:
f = 1/T,
где:
- f – частота, Гц;
- T – период, с.
Частота равна количеству периодов в секунду и имеет единицу измерения 1 герц (Гц).
Внимание! Единица частоты в системе СИ носит имя Генриха Герца. 1 герц (Гц, Hz) = 1 с-1. К ней применимы кратные и дольные, выраженные стандартными приставками СИ, единицы.
Стандарты частоты
Для того чтобы обеспечить согласование работы источников переменного электричества, систем передач, приём и работу электропотребителей, применяются стандарты частоты. Используемая частота в электротехнике некоторых стран:
- 50 Гц – страны бывшего СССР, Прибалтики, страны Европы, Австралия, КНДР и другие;
- 60 Гц – стандарт, принятый в США, Канаде, Доминиканской республике, Тайвани, на Каймановых островах, Кубе, Коста-Рике, Южной Корее и ещё в некоторых странах.
В Японии используются обе частоты. Восточные регионы (Токио, Сендай, Кавасаки) используют частоту 50 Гц. Западные области (Киото, Хиросима, Нагоя, Окинава) применяют частоту 60 Гц.
К сведению. Железнодорожная инфраструктура Австрии, Норвегии, Германии, Швейцарии и Швеции по сей день применяет частоту 16,6 Гц.
Что показывает вольтметр, или математика розетки
О чем эта статья
Сегодня я ненадолго отступлю от своей обычной темы о визуальном программировании контроллеров и обращусь к теме измерений напряжения прямо в ней, в розетке! Родилась эта статья из дискуссий за чаем, когда разразился спор среди «всезнающих и всеведающих» программистов о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного напряжения, чем отличается пиковое и действующие значения напряжений.
Скорее всего, это статья будет интересна тем, кто начинает творить свои устройства. Но, возможно, поможет и кому-то опытному освежить память.
В статье рассказано о том, какие напряжения есть в сети переменного тока, как их измеряют и о том, что следует помнить при проектировании электронных схем. Всему дано краткое и упрощённое математическое обоснование, чтобы было ясно не только «как», но и «почему».
Кому не интересно читать про интегралы, ГОСТы и фазы — могут сразу переходить к заключению.
Вступление
Когда люди начинают говорить о напряжении в розетке, очень часто стереотип «в розетке 220В» скрывает от их взора реальное положение дел.
Начнем с того, что согласно ГОСТ 29322-2014
, сетевое напряжение должно составлять
230В±10%
при частоте
50±0,2Гц
(межфазное напряжение
400В
, напряжение фаза-нейтраль
230В
). Но в том же
ГОСТ
имеется примечание: «
Однако системы 220/380 В и 240/415 В до сих пор продолжают применять
».
Согласитесь, что это уже совсем не то однозначное «в розетке 220В
», к которому мы привыкли. А когда речь начинает идти о «
фазном
», «
линейном
», «
действующем
» и «
пиковом
» напряжениях — вообще каша получается знатная. Так сколько же вольт в розетке?
Чтобы ответить на этот вопрос начнем с того, как измеряется напряжение в сети переменного тока.
Как измерять переменное напряжение?
Прежде, чем углубиться в дебри цепей переменного тока и напряжения, вспомним школьную физику цепей тока постоянного.
Цепи постоянного тока — вещь простая. Если мы возьмем некоторую активную нагрузку (пусть это будет обычная лампа накаливания, как на рисунке) и воткнем ее в цепь постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи будет характеризоваться всего двумя величинами: напряжением на нагрузке U
и током, протекающим через нагрузку
I
. Мощность, которая потребляется нагрузкой однозначно вычисляется по формуле, известной со школы: .
Или, если учесть, что по закону Ома , то мощность P
, потребляемую нагрузкой-лампочкой, можно вычислить по формуле .
С переменным напряжением все куда сложнее: в каждый момент времени — оно может иметь разное мгновенное значение. Следовательно, в разные моменты времени, на нагрузке, подключенной к источнику переменного напряжения (например, на лампе накаливания, воткнутой в розетку) будет выделяться разная мощность. Это очень неудобно с точки зрения описания электрической цепи.
Но нам повезло: форма напряжения в розетке синусоидальная. А синусоида, как известно, полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя дырочками именно и есть однофазная сеть) про фазу можно забыть. На рисунке подробно показаны два периода сетевого однофазного напряжения. Того самого, что в розетке.
Рассмотрим, что означают все эти буковки на рисунке.
Период T
— это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоиды. Для осветительной сети РФ этот период составляет
20 миллисекунд
, что соответствует частоте
50Гц
. Частота колебаний напряжения электрической сети выдерживается очень точно, до долей процента.
Очевидно, что в любых двух точках синусоиды, отстоящих друг от друга на целое число периодов, напряжения всегда равны между собой.
Амплитуда Um
— это максимальное напряжение, пик синусоиды. Про действующее напряжение
Uд
поговорим чуть ниже.
Напряжение в розетке (или однофазной сети) описывается формулой
где
t
— текущий момент времени,
Um
— амплитуда (или пиковое значение) напряжения,
T
— период сетевого напряжения.
Если с однофазным переменным напряжением более или менее все ясно, то попробуем посчитать мощность, которая выделяется на нашей любимой лампе накаливания, при втыкании ее прямо в розетку.
Так как лампа накаливания является активной нагрузкой (а это значит, что ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), то мгновенная мощность, выделяемая на лампе накаливания, воткнутой в розетку, будет вычисляться по формуле
где
t
— текущий момент времени, а
R
— сопротивление лампы накаливания при нагретой спирали. Зная амплитуду переменного напряжения
Um
, можно записать:
Понятно, что мгновенная мощность — неудобный параметр, да и на практике не особо нужный. Поэтому практически обычно применяется мощность, усредненная за период. Именно усредненная мощность указана на лампочках, нагревателях и прочих бытовых утюгах.
Рассчитывается усредненная мощность в общем случае по формуле:
А для нашей синусоиды — по гораздо более простой формуле:
Можете сами подставить вместо функцию и взять интеграл, если не верите.
Не думайте, что про мощность я вспомнил просто так, из вредности. Сейчас поймете, зачем она нам была нужна. Переходим к следующему вопросу.
Что же показывает вольтметр?
Для цепей постоянного тока, тут все однозначно — вольтметр показывает единственное напряжение между двумя контактами.
С цепями переменного тока все опять сложнее. Некоторые (и этих некоторых не так мало, как я убедился) считают, что вольтметр показывает пиковое значение напряжения Um
,
но это не так
!
На самом деле, вольтметры обычно
показывают
действующее
или
эффективное
, оно же
среднеквадратичное
, напряжение в сети
Uд
.
Разумеется, речь идет о вольтметрах переменного напряжения
! Поэтому, если будете измерять вольтметром напряжение сети,
обязательно убедитесь, что он находится в режиме измерения переменного напряжения
.
Оговорюсь, что «пиковые вольтметры», показывающие амплитудные значения напряжения, тоже существуют, но на практике при измерении напряжения питающей сети в быту обычно не применяются.
Разберемся, почему такие сложности. Почему бы не измерять просто амплитуду? Зачем выдумали какое-то «действующее значение» напряжения?
А все дело в потребляемой мощности. Я ведь не просто так писал о ней. Дело в том, что действующее (эффективное) значение переменного напряжения равно величине такого постоянного напряжения, которое за время, равное одному периоду этого переменного напряжения, произведет такую же работу, что и рассматриваемое переменное напряжение
.
Или, по-простому, лампочка накаливания будет светить одинаково ярко, воткнем ли мы ее в сеть постоянного напряжения 220В
или в цепь переменного тока с действующим значением напряжения
220В
.
Для тех, кто уже знаком с интегралами или еще не забыл математику, приведу общую формулу расчета действующего напряжения произвольной формы:
Из этой формулы также становится ясно, почему действующее (эффективное) значение переменного напряжения также называют «среднеквадратичным».
Заметим, что подкоренное выражение и есть та самая «усредненная за период мощность», стоит только поделить это выражение на сопротивление нагрузки R
.
Применительно к синусоидальной форме напряжения, страшный интеграл после несложных преобразований превратится в простую формулу:
где Uд
— действующее или среднеквадратичное значение напряжение (то самое, которое обычно показывает вольтметр), а
Um
— амплитудное значение.
Действующее напряжение хорошо тем, что для активной нагрузки, расчет усредненной мощности полностью совпадает с расчетом мощности на постоянном токе:
Это и не удивительно, если вспомнить определение действующего значения напряжения, которое было дано чуть выше.
Ну и, наконец, посчитаем, чему же равна амплитуда напряжения в розетке «на 220В
«:
В худшем случае, если у вас сеть на 240В, да еще и с допуском +10%, амплитуда будет аж !
Поэтому, если хотите, чтобы ваши устройства, питающиеся от сети, работали стабильно и не сгорали, выбирайте элементы, которые выдерживают пиковые напряжения не менее 400В
. Разумеется, речь идет об элементах, на которые непосредственно подаётся сетевое напряжение.
Отмечу, что для не-синусоидальной формы сигнала действующее значение напряжения рассчитывается по иным формулам. Кому интересно — могут сами взять интегралы или обратиться к справочникам. Нас же интересует питающая сеть, а там всегда должна быть синусоида.
Фазы, фазы, фазы…
Помимо обычной однофазной осветительной сети ~220В
все слышали и о трехфазной сети
~380В
. Что такое
380В
? А это
межфазное эффективное напряжение
.
Помните, я сказал, что в однофазной сети про фазу синусоиды можно забыть? Так вот, в трехфазной сети этого делать нельзя!
Если говорить по простому, то фаза — это сдвиг во времени одной синусоиды относительно другой. В однофазной сети мы всегда могли принять за начало отсчета любой момент времени — на расчеты это не влияло. В трехфазной сети необходимо учитывать насколько одна синусоида отстоит от другой. В трехфазных сетях переменного тока каждая из фаз отстоит от другой на треть периода или на 120
градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен
360
градусов.
Если мы возьмем осциллограф с тремя лучами и прицепимся к трем фазам и одному нулю, то увидим такую картину.
«Синяя
» фаза — начинается от нуля отсчета. «
Красная
» фаза — на треть периода (
120
градусов) позже. И, наконец «
зеленая
» фаза начинается на две трети периода (
240
градусов) позже «
синей
». Все фазы абсолютно симметричны друг относительно друга.
Какую именно фазу брать за точку отсчета — не важно. Картина будет одинаковой.
Математически можно записать уравнения всех трех фаз:
«Синяя
» фаза:
«Красная
» фаза:
«Зеленая
» фаза:
Если измерить напряжение между любой из фаз и нулем в трехфазной сети — то получим обычные 220В
(или
230В
или
240В
— как повезет, см.
ГОСТ
).
А если измерить напряжение между двумя фазами — то получим 380В
(или
400В
или
415В
— не забываем об этом).
То есть трехфазная сеть — многолика. Ее можно использовать как три однофазные сети с напряжением 220В
или как одну трехфазную сеть с напряжением
380В
.
Откуда взялось 380В
? А вот откуда.
Если мы подставим в формулу расчета действующего напряжения наши данные о двух любых фазах, то получим:
или, упрощая:
Uдф
— действующее
межфазное
, оно же
линейное
напряжение.
Учитывая, что амплитуда каждой фазы получим, чтодля межфазного напряжения. На рисунке наглядно показано, как образуется межфазное напряжение, которое обозначено F1-F2
из двух фазных напряжений фаз
F1
и
F2
. Напряжение фаз
F1
и
F2
измеряется относительно нулевого провода. Линейное напряжение
F1-F2
измеряется между двумя разными фазными проводами.
Как видим, что действующее межфазное напряжение больше амплитуды синусоидального напряжения одной фазы.
Амплитуда межфазного напряжения составляет:
Для наихудшего случая (сеть 240В
и межфазное напряжение
415В
, да еще
10%
сверху) амплитуда межфазного напряжения составит:
Учтите это при работе в трехфазных сетях и выбирайте элементы, рассчитанные не менее, чем на 650В
, если им предстоит работать между двумя фазами!
Надеюсь, теперь понятно что показывает вольтметр переменного тока?
Заключение
Итак, очень кратко, почти на пальцах, мы ознакомились с тем какие напряжения действуют в бытовых сетях переменного тока. Подведем краткие итоги всего, изложенного выше.
- Фазное напряжение — это напряжение между фазой и нулевым проводом.
- Линейное или межфазное напряжение — это напряжение между двумя разными фазными проводами одной трехфазной сети.
- В сетях переменного тока РФ действуют три, хоть и близких, но разных стандарта (фазное/линейное): 220В/380В, 230В/400В и 240В/415В переменного тока с частотой 50Гц.
- Вольтметр переменного тока обычно показывает действующее
(оно же
среднеквадратичное
, оно же
эффективное
) напряжение, которое в раза меньше, чем пиковое (амплитудное) напряжение в сети. - В наихудшем с точки зрения стандартов случае пиковое фазное напряжение составляет примерно 373В, а пиковое линейное напряжение — 645B. Это следует учитывать при разработке электронных схем.
Надеюсь эта статья помогла кому-то разобраться в теме и ответить для себя на некоторые вопросы.
Отправлять предложения и пожелания, замеченные опечатки и просто мнения можно в комментарии или на почту: [email protected]
.
Переменный синусоидальный ток
Частота вращения: формула
Это тот ток, который периодически меняется во времени, и его изменения подчиняются закону синусоиды. Это элементарное движение электрических зарядов, потому дальнейшему разложению на простые токи оно не подлежит.
Вид формулы такого переменного тока:
i = Im*sinωt,
где:
- Im – амплитуда;
- sinωt – фаза синусоидального тока, рад.
Здесь ω = const, называется угловой частотой переменного электричества, причём угол ωt находится в прямой временной зависимости.
Зная частоту f исходного тока, можно вычислить его угловую частоту, применив выражение:
ω = 2πf = 2π/Т.
Тут 2π – это выраженное в радианах значение центрального угла окружности:
- Т = 2 π радиан = 3600;
- Т/2 = π = 1800;
- Т/4 = π/2 = 900.
Если выразить 1 рад в градусах, то он будет равен 57°17′.
Как рассчитать Xc
Сила тока цепи с постоянными показателями напряжения в момент работы электроконденсатора равно 0. Ее значения в цепи с переменным напряжением после подключения конденсатора I ? 0. В итоге, цепочке с непостоянным напряжением конденсатор придает Xc меньшее, чем цепочке с неизменным показателем напряжения.
Формула вычисления показателя напряжения за одну секунду
Формула расчета величины силы электротока за мгновение
Получается, что изменения напряжения отличаются по фазе от изменений тока на π/2.
По закону, сформулированному Омом, показатели силы электротока находятся в прямой пропорциональной зависимости от величины напряжения цепи. Формула вычисления наибольших величин напряженности и силы тока:
Наибольшие величины напряженности и силы тока можно рассчитывать по формулеОкончательная формула расчета емкостного сопротивления в цепи переменного тока
ω = 2πf.
f — показатель частоты непостоянного тока, измеряется в герцах;
ω — показатель угловой частоты тока;
С — размер конденсатора в фарадах.
Важно! Xc не выступает параметром проводника, оно находится в зависимости от такой характеристики электроцепи, как частота электротока. Повышение значений данной величины вызывает рост пропускающей способности конденсатора (предел его сопротивления току непостоянному понижается)
Повышение значений данной величины вызывает рост пропускающей способности конденсатора (предел его сопротивления току непостоянному понижается).
Представим, к цепи подключен конденсатор, емкостью 1 мкФ. Необходимо вычислить, уровень емкостного сопротивления при величине частоты 50 Гц и как изменится емкостное сопротивление цепи переменного тока при частоте 1 кГц. Амплитуда напряжения, подведенного к конденсатору, составляет 50 В.
После введения данных в формулу, определяющую Xc, и получаются значения:
Результат для частоты 50 ГцРезультат для 1 кГц
Емкостное сопротивление приравнивается к соотношению отклонений колебаний напряжения зажимов электрической цепочки с емкостными параметрами (с небольшими индуктивным и активным сопротивлениями) к колебаниям электротока цепочки. Она равнозначна электроконденсатору.
Многофазный переменный ток
Обозначение переменного тока
Для запуска и работы многих промышленных устройств и электрооборудования требуется не одна фаза, а несколько. В связи с этим рассматривают такие понятия, как двухфазный и трёхфазный переменные токи.
Трёхфазный ток
Этот вид электричества применяют в трёхфазной системе, в которую включены три однофазные цепи. Цепи имеют ЭДС переменной природы одной и той же частоты. Эти ЭДС сдвинуты по фазе относительно друг друга на ϕ = Т/3 = 2π/3. Такую систему называют трёхфазным током, а цепь – фазой.
Выработка, преобразование, доставка и потребление переменного электрического тока в основном происходят по трёхфазной системе электроснабжения.
Двухфазный ток
Ещё в 1888 году Никола Тесла выполнил описание того, как можно на практике применить двухфазную сеть, и предложил разработанную им конструкцию двухфазного двигателя. Такие сети начали применять в начале 20 века. Они состояли из двух контуров.
Там напряжения контуров сдвигались по фазе на 900. Каждая фаза включала в себя два провода, у двухфазных генераторов было по два ротора, также конструктивно развёрнутые на угол 900.
Важно! Такие сети позволяли производить мягкий пуск двухфазных электродвигателей, практически с нулевого момента вращения. В то время как для запуска однофазного асинхронного двигателя требуется дополнительная пусковая обмотка или система запуска.
Мощность тока через катушку
Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :
Для мгновенной мощности получаем:
Снова средняя мощность оказывается равной нулю. Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).
Рис. 5. Напряжение на катушке и сила тока через неё
Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.
В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.
Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти. Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.
Действующее значение синусоидального тока
Под действующим значением понимают его эффективность. Она равна такому значению постоянного тока, который выполнит ту же работу, что и переменный, за один период времени. Под работой здесь подразумевают его тепловую или электродинамическую направленность. Удобнее всего использовать среднеквадратичное значение переменного электричества.
Тогда действующее значение для синусоидального тока определяют по формуле:
I = * Im ≈ 0,707* Im,
где Im – величина амплитуды тока.
Генерирование переменного тока
Кроме стандартных генераторов, для производства переменного тока применяются инверторы и фазорасщепители.
Инвертор
Это устройство, с помощью которого из постоянного тока получают его переменный вид. В процессе этого величина выходного напряжения тоже меняется. Схема устройства представляет собой электронный генератор синусоидального импульсного напряжения периодического характера. Есть варианты инверторов, работающих с дискретным сигналом. Инверторы применяют для автономного питания оборудования от аккумуляторов постоянного напряжения.
Фазорасщепитель
Ещё один способ получить несколько фаз из какого-либо сигнала – это выполнить его расщепление на несколько фаз. Это делается с помощью фазорасщепителя. Принудительная обработка сигналов цифрового или аналогового формата используется, как в радиоэлектронике, так и в силовой электротехнике.
Для электроснабжения трёхфазных асинхронных двигателей применяют выполненный на их же базе фазорасщепитель. Для этого обмотки трёхфазного двигателя соединяют не «звездой», а иначе. Две катушки присоединяют между собой последовательно, третью – подключают к средней точке второй обмотки. Двигатель запускают, как однофазный, после разгона в его третьей обмотке наводится ЭДС.
Интересно. В случае расщепления фаз подобным методом сдвиг фаз между 2 и 3 обмоткой составляет не 1200, как должно быть в идеале, а 900.
Напряжение в электросети
Это самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы.
Старый ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» гласит, что действующее (или среднеквадратическое, что для синуса одинаково) фазное напряжение в питающей сети должно составлять 220±10 %=198…242 В.
Однако новый ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные» «повысил» напряжение до 230 В±10 % =207…253 В. При этом разрешено действие напряжения 220 В. Линейные напряжения (между фазами) будут соответственно 380 и 400 В.
Получается, что если напряжение в розетке «плавает» от 198 до 253 В, то это укладывается в норму.
Рассмотрим трехфазную систему питания. Пример того, что может происходить на вводе в электрошкаф, виден на экране анализатора качества электроэнергии HIOKI 3197.
На графиках видно, что уровень фазного напряжения колеблется около среднего уровня 238–240 В за время измерения 2 минуты. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, за это время несколько раз включалась относительно мощная трехфазная нагрузка.
График напряжения, приведенный выше, может записываться в память прибора несколько дней. Таким образом, можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор. Либо вообще его не ставить, а отремонтировать электропроводку или предъявить претензии энергоснабжающей организации.
Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все артефакты на напряжении. Например, скачки и провалы напряжения (последствия плохих контактов или помех), моменты пуска мощных приводов и т. д. Пороги событий устанавливаются в настройках. Пример экрана, на котором отображены события:
Сети переменного тока
По назначению и применению эти сети можно классифицировать следующим образом:
- общие системы: питание объектов промышленного, транспортного, сельскохозяйственного и бытового назначения;
- автономные сети: снабжение передвижных и стационарных автономных субъектов.
Общие сети переменного трёхфазного тока построены по четырёхпроводной схеме, где три провода – это «фаза», четвёртый – «ноль». Трансформаторные подстанции построены по схеме с глухо заземлённой нейтралью. Передача на дальние расстояния производится при высоком напряжении, которое затем понижается на подстанциях до напряжения 0,4 кВ и раздаётся потребителям.
Бытовые объекты подключаются по однофазной схеме. В этом случае требуются два провода: «фазный» и «нулевой».
В каких странах кроме США распространен стандарт 100 — 127 В?
Вот список стран, где используются сети 100–127 В. Это стоит учитывать, если планируете поехать на отдых заграницу.
| Страна | Напряжение, В |
| Самоа | 120 |
| Ангилья | 110 |
| Аруба | 127 |
| Багамские о-ва | 120 |
| Барбадос | 110 |
| Белиз | 120 |
| Бермуды | 120 |
| Бонайре | 127 |
| Бразилия | 127 |
| Венесуэла | 120 |
| Виргинские о-ва | 110 |
| Гаити | 110 |
| Гватемала | 120 |
| Гондурас | 110 |
| Гуам | 110 |
| Доминиканская республика | 110 |
| Каймановы о-ва | 120 |
| Канада | 110 |
| Тайвань | 110 |
| Колумбия | 120 |
| Коста-Рика | 120 |
| Куба | 110 |
| Либерия | 110 |
| Ливия | 127 |
| Мадагаскар | 127 |
| Марокко | 127 |
| Мексика | 127 |
| Микронезия | 120 |
| Антильские о-ва | 127 |
| Никарагуа | 120 |
| Панама | 110 |
| Пуэрто-Рико | 120 |
| Сальвадор | 115 |
| Саудовская Аравия | 127 |
| Сент-Китс и Невис | 110 |
| Суринам | 127 |
| Таити | 110 |
| Тринидад и Тобаго | 115 |
| Эквадор | 120 |
| Ямайка | 110 |
| Япония | 100 |
Как видим, не так уж и мало стран, где напряжение 100–127 В.
Взаимосвязь частоты и работы электрооборудования
Частота тока – это один из параметров электроэнергии, который влияет на стабильную работу электроустановок и оборудования. При поставке энергии потребителю этот параметр строго контролируется, так же, как и напряжение.
Нить взаимосвязи выражается формулой номинального количества оборотов в минуту для вращающихся машин. КПД (коэффициент полезного действия) заложен в самой конструкции агрегатов. Он максимален при:
n = 60f/p,
где:
- n – количество об./мин.;
- f – частота;
- p – количество пар полюсов.
Количество оборотов турбины генераторов напрямую связано с частотой вырабатываемого переменного тока, полученная частота отвечает за оптимальный режим вращения электродвигателя потребителя. При снижении частоты в сети обороты машины снижаются автоматически. Происходит перегрузка на валу, и страдает двигатель.
В то же время технологическая линия, в которую он передаёт энергию вращения, также терпит изменения в работе:
- изменяется скорость движения конвейера, что влечёт за собой сбой технологического процесса и брак в итоге;
- снижаются мощность и частота вращения насосов, вентиляторов, что приводит к нестабильной работе систем, в которых они установлены;
- снижение частоты в энергосистеме на 1% приводит к падению общей мощности на нагрузке до 2%.
Для контроля этого важного электрического параметра применяют частотомеры.
Внимание! Снижение частоты на 10-15% вызывает падение производительности механизмов даже на самой электростанции до нуля. При частоте тока в сети 50 Гц (критической величиной являются 45 Гц) происходит лавинный спад.
Как и зачем оценивать качество напряжения в сети?
Действительно, зачем? Ведь достаточно нажать кнопку на пульте телевизора или воткнуть зарядное устройство айфона в розетку и пользоваться благами электрификации всей страны!
Но бывают моменты, когда что-то идет не так: крокодил не ловится, айфон не заряжается, кондиционер вместо прохлады выдает натужное гудение, а телевизор после щелчка не подает признаков жизни.
Тут собрались люди знающие, которые понимают, что значения основных параметров электрической сети — напряжения и частоты — можно узнать в первую очередь посредством мультиметра. Но что делать, если нужно посмотреть, что делается в розетке в течение суток? А что если нужно отследить скачок напряжения, который по времени гораздо короче интервала измерения мультиметра? Причем может быть так, что время появления этого артефакта неизвестно.
Обычно при любых проблемах с напряжением ставят стабилизаторы, но они помогают далеко не всегда. Ведь стабилизатор устраняет следствие, но не причину проблемы. А если происходит скачкообразное кратковременное изменение напряжения, то стабилизатор не только не поможет, но и усугубит положение.
И чтобы понять, что делать в том или ином случае — проверить качество контактов на вводе или поставить стабилизатор, — нужен анализатор качества электроэнергии (Power Quality Analyzer).
Анализатор качества электроэнергии дает полную картину того, что происходит в розетке.
Я использую в своей работе анализатор качества электрической энергии HIOKI 3197, фото которого будут приведены в статье.
Без анализатора качества часто вообще непонятно, что происходит в сети: какие помехи, импульсные перенапряжения и провалы, коэффициент мощности cos и так далее. Приходится действовать наугад, используя свой опыт и эксперименты. А с японцем HIOKI из Нагано все ясно-понятно. Для того, чтобы составить полную картину того, что творится в сети, прибор имеет клещи для измерения тока и зажимы для измерения напряжения, а также зажим для подключения к нейтрали. Итого — 7 точек подключения.
Реальный случай, когда без анализатора качества не обойтись. Контроллер в технологической линии периодически зависал и выдавал ошибки. Когда все перелопатили, а причину не нашли, на помощь пришел анализатор качества электроэнергии. После непродолжительного наблюдения напряжения 220 В, поступающего на питание контроллера, выяснилось, что причина в плохом контакте внутри сетевого фильтра.
Токи высокой частоты
ТВЧ – такова их аббревиатура, используются для плавки металлов, закалки поверхности металлических изделий. ТВЧ – это токи, имеющие частоту более 10 кГц. В индукционных печах используют ТВЧ, помещая проводник внутрь обмотки, через которую пропускают ТВЧ. Под их воздействием возникающие в проводнике вихревые токи разогревают его. Регулируя силу ТВЧ, контролируют температуру и скорость нагрева.
Интересно. Расплавляемый металл может быть подвешен в вакууме с помощью магнитного поля. Для него не нужен тигель (специальный ковш для нагрева). Так получают очень чистые вещества.
Плюсы использования ТВЧ в разных случаях:
- быстрый нагрев при ковке и прокате металла;
- оптимальный температурный режим для пайки или сварки деталей;
- расплав даже очень тугоплавких сплавов;
- приготовление пищи в микроволновых печах;
- дарсонвализация в медицине.
Получают ТВЧ с помощью установок, включающих в свой состав колебательный контур, или электромашинных генераторов. У статора и ротора генераторов на сторонах, обращённых друг другу, нанесены зубцы. Их взаимное движение порождает пульсацию магнитного поля. Частота на выходе тем больше, чем больше произведение числа зубцов ротора на частоту его вращения.
Период пульсаций и частота
Частота переменного тока может иметь другое название – пульсация. Периодом пульсации называют время единичной пульсации.
Интенсивность циклов
Для электросети с частотой 50 Гц период пульсации составит:
Т = 1/50 = 0,02 с.
При необходимости, зная эту зависимость, можно по времени цикла вычислить частоту.
Опасность разночастотных зарядов
Как постоянный, так и переменный ток при определённых значениях представляет опасность для человека. До 500 В разница в безопасности находится в соотношении 1:3 (42 В постоянного к 120 В переменного).
При значениях выше 500 В это соотношение выравнивается, причём константное электричество вызывает ожоги и электролизацию кожных покровов, изменяющееся – судороги, фибрилляцию и смерть. Тут уже частота пульсации имеет большое значение. Самый опасный интервал частот – от 40 до 60 Гц. Далее с повышением частоты риск поражения уменьшается.
Частота переменного электричества – важный параметр. Она влияет не только на работу электроустановок потребителей, но и на человеческий организм. Изменяя частоту электрических колебаний, можно менять технологические процессы на производстве и качество вырабатываемой энергии.
Электрификация железных дорог на переменном токе[править]
Российский пассажирский электровоз переменного тока ЭП1П, выпускается на Новочеркасском электровозостроительном заводе.
В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение ~ 25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь)
подаётся на контактный провод, вторым (обратным) проводом служат рельсы. Также проводится электрификация по системе
2 × 25 кВ(два по двадцать пять киловольт)
, когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение ~ 50 кВ
(обычно до 55 кВ, с учётом потерь)
, а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ
(то есть 25 кВ)
. Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 × 25 кВ в переделке не нуждаются.
Проводится политика на дальнейшее расширение полигона тяги переменного тока как за счёт вновь электрифицируемых участков, так и за счёт перевода некоторых линий с постоянного тока на переменный ток. Переведены в 1990-е — 2000-е годы:
— на Восточно-Сибирской железной дороге: участок Слюдянка — Иркутск — Зима; — на Октябрьской железной дороге: участок Лоухи — Мурманск; — на Приволжской железной дороге: Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы; — на Северо-Кавказской железной дороге: участки Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.
Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).
Переменный ток имеет ряд важных характеристик, влияющих на его физические свойства. Одним из таких параметров является частота переменного тока. Если говорить с точки зрения физики, то частота – это некая величина, обратная периоду колебания тока. Если проще – то это количество полных циклов изменения ЭДС, произошедших за одну секунду.
Известно, что переменный ток заставляет электроны двигаться в проводнике сначала в одну сторону, потом — в обратную. Полный путь «туда-обратно» они совершают за некий промежуток времени, называемый периодом переменного тока. частота же является количеством таких колебаний за 1 секунду.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В качестве единицы измерения частоты во всем мире принят 1 Гц (в честь немецкого ученого Г.Герца), который соответствует 1 периоду колебания за 1 секунду.
В республиках бывшего СССР стандартной считается частота тока в 50 Гц.
Это значит, что синусоида тока движется в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении, и 50 — в обратном, 100 раз проходя чрез нулевое значение. Получается, что обычная лама накаливания, включенная в сеть с такой частотой, будет затухать и вспыхивать примерно 100 раз за секунду, однако мы этого не замечаем в силу особенностей своего зрения.
Для измерения частоты переменного тока применяют приборы, называемые частотомерами. Частотомеры используют несколько основных способов измерения, а именно:
Метод дискретного счета;
Метод перезаряда конденсатора;
Резонансный метод измерения частот.
Метод сравнения частот; в качестве:
Метод дискретного счета основывается на подсчете импульсов необходимой частоты за конкретный промежуток времени. Его наиболее часто используют цифровые частотомеры, и именно благодаря этому простому методу можно получить довольно точные данные.
Более подробно о частоте переменного тока Вы можете узнать из видео:
Метод перезаряда конденсатора тоже не несет в себе сложных вычислений. В этом случае среднее значение силы тока перезаряда пропорционально соотносится с частотой, и измеряется при помощи магнитоэлектрического амперметра. Шкала прибора, в таком случае, градуируется в Герцах.
Погрешность подобных частотомеров находится в пределах 2%, и поэтому такие измерения вполне пригодны для бытового использования.
Резонансный способ измерения базируется на электрическом резонансе, возникающем в контуре с подстраиваемыми элементами. Частота, которую необходимо измерить, определяется по специальной шкале самого механизма подстройки.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Такой метод дает очень низкую погрешность, однако применяется только для частот больше 50 кГц.
Метод сравнения частот применяется в осциллографах, и основан на смешении эталонной частоты с измеряемой. При этом возникают биения определенной частоты. Когда же частота этих биений достигает нуля, то измеряемая частота становится равной эталонной. Далее, по полученной на экране фигуре с применением формул можно рассчитать искомую частоту электрического тока.
Ещё одно интересное видео о частоте переменного тока:
