В данной расскажем что такое переменный электрический ток и трехфазный переменный переменный ток.

Понятие переменного электрического тока даётся в учебнике физики общеобразовательного учебного заведения — школы. — ток имеющий форму гармонического синусоидального сигнала, основными характеристиками которого являются действующее напряжение и частота, с течением времени изменяется по направлению и величине.

Частота – это количество полных изменений полярности переменного электрического тока за одну секунду. Это означает, что ток, в обычной бытовой розетке частотой 50 Герц за одну секунду меняет своё направление с положительного значения на отрицательное и обратно ровно пятьдесят раз. Одно полное изменение направления (полярности) электрического тока с положительного значения на отрицательное и снова на положительное называют — периодом колебания электрического тока . В течение периода Т переменный электрический ток меняет своё направление дважды.

Для визуального наблюдения синусоидальной формы переменного тока обычно используют . Для исключения поражения электрическим током и защиты осциллографа от сетевого напряжения по входу, используют разделительные трансформаторы. Для измерения периода нет разницы, по каким равнозначным (равноамплитудным) точкам его измерять. Можно по максимальным положительным, или отрицательным вершинам, а можно и по нулевому значению. Это поясняется на рисунке.

Из учебника физики мы знаем, что переменный электрический ток вырабатывается с помощью электрической машины – генератора. Простейшая модель генератора это магнитная рамка, вращающаяся в магнитном поле постоянного магнита.

Представим себе прямоугольную проволочную рамку с несколькими витками, равномерно вращающуюся в однородном магнитном поле. Возникающая в этой рамке э.д.с. индукции меняется по синусоидальному закону. Период колебания Т переменного электрического тока – это один полный оборот магнитной рамки вокруг своей оси.

магнитная рамка

Одними из важных характеристик электрического тока являются две величины переменного электрического тока – максимальное значение и среднее значение.

Максимальное значение напряжения электрического тока Umax — это величина напряжения, соответствующая максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения электрического тока Uср — это величина напряжения, равная значению 0,636 от максимального. Математически это выглядит так:

U ср = 2 * U max / π = 0,636 U max

Синусоиду максимального напряжения можно проконтролировать на экране осциллографа. Понять, что такое среднее значение переменного электрического напряжения можно проведя эксперимент по рисунку и описанию ниже.

Используя осциллограф, подключите к его входу синусоидальное напряжение. Ручкой вертикального смещения развёртки переместите «ноль» развёртки на самую нижнюю линию шкалы экрана осциллографа. Растяните и сместите горизонтальную развёртку так, чтобы одна полуволна синусоидального напряжения поместилась в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Ручкой вертикальной развёртки (усилением) растяните развёртку так, чтобы максимальная амплитуда полуволны поместилась ровно в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Определите амплитуду синусоиды на десяти участках. Суммируйте все десять значений и поделите на десять – найдите его «средний балл». В результате Вы получите значение напряжения, приблизительно равное 6,36 от его максимального значения — 10.

Измерительные приборы – вольтметры, цешки, мультиметры для измерения переменного напряжения имеют в своей схеме выпрямитель и сглаживающий конденсатор. Эта цепочка «округляет» множитель разницы максимального и измеряемого напряжения до числа 0,7. Поэтому, если Вы будете наблюдать на экране осциллографа синусоиду напряжения амплитудой 10 вольт, то вольтметр (цешка, мультиметр) покажет не 10, а около 7 вольт. Вы думаете что в Вашей домашней розетке – 220 вольт? Так и есть, но не совсем так! 220 вольт – это среднее значение напряжения бытовой розетки, усреднённое измерительным прибором — вольтметром. Максимальное же напряжение следует из формулы:

U max = U изм / 0,7 = 220 / 0,7 = 314,3 вольт

Именно поэтому, когда Вас «бъёт» током от электрической розетки 220 вольт, знайте, что это Ваша иллюзия. На самом деле, Вас трясёт напряжение около 315 вольт.

Трехфазный ток

Наряду с простым синусоидальным переменным током в технике широко используется так называемый трехфазный переменный ток . Мало того, трёхфазный электрический ток — это основной вид энергии используемый во всём мире. Трёхфазный ток приобрёл популярность по причине менее затратной передачи энергии на большие расстояния. Если для обычного (однофазного) электрического тока требуется два провода, то для трёхфазного тока, у которого энергия в три раза больше, требуется всего три провода. Физический смысл Вы узнаете в этой статье позже.

Представьте, если вокруг общей оси вращается не одна, а три одинаковые рамки, плоскости которых повернуты друг относительно друга на 120 градусов. Тогда возникающие в них синусоидальные э.д.с. также будут сдвинуты по фазе на 120 градусов (см. на рис).

Такие три согласованных переменных тока называют трехфазным током. Упрощённое расположение проволочных обмоток в генераторе трёхфазного тока иллюстрируется на рисунке.

Подключение обмоток генератора по трём независимым линиям показано на рисунке ниже.

Такое подключение шестью проводами довольно громоздко. Так как для явлений в электрических цепях важны только разности потенциалов, то один проводник может использоваться сразу для двух фаз, без снижения нагрузочной способности по каждой из фаз. Другими словами, в случае подключения обмоток генератора по схеме «звезда» с использованием «нуля», передача энергии от трёх источников производится по четырём проводам (см. рис.), в которых один является общим – нулевым проводом.

По трём проводам может передаваться энергия сразу от трёх (фактически независимых) источников электрического тока соединённых «треугольником».

В промышленных генераторах и преобразующих трансформаторах «треугольником» обычно подключается межфазное напряжение 220 вольт. При этом «нулевой» провод отсутствует.

«Звезда» применяется для передачи напряжения сети с использованием «нуля». При этом на фазе относительно «нуля» действует напряжение 220 вольт. Межфазное напряжение при этом равно 380 вольт.

Частым явлением во времена «нагло ворующей демократии» было сгорание бытовой аппаратуры в квартирах добропорядочных граждан, когда из-за слабой проводки сгорал общий «ноль», тогда в зависимости от того, какое количество бытовых приборов включено в квартирах, горели телевизоры и холодильники у того, кто их меньше всего включал. Вызвано это явлением «перекоса фаз», которое возникало при обрыве нуля. В розетку добропорядочных граждан вместо 220 вольт устремлялось межфазное напряжение 380 вольт. До настоящего времени во многих коммуналках и сооружениях напоминающих жильё наших российских городов и весей это явление до конца не искоренилось.

Переменным называется ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени Т.

В области производства, передачи и распределения электрической энергии переменный ток имеет по сравнению с постоянным, два основных преимущества:

1) возможность (при помощи трансформаторов) просто и экономично повышать и понижать напряжение, это имеет решающее значение для передачи энергии на большие расстояния.

2) большую простоту устройств электродвигателей, а следовательно, и их меньшую стоимость.

Значение переменной величины (тока, напряжения, ЭДС) в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается строчными буквами (ток i, напряжение u, ЭДС – е).

Наибольшее из мгновенных значений периодически изменяющихся токов, напряжений или ЭДС, называются максимальными или амплитудными значениями и обозначаются прописными буквами с индексом «м» (I м, U м).

Наименьший промежуток времени, по прошествии которого мгновенные значения переменной величины (ток, напряжение, ЭДС) повторяется в той же последовательности, называется периодом Т, а совокупность изменений, происходящих в течение периода, - циклом.

Величина обратная периоду называется частотой и обозначается буквой f.

Т.е. частота – число периодов за 1 секунду.

Единица частоты 1/сек – называется герц (Гц). Более крупные единицы частоты – килогерц (кГц) и мегагерц (МГц).

Получение переменного синусоидального тока.

Переменные токи и напряжения в технике стремятся получить по простейшему периодическому закону – синусоидальному. Т. к. синусоида – единственная периодическая функция, имеющая подобную себе производную, в результате чего во всех звеньях электрической цепи форма кривых напряжений и токов получается одинаковой, чем значительно упрощаются расчеты.

Для получения токов промышленной частоты служат генераторы переменного тока в основе работы которых лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому при движении замкнутого контура в магнитном поле в нем возникает ток.

Схема простейшего генератора переменного тока

Генераторы переменного тока большой мощности, рассчитанные на напряжения 3 – 15 кв, выполняются с неподвижной обмоткой на статоре машины и вращающимся электромагнитом-ротором. При такой конструкции легче надежно изолировать провода неподвижной обмотки и проще отвести ток во внешнюю цепь.

Одному обороту ротора двухполюсного генератора соответствует один период переменной ЭДС, наведенной на его обмотке.

Если ротор делает n оборотов в минуту, то частота индуктированной ЭДС

.

Т.к. при этом угловая скорость генератора
, то между ней и частотой, наведенной ЭДС существует соотношение
.

Фаза. Сдвиг фаз.

Предположим, что генератор имеет на якоре два одинаковых витка, сдвинутых в пространстве. При вращении якоря в витках наводятся ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, т.к. витки вращаются с одинаковой скоростью в одном и том же магнитном поле. Но вследствие сдвига витков в пространстве ЭДС достигают амплитудных знамений неодновременно.

Если в момент начала отсчета времени (t=0) виток 1 расположен относительно нейтральной плоскости под углом
, а виток 2 под углом
. То наведенная в первом витке ЭДС:,

а во втором:

В момент отсчета времени:

Электрические углы иопределяющие значения ЭДС в начальный момент времени, называетсяначальными фазами.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз .

Та величина, у которой нулевые значения (после которых она принимает положительные значения), или положительные амплитудные значения достигаются раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та у которой те же значения достигаются позже – отстающей по фазе.

Если две синусоидальные величины одновременно достигают своих амплитудных и нулевых значений, то говорят, что величины совпадают по фазе . Если угол сдвига фаз синусоидальных величин равен 180 0
, то говорят, что они изменяются впротивофазе.

Электрическим током называют направленное, упорядоченное движение заряженных частиц.

Постоянный ток имеет устойчивые свойства и направление движения заряженных частиц, которые не изменяются со временем. Он используется многими электрическими устройствами в домах, а также в автомобилях. От постоянного тока работают современные компьютеры, ноутбуки, телевизоры и многие другие устройства. Для преобразования переменного тока в постоянный используются специальные блоки питания и трансформаторы напряжения .

Все электрические устройства и электрические инструменты, работающие от батарей и аккумуляторов считаются потребителями постоянного тока, так как батарея – это источник постоянного тока, который может быть преобразован в переменный с помощью инверторов.

Разница переменного тока от постоянного

Переменным называют электрический ток, который может изменяться по направлению движения заряженных частиц и величине с течением времени. Важнейшими параметрами переменного тока считаются его частота и напряжение. В современных электрических сетях на разных объектах используется именно переменный ток, имеющий определенное напряжение и частоту. В России в бытовых электросетях ток имеет напряжение 220 В и частоту равную 50 Гц. Частота электрического переменного тока – это число изменений направления движения заряженных частиц за 1 секунду, то есть, при частоте в 50 Гц он меняет направление 50 раз в секунду. Таким образом, отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что в переменном заряженные частицы могут менять направление движения.

Источниками переменного тока на объектах различного назначения являются розетки . К розеткам мы подключаем различные бытовые приборы, получающие необходимое напряжение. Переменный ток используется в электрических сетях потому, что величина напряжения может быть преобразована до необходимых значений с помощью трансформаторного оборудования с минимальными потерями. Другими словами, его гораздо проще и дешевле транспортировать от источников электроснабжения до конечных потребителей.

Передача переменного тока потребителям

Путь переменного тока начинается с электростанций, на которых устанавливаются мощнейшие электрические генераторы, из которых выходит электрический ток с напряжением на уровне 220-330 кВ. Через электрические кабели ток идет к трансформаторным подстанциям, устанавливаемым в непосредственной близости от объектов электрического потребления – домов, квартир, предприятий и других сооружений.

Подстанции получают электрический ток с напряжением около 10 кВ и преобразуют его в трехфазное напряжение 380 В. В некоторых случаях на питание объектов идет ток с напряжением 380 В, этого требуют мощные бытовые и производственные приборы, но чаще всего в месте ввода электричества в дом или квартиру, напряжение снижается до привычных нам 220 В.

Преобразование переменного тока в постоянный

Мы уже разобрались с тем, что в розетках бытовых электрических систем находится переменный ток, однако многие современные потребители электричества нуждаются в постоянном. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью специальных выпрямителей. Весь процесс преобразования включает в себя три этапа:

1. Подключение диодного моста с 4-мя диодами необходимой мощности. Такой мост может «срезать» верхние значения синусоид переменного тока или делать движение заряженных частиц однонаправленным.
2. Подключение сглаживающего фильтра или специального конденсатора на выход с диодного моста. Фильтр способен исправить провалы между пиками синусоид переменного тока. Подключение конденсатора серьезно уменьшает пульсации и может довести их до минимальных значений.
3. Подключение стабилизаторов напряжения для снижения пульсаций.

Преобразование тока может осуществляться в обоих направлениях, то есть, из постоянного тоже можно сделать переменный. Но этот процесс значительно сложнее и осуществляется он за счет использования специальных инверторов, которые отличаются высокой стоимостью.

Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении - от плюса источника к минусу(так было принято, хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону. Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения - и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.

А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды - обратно? Ранее, в разделе«Про ток» мы выяснили, что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с., а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться. На схемах они обозначаются как V и А соответственно.

Итак, первое, что необходимо знать - это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе - любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:

Период Т - время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом. Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали - электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный - нижней. Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек - 0,02сек.

Частота f - это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50 колебаний (1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц (Герц).

Амплитуда - наибольшая величина тока(Imах) или напряжения (Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.

Мгновенное значение - мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.

В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений (200В, 300В, 310В, - 150В, - 310В, - 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В (- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами - т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50 раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так...

Действующее значение

Итак, зададимся вопросом - а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают, что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В - рис.7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как - действующее напряжение . Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока (ну или напряжения) мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу (или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток.

Поэтому, наша обыкновенная лампочка (или, например, обогревательный прибор) будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения).

Итак, запомните!!!

Электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;

Приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;

Напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором - авометром), ток - амперметром(или комбинированным прибором - авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами . Служат они для бесконтактного измерения тока - рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр - это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи - это уж как задумает разработчик;

Зная значение (действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение (не забудьте - оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая - Umax = 1,4U , где U - действующее значение, а Umax- максимальное значение (амплитуда).

И . Прежде чем подробно разбирать эти термины следует вспомнить, что понятие электрического тока заключается в упорядоченном движении частиц, имеющих электрические заряды. Если электроны постоянно осуществляют движение в одном направлении, то ток носит название постоянного. Но, когда электроны в один момент времени двигаются в одном направлении, а в другой момент осуществляется движение в другом направлении, то это является упорядоченным движением заряженных частиц, двигающихся без остановки. этот ток называют переменным. Существенным различием между ними считают то, что у постоянного значения «+» и «-» постоянно находятся на одном определенном месте.

Что такое постоянное напряжение

В качестве примера постоянного напряжения служит обычная батарейка. На корпусе любой батарейки есть обозначения «+» и «-». Это говорит о том, что при постоянном токе эти значения имеют постоянное местоположение. У переменного наоборот, значения «+» и «-» изменяются через определенные короткие промежутки времени. Поэтому обозначение постоянного тока применяется в виде одной прямой линии, а обозначение переменного - в виде одной волнистой линии.

Отличие постоянного тока от переменного

Большинство устройств, использующих постоянный ток, не позволяют при подключении источника питания путать контакты, поскольку в таком случае прибор может просто выйти из строя. При переменном этого не произойдет. Если вставить вилку в розетку любой стороной, то прибор все равно будет работать. Кроме того, существует такое понятие, как частота переменного тока. Она показывает, сколько раз в течение секунду меняются местами «минус» с «плюсом». Например, частота в 50 герц означает, изменение полярности напряжения за секунду 50 раз.

На представленных графиках видно изменение напряжения в различные временные моменты. На графике слева, для примера показано напряжение на контактах лампочки карманного фонарика. На отрезке времени с «0» до точки «а» напряжение вообще отсутствует, так как фонарик выключен. В точке времени «а» возникает напряжение U1, которое не меняется в промежутке времени «а» - «б», когда фонарик включен. При выключении фонарика в момент времени «б» напряжение снова становится равным нулю.

На графике переменного напряжения можно наглядно увидеть, что напряжение в различных точках, то поднимается до максимума, то становится равным нулю, то падает до минимума. Это движение происходит равномерно, через одинаковые промежутки времени и повторяется до тех пор, пока не отключат свет.