Переменное напряжение это: Переменное напряжение тока — что это?

Содержание

Переменное напряжение тока — что это?

Напряжение – это физическая величина, характеризующая работу эффективного электрического поля, совершающего перенос заряда из одной точки проводника в другую. Оно есть везде, где есть токовая сила и пропорционально зависит от него, как и сопротивление. Каждый знает, что в его домашней розетке 220 В, но мало кто догадывается, какой именно это вид величины. Стоит подробнее разобраться с постоянным и переменным напряжением, в чем их различия, и какие виды переменного напряжения существуют.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.

Закон Ома

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.

Схема описания физического смысла

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.

Формулы колебаний

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.

Синусоидальная функция

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.

Регулятор переменного напряжения

Отличие между переменным и постоянным напряжением

Разница между двумя этими величинами не только в названии. Все зависит от вида тока. В обычной розетке дома ток переменный. Это значит, что направление движения заряженных частиц в нем постоянно изменяется. Более того, у переменных токовых сил разная частота и напряжение. Например, в розетке на 220 вольт обычная частота равна 50 Гц, что означает смену направления движения электронов и их зарядов 50 раз в секунду. Напряжение в этом плане означает максимальную скорость, с которой движутся электроны по цепи.

Постоянная и переменная характеристики

Еще одно отличие изменчивого направления движения частиц и, как следствие, напряжения от постоянного, в том, что в нем постоянно изменяется заряд. Значение U в такой сети бывает равно то 100 %, то 0 %. Если оно всегда было полным, то потребовался бы провод очень большого диаметра.

Постоянное же направление – это ток, который не изменяет координаты своего движения. Его можно наблюдать в аккумуляторах и батареях. Попадает он туда через зарядное устройство, конвертирующее любой поток из розетки в постоянный.

Противофаза

Виды напряжения переменного тока

В случае наиболее распространенного синусоидального напряжения часто рассматривают его виды:

  • Мгновенное, которое определяется для произвольного момента времени t.
  • Действующее, производящее один и тот же тепловой эффект, равный по величине постоянной характеристики. Оно определяется выполненной активной работой первого полупериода.
  • Средневыпрямленное, определяемое как модуль величины выпрямленного напряжения за один цикл гармонического колебания.

Если электрический поток передается по воздушным линиям, то упоры и их размеры напрямую зависят от величины напряжения, которое применяется в сети. Его величина между фазами именуется линейным напряжением, а между землей и каждой из фаз – фазным.

Период и амплитуда синусоидального колебания

Двухфазный ток

Двухфазный ток – это когда идет передача сразу двух токов разного направления. Параметр напряженности для двухфазной сети сдвинут по фазе на угол в 90 градусов. Передается такой ток двумя проводниками: два фазных и два нулевых. Применяется в электрических сетях переменного тока. Для этого используют два контура, значения которых сдвинуты по фазе на 90 градусов. В каждом контуре используется четыре линии – по две штуки на каждую из фаз. Иногда применяется и один провод с большим диаметром, чем у двух других. Преимуществом двухфазный сетей был плавный запуск электродвигателей, но они были вытеснены трехфазными.

Двухфазный источник

Трехфазный ток

Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.

Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.

График трехфазного сигнала

Виды источников переменного напряжения

Среди основных источников непостоянного напряжения можно выделить такие компоненты, как:

  • Электростанция;
  • Генератор непостоянного тока;
  • Промышленная и домашняя электросеть.

Главным источником непостоянных токовых сил и напряжения является электростанция или промышленная электросеть. Использование такого тока обосновано тем, что его намного легче передавать на большие расстояния по проводникам и просто преобразовать в постоянный электрический ток. Переменные параметры передаются со станции к трансформаторам, которые преобразуют напряжение непостоянного тока, не являясь его источниками. Генераторы вырабатывают такой ток путем преобразования механической энергии в электрическую.

Генератор переменной силы

Как можно измерить переменное напряжение

Изменять непостоянную напряженность сети, как и любые другие электрические характеристики сети, можно с помощью специальных измерительных приборов: вольтметров, амперметров, омметров. Современные тестеры и мультиметры содержат в себе функции их всех, поэтому лучше пользоваться ими. Для того чтобы измерить параметр, следует следовать инструкции:

  • Найти шкалу измерения на приборе, которая чаще всего находится справа.
  • Выставить предел измерения, зная, что, например, в розетке приблизительно 220 вольт.
  • Взять щупы и вставить их в источник. При этом неважно, какой щуп куда будет вставлен.
  • Произвести измерения с учетом техники безопасности.
  • Зафиксировать полученные показатели.
Однофазный двигатель

Таким образом, отличие постоянного напряжения от переменного есть, и оно существенное. На основании постоянных и непостоянных токовых сил изготовлены генераторы, конвертирующие механическую энергию в электрический ток различных видов, который можно быстрее и дальше подать по проводам.

его характеристики, источники и достоинства

Абсолютное большинство современных бытовых и промышленных электроприборов работает на основе переменного тока. В отличие от постоянного, переменный электроток сложнее в расчетах и опаснее для жизни человека. Но есть и ряд преимуществ переменного напряжения и вызванного им тока, которые и обусловили его популярность в быту, на транспорте и на производстве.

Принципиальные отличия разных видов

Электроток — это поток движущихся заряженных частиц, чаще всего — электронов. Разница в количестве заряженных частиц между двумя точками вызывает напряжение электростатического поля. Под его действием при наличии проводника частицы с электрическим зарядом движутся от места с их избытком до места с их недостачей.

Это и есть постоянный электроток.

Электроток переменного типа имеет совсем другую природу. Суть в следующем:

  • изменяющееся во времени магнитное поле вызывает движение заряженной частицы;
  • движение заряженной частицы в пространстве вызывает появление магнитного поля;
  • появившееся магнитное поле из-за движения заряженной частицы опять заставляет ее двигаться и т. д.

В этом заключается основное отличие постоянного напряжения от переменного. При этом, если постоянное напряжение имеет неизменяемую на определенном промежутке времени величину и полярность, то переменное напряжение меняет с большой частотой и свою величину, и полярность.

Основные характеристики электротока

Если некоторые физические явления можно увидеть или ощутить другими органами чувств, то постоянное и переменное напряжение (и вызванный ими электроток) потрогать не удастся. Но можно найти аналогию, которая поможет разобраться в этом явлении. Например, давление воды и ее напор в садовом шланге вполне видны, осязаемы и поддаются пониманию среднестатистического человека, не искушенного в вопросах физики.

Можно провести такое относительное сравнение:

  • давление воды — это электрическое напряжение;
  • напор (или сила потока) — это сила тока;
  • диаметр шланга — это сопротивление проводника.

Чем больше давление и меньше диаметр, тем больше напор и дальше бьет струя воды. Это заметно, если прикрыть пальцем выходное отверстие. И наоборот: чем больше диаметр шланга, тем меньше дальность исходящей струи.

По такому принципу описывается электроток постоянного типа: сила электротока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Этот закон был открыт Георгом Омом и получил его имя. Согласно теории, при протяженных проводниках получаются значительные потери в силе потока заряженных частиц.

Напряжение переменного тока периодически изменяется во времени, и природа его возникновения не такая, как у напряжения электротока постоянного типа. Это и обуславливает значительно меньшие потери при передаче электричества на значительные расстояния по проводникам. Теоретические основы электротока переменного типа значительно сложнее.

Немного исторических сведений

На рубеже XIX и XX столетий активно внедрялся в быт постоянный электроток. Его популяризатором выступал Томас Эдисон. Но он столкнулся с неразрешимой проблемой: требовалось строить значительное количество промежуточных электроподстанций, чтобы электричество дошло до потребителя с заданными параметрами. Через каждые 3−4 километра устанавливалась подстанция, что было очень затратным и нерентабельным делом.

Решить эту проблему взялся молодой и талантливый физик Никола Тесла. К ней он подошел с новаторской идеей — использовать электроток с изменяемыми во времени показателями напряжения и направления движения. Проблема решалась просто и эффективно:

  • потери на сопротивление проводника снижались в несколько раз;
  • источники электротока переменного типа конструкции Тесла были проще и дешевле;
  • упрощались и сами бытовые приборы, работавшие от электротока с изменяемыми во времени показателями.

Но эта идея для Томаса Эдисона была неприемлема, так как полностью уничтожались его уже готовые разработки и ему грозили большие финансовые потери. Эдисон упорно продвигал свою идею электротока постоянного типа, проводя многочисленные публичные испытания и демонстрации.

В прессе по его указке и при его финансировании была организована настоящая травля научного оппонента. Но история расставила все по своим местам: сегодня человечество должно благодарить Николу Тесла, так как без переменного тока цивилизация не достигла бы существующего уровня развития техники, науки и комфорта в быту.

Обзор источников электричества

Для получения электротока с неизменяемыми во времени значениями напряжения необходимо разделение заряженных частиц и накопление их в одном месте. Для этого используются различные физические явления. Чаще всего для получения электрического постоянного тока применяются электролитические источники, в частности, обычные батарейки и аккумуляторы. За счет электрохимических реакций электроны накапливаются на катоде и возникает их нехватка на аноде. При замыкании контактов протекает электроток.

В промышленных масштабах постоянный ток получают из переменного при помощи выпрямителей и стабилизаторов. Диодный мост пропускает только часть синусоиды переменного тока, а стабилизаторы сглаживают полученные пульсации. Городской электротранспорт (метрополитен, трамваи и троллейбусы) как раз и работает на таком выпрямленном токе.

Постоянный ток получается и в фотоэлементах, ставших основой для создания солнечных батарей. Под действием энергии фотонов в полупроводниковых микроэлементах возникает разница потенциалов, которая суммируется и в итоге образует постоянное напряжение.

Генераторы постоянного тока постепенно выходят из обихода ввиду их малой производительности. Затраты энергии для запуска их в работу значительно превосходят получаемую в итоге электрическую энергию. Их заменой стали инверторные источники постоянного тока, которые обладают высоким КПД, малым весом, небольшими размерами и надежностью. К их достоинствам можно отнести и отсутствие пульсаций в получаемом из переменного постоянном токе.

Основной источник переменного электротока — генератор. Схематично он состоит из намагниченного ротора и статора из проводников. При вращении ротора магнитное поле меняет свой вектор по времени, что вызывает появление электродвижущей силы в обмотках проводника статора. С его контактов снимается полученное напряжение, при необходимости трансформируется и передается потребителю. По своему устройству генераторы бывают асинхронными и синхронными. На параметры выдаваемого переменного тока это практически не влияет.

Асинхронный тип более прост в конструкции, но чувствителен к кратковременным пиковым нагрузкам. Синхронные генераторы способны выдерживать пятикратные нагрузки. Их раньше использовали для питания электросварочных аппаратов переменного тока. Сегодня сварка переменным током теряет популярность из-за того, что ее качество ниже, чем сварка постоянным током. Сварочные аппараты постоянного тока становятся более доступными широким массам.

Электродвигатели переменного тока действуют по обратному принципу: протекание переменного электрического тока по обмоткам статора вызывает вращение ротора. Теоретически электродвигатель может выполнять функции генератора, а генератор может быть использован в роли электродвигателя.

определение, чем он лучше постоянного, зачем его используют в электрических сетях

Большинство современных бытовых и промышленных устройств работают от сети переменного тока. К ним можно отнести также все приборы на основе постоянного тока или питающиеся от аккумуляторов, поскольку они используют ту или иную форму DC, полученную из AC как с помощью преобразования сетевого напряжения, так и путём зарядки батарей. Но так было не всегда. Потребовалось немало времени, чтобы подобная система энергоснабжения зарекомендовала себя с лучшей стороны.

Эдисон и Тесла

Ипполит Пикси сумел создать первый генератор переменного тока в 1835 году. Это было устройство на постоянных магнитах, работающее при вращении рукоятки. Предприниматели того времени были заинтересованы в генерации DC и не совсем понимали, где может применяться изобретение и зачем нужно получать AC.

Настоящая конкуренция за стандарты электричества в линиях передач развернулась к концу 1880-х. годов, когда началась борьба между основными энергетическими компаниями за доминирование на рынке собственных запатентованных энергетических систем. Это было соперничество концепций электрификации двух великих изобретателей: Николы Теслы и Томаса Эдисона.

Эдисон изобрёл и усовершенствовал немало устройств, необходимых для первых систем генерации и транспортировки постоянного тока. В течение короткого времени его компания смогла открыть более 200 станций в Северной Америке. Предприятие росло, и изобретатель для выполнения работ по усовершенствованию оборудования нанял Николу Теслу — молодого инженера из Европы. Новый сотрудник предложил вниманию Эдисона революционные для того времени работы, основанные на технологиях переменного значения. Идеи Тесла были отвергнуты и пути изобретателей разошлись.

Джордж Вестингауз, наоборот, отнёсся к открытиям сербского инженера с большим интересом и выкупил все патенты Тесла. После предприятия Вестингауза пережило немало потрясений, в том числе и связанных с мощными пропагандистскими компаниями Эдисона. Финалом борьбы стал момент, когда система Теслы была выбрана для освещения выставки в Чикаго. Это событие познакомило мир с преимуществами многофазной генерации AC и его транспортировки. С тех пор большинство электрических устройств и сетей заказывались уже под новый стандарт. Основными датами войны токов были:

  • 1870 г. — создание Эдисоном первого генератора DC;
  • 1878 г. — основание Edison Electric Light Co в Нью-Йорке;
  • 1882 г. — открытие Эдисоном генерирующей станции Pearl Street на 5 тыс. огней;
  • 1883 г. — изобретение Теслой трансформатора;
  • 1884 г. — изобретение Теслой генератора AC;
  • 1888 г. — демонстрация Теслой многофазной электрической системы, Вестингауз выкупает его патенты;
  • 1888 г. — казнь с помощью электрического стула, изобретённого Эдисоном как средство для пропагандистской компании, демонстрирующей опасность технологий Теслы.
  • 1893 г. — триумф Westinghouse Electric Company на Чикагской ярмарке.

Определение и свойства

Гальваническая батарея выдаёт стабильную разницу потенциалов на полюсах в течение длительного времени до момента завершения в ней химической реакции. Ток от подобного источника называют постоянным. Простое определение переменного тока, понятное для чайников и приемлемое для специалистов, можно построить от обратного: AC есть поток зарядов в проводнике, периодически меняющий свою величину и направление. В сетях энергоснабжения он регулярно изменяет амплитуду и полярность.

Эти изменения представляют собой бесконечные повторения последовательности идентичных циклов, формирующих на экране осциллографа синусоиду, в отличие от DC, который визуализируется как прямая.

Графическая иллюстрация важна для понимания того, какой ток называют переменным синусоидальным.

Поскольку из определения переменного тока следует, что изменения параметров являются регулярными, переменное электричество обладает рядом свойств, связанных с качеством и формой его отражения на графике. Эти основные свойства можно представить следующим списком:

  • Частота. Одно из наиболее важных свойств любого регулярного сигнала. Определяет количество полных циклов за конкретный период. Измеряется в герцах (циклах в секунду). В Европе для сетей электроснабжения составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц.
  • Период. Иногда важно знать количество времени, необходимое для завершения одного цикла электрического сигнала, а не числа циклов в секунду времени. Период — понятие логически обратное частоте, означающее длительность одного цикла в секунду.
  • Длина волны. Характеристика, похожая на период, но может быть измерена из любой части одного цикла к эквивалентной точке в следующем.
  • Амплитуда. В контексте электрического тока — это наибольшее значения АС относительно нейтрального. Математически амплитуда синусоиды есть значение этой синусоиды на пике. Однако если речь идёт о системах питания, то лучше обращаться к понятию эффективного тока. В качестве эквивалента используется количество работы, которую способен сделать постоянный ток при напряжении, равном амплитуде исследуемого переменного тока. Для синусоидальной волны эффективное напряжение составляет 0,707 от амплитуды.

В случае с АС наиболее важные свойства — частота и амплитуда, так как все виды оборудования разрабатываются с учётом соответствия этим параметрам в линии электропередачи. Период требует внимания при проектировании электронных источников питания.

А длина волны, как параметр, становится важен, когда речь идёт о токах со значительно более высокой частотой, чем в сетях энергоснабжения.

Сравнение AC и DC

Направление потока электрической энергии определяет постоянный и переменный ток. Разница в том, что в первом случае заряды перемещаются в одном направлении и непрерывно, а во втором — направление потока меняется через равные интервалы. Последнее сопровождается чередованием уровня напряжения и сменой полюсов на источнике с положительного на отрицательный и наоборот, что делает процессы в нагрузках более сложными, чем в случае с постоянным напряжением.

Ключевым преимуществом DC состоят в том, что его можно легко аккумулировать или создавать в портативных химических источниках. Но использование AC позволяет осуществлять передачу электрической энергии на большие расстояния намного экономичнее. Дело в том, что мощность W=I*V, передаваемая от станции, не в полном объёме доставляется до точки назначения. Часть её расходуется на нагрев линий электропередачи в размере W= I2*R.

Очевидный способ сокращения потерь — уменьшение сопротивления за счёт наращивания толщины проводов. Но для его реализации существует экономический предел: толстые проводники стоят дороже. Кроме того, массивные провода требуют дорогих несущих конструкций.

Задача имеет блестящее решение, если изменить напряжение и силу тока при сохранении мощности. Например, при увеличении V в тысячу раз и соответствующем уменьшении I, значение мощности сохраняется прежним, но потери уменьшаются в миллионы раз, поскольку они находятся в квадратичной зависимости от силы тока. Остаётся проблема преобразования напряжения до безопасных значений при распределении его к потребителям.

Это невозможно в случае с DC, но переменный ток позволяет изменять значения I и V при сохранении мощности с помощью трансформаторов. Энергетические компании используют это свойство для транспортировки электричества. Способность к трансформации и определяет главное, практически применимое отличие переменного тока от постоянного.

Другим важным преимуществом является необычайная простота его производства и возможность реализации в несложных конструкциях электродвигателей. Электрические приводы — наиболее значимый способом применения AC.

Генерация и трансформация

Принцип генерации электричества прост. Если магнитное поле вращается вдоль стационарного набора катушек из витков проводника или, наоборот, катушка вращается вокруг стационарного магнитного поля, то благодаря явлению электромагнитной индукции на концах обмоток возникает разность потенциалов. С каждым изменением угла поворота в результате описанного кругового движения выходное напряжение также будет меняться как по величине, так и по направлению.

Описанный условный генератор при постоянной угловой скорости вращения вала производит синусоидальный AC с формой волны, ничем не отличающейся от поставляемого в бытовой сети. Реальные генераторы устроены значительно сложнее, но работают на том же принципах электромагнитной индукции.

Эти же законы помогают не только в производстве AC, но и в его передаче и распределении. Преобразования напряжения энергетическим компаниями невозможно осуществить без электрических машин, называемых трансформаторами. Вот почему это изобретение Теслы было так важно для революции в транспортировке электричества.

Любой трансформатор состоит из следующих элементов:

  • первичной и вторичных обмоток;
  • сердечника.

Слово «первичная» применяется для обмотки, на которую подаётся электрическое напряжение, нуждающееся в трансформации. Индуцированное напряжение на вторичной катушке всегда равно приложенному на первичной, умноженному на соотношение витков вторичной к первичной. Трансформатор позволяет пошагово изменять напряжение.

Разность потенциалов, которая получается на выходе, есть расчётная величина, зависящая от соотношения витков обмоток.

Используемые виды

В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.

Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:

  • Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам.
  • Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
  • Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
  • Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
  • Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
  • Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.

В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.

Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.

Переменное напряжение и его параметры

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность катушки выполненной на разомкнутом сердечнике (например, ферритовой антенны, контурных катушек радиоприёмников, катушек с построечными сердечниками и т. д.). Сегодняшняя статья посвящена переменному напряжению и параметрам, которые его характеризуют.

Что такое переменное напряжение?

Как известно электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает под действием разности потенциалов или напряжения. Одной из основных характеристик любого типа напряжения является его зависимость от времени. В зависимости от данной характеристики различают постоянной напряжение, значение которого с течением времени практически не изменяется и переменное напряжение, изменяющееся во времени.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Переменное напряжение в свою очередь бывает периодическим и непериодическим. Периодическим называется такое напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое напряжение может изменять своё значение в любой период времени. Данная статья посвящена периодическому переменному напряжению.


Постоянное (слева), периодическое (в центре) и непериодическое (справа) переменное напряжение.

Минимальное время, за которое значение переменного напряжения повторяется, называется периодом. Любое периодическое переменное напряжение можно описать какой-либо функциональной зависимостью. Если время обозначить через t, то такая зависимость будет иметь вид F(t), тогда в любой период времени зависимость будет иметь вид

где Т – период.

Величина обратная периоду Т, называется частотой f. Единицей измерения частоты является Герц, а единицей измерения периода является Секунда

Наиболее часто встречающаяся функциональная зависимость периодического переменного напряжения является синусоидальная зависимость, график которой представлен ниже

Синусоидальное переменное напряжение.

Из математики известно, что синусоида является простейшей периодической функцией, и все другие периодические функции, возможно, представить в виде некоторого количества таких синусоид, имеющих кратные частоты. Поэтому необходимо изначально рассмотреть особенности синусоидального напряжения.

Таким образом, синусоидальное напряжение в любой момент времени, мгновенное напряжение, описывается следующим выражением

где Um – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла),

φ – начальная фаза, определяемая смещением синусоиды относительно начала координат, определяется точкой перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну.

Величина (ωt + φ) называется фазой, характеризующая значение напряжения в данный момент времени.

Таким образом, амплитуда Um, угловая частота ω и начальная фаза φ являются основными параметрами переменного напряжения и определяют его значение в каждый момент времени.

Обычно, при рассмотрении синусоидального напряжения считают, что начальная фаза равна нулю, тогда

В практической деятельности, довольно часто, используют ещё ряд параметров переменного напряжения, такие как, действующее напряжение, среднее напряжение и коэффициент формы, которые мы рассмотрим ниже.

Что такое действующее напряжение переменного тока?

Как я писал выше, одним из основных параметров переменного напряжения является амплитуда Um, однако использовать в расчётах данную величину не удобно, так как временной интервал в течение, которого значение напряжения u равно амплитудному Um ничтожно мал, по сравнению с периодом Т напряжения. Использовать мгновенное значение напряжения u, также не очень удобно, вследствие больших объёмов расчётов. Тогда возникает вопрос, какое значение переменного напряжения использовать при расчётах?

Для решения данного вопроса необходимо обратиться к энергии, которая выделяется под воздействием переменного напряжения, и сравнить её с энергией, которая выделяется под воздействием постоянного напряжения. Для решения данного вопроса обратимся к закону Джоуля – Ленца для постоянного напряжения

Для переменного напряжения мгновенное значение выделяемой энергии составит

где u – мгновенное значение напряжения

Тогда количество энергии за полный период от t0 = 0 до t1 = T составит

Приравняв выражения для количества энергии при переменном напряжении и постоянном напряжении и выразив полученное выражение через постоянное напряжение, получим действующее значение переменного напряжения

Получившееся выражение, позволяет вычислить действующее значение напряжение U для периодического переменного напряжения любой формы. Из выше изложенного можно сделать вывод, что действующее значение переменного напряжения называется такое постоянное напряжение, которое за такое же время и на таком же сопротивлении выделяет такую же энергию, которая выделяется данным переменным напряжением.


Действующее значение синусоидального напряжения.

Вычислим действующее значение синусоидального напряжения

Стоит отметить, все напряжения электротехнических устройств определяются, как правило, действующим значением напряжения.

Для определения амплитудного значения синусоидального напряжения необходимо преобразовать полученное выражение

Таким образом если в розетке у нас U = 230 В, следовательно, амплитудное значение данного напряжения

Действующее напряжение также имеет название эффективного напряжения и среднеквадратичного напряжения.

С действующим напряжением разобрались, теперь рассмотрим среднее значение напряжение.

Что такое среднее значение переменного напряжения?

Ещё одним параметром переменного напряжения, который его характеризует, является средним значением переменного напряжения. В отличие от действующего значения переменного напряжения, которое характеризует работу переменного напряжения, среднее значение напряжения характеризует количество электричества, которое перемещается из одной точки цепи в другую, под действием переменного напряжения. Среднее значение напряжения за период определяется следующим выражением

где Т – период переменного напряжения,

fu(t) – функциональная зависимость напряжения от времени.

Таким образом, среднее значение переменного напряжения численно будет равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией fu(t) и осью Ox за период Т.


Среднее значение переменного напряжения.

В случае синусоидальной функции, можно говорить только о среднем значении за полупериод, так как в течение всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, и тогда среднее за период напряжение будет равно нулю.

Таким образом, среднее за полупериод Т/2 значение переменного напряжения синусоидальной формы будет равно

где Um – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла).

Какие коэффициенты, характеризуют переменное напряжение?

Иногда возникает необходимость охарактеризовать форму переменного напряжения. Для этой цели существует ряд параметров данного переменного напряжения:

1. Коэффициент формы переменного напряжения kф – показывает как относится действующее значение переменного напряжения U к его среднему значению Ucp.

Так для синусоидального напряжения коэффициент формы составит

2. Коэффициент амплитуды переменного напряжения kа – показывает как относится амплитудное значение переменного напряжения Um к его действующему значению U

Так для синусоидального напряжения коэффициент амплитуды составит

На сегодня всё, в следующей статье я рассмотрю прохождение переменного напряжения через сопротивление, индуктивность и емкость.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Напряжение 220 Вольт | Практическая электроника

Да, все знают что это электрический ток в розетке должен быть 220 вольт». Но тех, кто представляет хотя бы приблизительно как он образуется и передаётся потребителю, кто может сказать «в бытовой электросети однофазная линия переменного тока 220 вольт частотой 50 Герц» совсем немного и, скорее всего, это будут специально обученные люди, которые тоже порой не задумываются о том, почему именно 220 вольт? Почему переменный ток, почему частота сети именно 50 Герц? А действительно, почему сложилось именно так? Вариантов-то было множество. И кстати, заходя вперёд, стоит сообщить что вышеперечисленное не эталонный стандарт для всей планеты. Кто-то пошёл и другим путём в возведении электро-инфраструктуры. На эти и некоторые другие вопросы мы попытаемся дать ответы в данной статье.

Откуда берется напряжение

Чтобы подать электричество в розетку, необходимо его как-то сгенерировать. Для  выработки электроэнергии до сих пор в большинстве применяются технологии конца 19 века – электромагнитная индукция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Проще говоря – генераторы. Различие генераторов  лишь в том, каким образом подают механическую энергию. Раньше это были громоздкие паровые машины. Со временем добавились гидротурбины для проточной воды (гидроэлектростанции) , двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы.

Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор – это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора

Принцип работы ТЭС

либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток

Принцип работы ГЭС

Ну или это может быть даже ветряк

Ветряная электростанция

Короче говоря, принцип везде один и тот же.

Кстати, ядерный реактор не способен самостоятельно выработать энергию. По сути, атомная энергоустановка является тем же самым примитивным паровым котлом, где рабочим телом является обыкновенный пар. Да, нынче существуют иные способы генерации электричества, на вроде тех же самых солнечных элементов, бетагальванических и изотопных ядерных батарей, «мифических»  токомаков.  Однако, вышеперечисленный «хайтэк» имеет существенные ограничения – запредельная стоимость материалов ,монтажа и наладки, габариты и малый кпд. Потому, всерьёз рассматривать всё это в качестве полноценной электростанции большой мощности не стоит (по крайней мере в ближайшие пару десятков лет).

Экскурс в историю

Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?

Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.

Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.

Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый  стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.

Почему именно переменное напряжение?

Не так давно по историческим меркам у человечества возникла дилемма: какой ток лучше? Переменный или постоянный? Этот период времени был известен, как “война токов”. На самом деле были споры между Николой Теслой и Эдисоном – самыми великими учеными-изобретателями того времени. Эдисон был за постоянный ток, а Никола Тесла – за переменный. Это борьба продолжалось более 100 лет, даже после смерти этих великих ученых! Но все-таки в 2007 году окончательную победу одержал переменный ток.

Дело все в том, что постоянный ток при передаче на большие расстояния теряет свою энергию на нагрев проводов. Здесь во всем виноват закон Джоуля-Ленца

Q=I2Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Нетрудно догадаться, что чем больше сила тока будет протекать по проводам, и чем длиннее будут провода, тем больше они будут нагреваться, так как сопротивление провода выражается формулой:

сопротивление провода формула

Второй причиной было то, что в генераторе постоянного тока надо было использовать специальную конструкцию, которая бы позволяла снимать электрический ток с движущихся обмоток. Для этого на валу двигателя крепился так называемый коллектор, к которому припаивались обмотки генератора. Коллектор все время находился в движении, так как он закреплен на самом валу генератора. С коллектора с помощью графитовых щеток снималось напряжение. Тот же самый принцип до сих пор используется в генераторах и двигателях постоянного тока.

Принцип работы генератора постоянного тока

Минусом такой конструкции является то, что со временем щетки и коллектор изнашиваются. Поэтому, такой генератор надо часто обслуживать, вовремя заменять щетки и чистить коллектор. Чаще всего такой генератор имеет два провода: плюс и минус. Чем больше коллекторных пластин (ламелей) на таком генераторе, тем чище будет постоянный ток с такого генератора. Если  такой генератор имеет множество ламелей и крутится с одинаковой скоростью, то на осциллографе можно увидеть примерно такую картину постоянного тока

осциллограмма постоянного тока

Таких недостатков лишен генератор переменного напряжения. Принцип его действия показан ниже

Принцип работы генератора переменного тока

В настоящее время в нем используются три обмотки,  разнесенные друг от друга на 120 градусов. Один конец каждой обмотки соединяется с друг другом, образуя так называемый “ноль”. В нашей стране такие генераторы на ТЭС или ГЭС стараются крутить со скоростью 50 оборотов/сек. Ну или 3000 оборотов/минуту. Неплохая такая скорость). В Америке же их крутят под 60 оборотов/сек. А что такое обороты в секунду? Это и есть частота. А частота, как вы помните, выражается в Герцах (Гц). Поэтому, у нас в розетках частота 50 Гц, в Америке 60 Гц.

Такие генераторы называют трехфазными, так как они имеют три фазы: A, B, C. В англо-язычной литературе можно увидеть обозначение R, S, T либо L1, L2, L3. Точка, где соединяется конец всех обмоток обозначается буквой N (ноль).

Генератор переменного тока

То есть по сути с генератора выходит 4 провода: фазы A,B,С и 0, он же нейтраль N, который соединяет один конец каждой из трех обмоток.

Обмотки генератора переменного тока

При вращении ротора-магнита в каждой обмотке создается электрический ток. Если с помощью осциллографа вывести осциллограммы сразу трех обмоток, то можно увидеть что-то типа этого:

Осциллограммы трехфазного напряжения

Передача электрического тока на дальние расстояния

Итак, электрический ток мы получили. Теперь надо как-то передать его на дальние расстояния, не забывая про закон Джоуля-Ленца: Q=I2Rt . То есть нам надо каким-то чудом уменьшить силу тока, которая будет течь по проводам, так как в основном из-за нее происходят большие потери.

Для этих целей идеально подойдет трансформатор, но не простой, а трехфазный. Здесь используется замечательное свойство трансформатора: если повышаем напряжение, то понижаем силу тока, и наоборот, понижаем напряжение, увеличиваем силу тока. Поэтому, для того, чтобы передать полученную электроэнергию на дальние расстояния, нам нужно увеличить в несколько раз напряжение, тем самым мы в это же число раз уменьшим силу тока. Ниже на рисунке схема передачи электроэнергии от генератора ГЭС и до конечного потребителя, то есть для заводов, для электротранспорта и для нас с вами.

Передача электроэнергии от генератора до конечного потребителя

С ГЭС напряжение повышают до нескольких киловольт, чаще всего до 110 кВ. Все это достигается с помощью трехфазного высоковольтного повышающего трансформатора (2).

Трехфазный высоковольтный трансформатор

Далее высоковольтное напряжение идет по высоковольтной линии (3) и доходит до какого-либо города, либо райцентра.

Высоковольтная линия передачи электроэнергии

В каждом райцентре либо городе есть своя подстанция, где имеется уже свой высоковольтный понижающий трансформатор (4), который преобразует напряжение 110 кВ в 10 кВ, либо в 6 кВ (5).

Почему нельзя было сразу тянуть провода с генератора? Зачем надо было повышать, а потом снова понижать напряжение? Все опять же из за закона Джоуля-Ленца. Так как ГЭС находится на очень большом расстоянии от потребителей электроэнергии, приходится повышать напряжение, чтобы минимизировать потери на нагрев проводов. Как мы уже говорили, трансформатор повышает напряжение, но при этом уменьшает во столько же раз силу тока, поэтому потери в проводах на дальние расстояния сокращаются в разы, исходя из формулы Джоуля-Ленца Q=I2Rt.

Потом уже с подстанции напряжение расходится по трансформаторным “будкам”, которые можно уже заметить в каждом районе.

Трансформатор 6 кВ в 380 В

От этих “будок” выходит после преобразования приблизительно 380 Вольт. Но здесь есть один нюанс. Везде используется три провода, а к нам в дома заходят чаще всего два провода. В чем же дело? А дело как раз в том, что есть такое понятие как линейное и фазное напряжение. Линейное напряжение замеряется между 3 проводами, по которым идут 380 В. Они называются фазами. То есть грубо говоря – это те же самые провода, которые вышли с генератора еще где-нибудь на ГЭС. Но если взять любую из фаз и замерять напряжение относительно нулевого проводника, то есть относительно нуля, то у нас будет фазное напряжение 220 В. Получается, к нам в дом заходит ОДНА фаза и НОЛЬ. Куда деваются другие фазы? Они равномерно распределяются между жильцами дома или вашего района. То есть к вашему соседу может придти другая фаза, но тот же самый ноль.

Трехфазное линия передачи электроэнергии

Напряжение 220 Вольт

Очень много вопросов в рунете именно по напряжению “из розетки”.  Самый часто задаваемый вопрос выглядит так:

– Какой ток в розетке?

Здесь вопрос, конечно же, поставлен неправильно. Током чаще всего называют именно силу тока. Правильнее было бы задать вопрос: “Какое напряжение в розетке?”

У нас в России в домашней сети переменное напряжение с частотой в 50 Герц,  максимальной амплитудой приблизительно в 310 Вольт и действующим напряжением в 220 Вольт. Думаю, это будет самый развернутый ответ.

Итак, теперь давайте разбираться что к чему.

Как  же выглядит этот “ток из розетки” на осциллографе? Ну примерно вот так:

По вертикали у нас одна клеточка равняется 100 Вольтам. Следовательно, максимальная амплитуда Umax будет равна где-то 330 Вольт

амплитудное значение напряжения

По идее должно быть 310 Вольт. Хотя оно и не удивительно. Напряжение в сети редко когда бывает стабильным. Все, конечно же, зависит от потребителей и трансформатора на электростанции, который их питает.

Когда я был еще совсем маленьким, рядом с телевизором у нас стояло очень интересное устройство. На нем была шкала, и мы вечером подкручивали крутилку, чтобы шкала показывала ровно 220 Вольт, иначе телевизор отказывался работать. С возрастом я понял, что это был ручной стабилизатор напряжения, так как именно вечером все соседи начинали “жрать” электричество и поэтому в сети было вольт 190-200. Это уже сейчас во всех телевизорах и других бытовых приборах эти стабилизаторы встроены прямо внутри прибора, и поэтому надобность в стабилизаторах резко отпала.

Что такое фаза и ноль

К вам 220 Вольт приходит по двум проводам. Иногда с ними бывает в связке еще и третий провод желто-зеленого цвета – это земля. Этот провод используется для обеспечения безопасности. В старых домах такого провода нет. Земля в 90% случаев обозначается как желто-зеленый провод. Другие провода могут иметь различную окраску, но чаще всего стараются ноль маркировать синим проводом, а фазу –  ярким цветом. Например, красным.

Обозначение фазы, нуля и земли на проводе

Итак, по одному проводу течет фаза, по другому – ноль. Ноль – это провод для съема электрического тока с фазы. Ноль не представляет опасности для человека, но лучше все-таки не экспериментировать! В фазе напряжение очень быстро изменяется сначала от какого-то максимального значения (для 220 Вольт это значение равняется 310 Вольт), потом падает до нуля, и потом идет в минус и достигает значения в -310 Вольт и потом снова до нуля и снова до 310 Вольт. Итак, за секунду он успевает проделать эту операцию 50 раз, так как генератор на ГЭС, ТЭС или АЭС крутится именно с такой скоростью.

осциллограмма 220 В

Какие процессы происходят на фазе?

В какой-то момент времени фаза бывает больше по напряжению, чем ноль. В какой-то момент времени она становится равна нулю. А в какой-то момент времени становится меньше чем ноль. Или, иначе говоря, ноль становится больше по напряжению, чем фаза). Потом фаза снова становится равна нулю, а потом снова больше нуля и все это повторяется до тех пор, пока работает генератор на электростанции.

Хотите узнать, как все это выглядит на графике? Да пожалуйста 😉

фаза и ноль на осциллограмме

Как я уже сказал, фаза без нуля – ничто! И если даже встать на диэлектрический коврик, то есть полностью изолировать себя от контакта с землей, то можно даже и потрогать фазу без вреда для здоровья. НО! не вздумайте проверять это дома! Так поступают только матерые электрики и у них имеются в наличии эти диэлектрические коврики и другие прибамбасы.

Но никогда, слышите, НИКОГДА! не дотрагивайтесь голыми руками сразу до двух проводов, тем более взяв их по одному в руки! Вы будете проводником, соединяющим цепь 220 Вольт. Или попросту говоря, вас ударит электрическим током. Думаю, некоторые до сих пор помнят эти “приятные” ощущения. А как бодрит сразу! Уууухх)))

Напряжение в розетке – это действующее напряжение и вычисляется оно по формуле:

где

UД  – это действующее напряжение, В

Umax – максимальное напряжение, В

Следовательно,

что мы и видели на осциллограмме.

Так что знайте, что в электронике и в электрике если вам говорят, что напряжение переменного тока, допустим, 24 Вольта – это действующее напряжение. Максимальным значением переменного напряжения никто не пользуется.

Параметры переменного напряжения | Практическая электроника

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение – это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.

Среднее значение напряжения

Среднее значение переменного напряжения Uср – это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.

среднее значение напряжения за период

Например,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком “минус”. А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр – это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.

меандр

Средневыпрямленное значение напряжения

Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая “пробивает пол” берут не с отрицательным знаком, а с положительным.

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

выпрямленное переменное напряжение после диодного моста

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:

Среднеквадратичное значение напряжения

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже  простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение –  это значение постоянного напряжения, который, проходя через  нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение  обозначается так: RMS (rms) – root mean square.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды Ka:

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды Ka для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 – это √2 и √3 соответственно.

Как измерить среднеквадратичное значение напряжения

Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS – как вы уже знаете – это среднеквадратическое значение. А что за буква “T” впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: “тру”. “Она вся такая тру…”, “Ты тру или не тру?” и тд. Тру (true) – с англ. правильный, верный.

Так вот, T-RMS  расшифровывается как True RMS –  “правильное среднеквадратическое значение”. Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип “T-RMS”.

мультиметр с True RMS

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

генератор частоты

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

треугольный сигнал

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал “пол” или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды Ka= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов – это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который “пробивает пол”.

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения
  • Сред.  – средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
  • СКЗ – среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
  • Пик. – амплитудное значение сигнала
  • Пик-пик. – размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее  и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.

Что такое переменное напряжение?

Что такое переменное напряжение?
Далее: Что такое трансформатор? Up: lab8b предыдущий: фоновый

Закон индукции Фарадея дает основу для преобразования механическую энергию в электрическую. Основная мысль заключается в перемещении катушки с проволокой относительно магнитного поля. Это движение вызовет ток в проводе. Такой устройство называется генератор и концептуальный чертеж этого устройства показано на рисунке 1.

Рисунок 1: А генератор и напряжение, которое он генерирует

Чтобы упростить задачу, катушка обычно вращается. в поле. При вращении катушка прорезает силовые линии, генерирующие напряжение на катушке терминалы. Когда поверхность катушки параллельна поле, он быстро прорезает силовые линии. Но когда катушка повернута на 90 градусов и перпендикулярна силовых линий, то движение катушки происходит по касательной к поле и напряжение не создается.Когда катушка поворачивается после этой точки он прорезает поле в противоположном направление, генерирующее отрицательное напряжение. Конечный результат этой цепочки событий состоит в том, что напряжение, создаваемое Генератор изменяется как косинус угла, как показано ниже. Этот синусоидальный сигнал обозначается как переменного тока или переменного тока.

Уравнение для сигнала этого типа:

(1)

где - амплитуда , - частота , а фаза .Поскольку это сигнал напряжения, изменяющийся во времени, имеет единицы вольт. В частота имеет единицы радиан в секунду. Фаза измеряется в радианах. Мы часто измеряем частоту в соответствующей единице циклов в секунду . Цикл соответствует радианам.

Синусоидальная форма волны в уравнении 1 представляет собой периодическая форма волны . Сигнал периодический тогда и только тогда, когда существует такое, что для всех . Чтобы увидеть, является ли синусоидальный сигнал периодической, поэтому нам нужно найти такую, что

(2)

В частности, мы знаем, что функция косинуса повторяет каждые радианы, поэтому нам нужно найти такое, что
(3)

Ясно, что это происходит, если или же скорее
(4)

это основной период этой синусоидальной функция.

Размер синусоиды можно измерить в различные способы. Мы можем, например, использовать амплитуда сигнала (), чтобы указать размер. Еще одна мера "размера" сигнала - среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение сила

(5)

Поскольку генераторы естественным образом производят синусоидальные волны, эти формы волны играют важную роль в электрических инженерное дело.Также оказывается, что синусоидальные волны также обеспечить эффективный способ транспортировки электрических энергия на большом расстоянии. Это часть причины почему переменное напряжение используется в международных электрических сетях и, конечно же, именно поэтому ваша розетка обеспечивает Напряжение переменного тока 120 вольт (среднеквадратичное значение) при 60 Гц.

В отличие от напряжений переменного тока, батареи обеспечивают прямое ток или постоянное напряжение. Напряжения постоянного тока постоянны в время. Для получения постоянного напряжения от стены переменного тока сокет, нам нужно будет найти способ регулирующий источник питания переменного тока.



Далее: Что такое трансформатор? Up: lab8b предыдущий: фоновый
Майкл Леммон 2009-02-01

Переменный ток и напряжение - Вопросы и ответы по электротехнике

Почему электротехника переменного тока и напряжения?

В этом разделе вы можете выучить и попрактиковаться в вопросах по электротехнике на основе «переменного тока и напряжения» и улучшить свои навыки, чтобы пройти собеседование, конкурсный экзамен и различные вступительные испытания (CAT, GATE, GRE, MAT, банковский экзамен, железнодорожный Экзамен и т. Д.) с полной уверенностью.

Где я могу получить вопросы и ответы по электротехнике переменного тока и напряжения с пояснениями?

IndiaBIX предоставляет вам множество полностью решенных вопросов и ответов по электротехнике (переменного тока и напряжения) с пояснениями. Решенные примеры с подробным описанием ответов, даны пояснения, которые легко понять. Все студенты и первокурсники могут загрузить вопросы викторины по электротехнике, переменному току и напряжению с ответами в виде файлов PDF и электронных книг.

Где я могу получить вопросы и ответы на собеседовании по электротехнике переменного тока и напряжения (тип цели, множественный выбор)?

Здесь вы можете найти вопросы объективного типа «Электротехника переменного тока и напряжения» и ответы на собеседование и вступительные экзамены. Также предусмотрены вопросы с множественным выбором и вопросы истинного или ложного типа.

Как решить электротехнические проблемы с переменным током и напряжением?

Вы можете легко решить все виды электротехнических вопросов, связанных с переменным током и напряжением, выполнив упражнения объективного типа, приведенные ниже, а также получите быстрые методы для решения электротехнических проблем переменного тока и напряжения.

Упражнение: переменный ток и напряжение - общие вопросы









Пиковое напряжение переменного тока (АС), размах напряжения, среднеквадратичное (среднеквадратичное) напряжение

(DC) - постоянный ток

Элементы и батареи обеспечивают электрический ток, который всегда протекает по цепи одинаковым прямым, это называется постоянным током (DC).

(AC) - переменный ток

В Великобритании электросеть от сети подается примерно при 230 вольт, и подается как (переменный) или переменный ток. Это означает, что ток течет в одном направлении, а затем в другом по цепи. Ток постоянно меняет направление (чередуется), поэтому его называют (переменным) переменным током. В Великобритании частота электросети составляет 50 Гц , что означает 50 циклов в секунду.

Сигналы переменного тока

Мы можем использовать осциллограф для представления сигнала переменного тока.

Мы можем использовать осциллограмму в качестве вольтметра, если мы знаем, какое усиление по оси Y установлено на осциллографе. Используя диаграмму выше и зная, что усиление по оси Y было установлено на 10 В / дел, мы можем это решить;

  • напряжение от пика до пика = 6 квадратов от самой высокой точки до самой низкой, и каждый квадрат стоит 10 В. Таким образом, размах напряжения = 60 В.
  • пик напряжение ( o В) = половина напряжения пик-пик = 60/2 = 30 В

Как только мы знаем пиковое напряжение (V o ) и сопротивление (R) в цепи, мы можем вычислить пиковый ток (I o ) , используя уравнение V = IR.

Среднеквадратичное значение (СКЗ)

Как п.д. и ток непрерывно изменяются в сигнале переменного тока, нам нужно представить среднее значение для p.d. и ток.

Среднеквадратичное значение p.d. (V rms ) и ток (I rms ) представляют собой эффективное значение п.о. и ток в цепи переменного тока.

  • В среднеквадратичное значение = среднеквадратичная разность потенциалов в вольтах, В
  • В o = пиковое напряжение в вольтах, В
  • I = среднеквадратичный ток в амперах, А
  • I o = пиковый ток в амперах, A

Переменный ток - Energy Education

Переменный ток (AC) - это тип электрического тока, вырабатываемого подавляющим большинством электростанций и используемого в большинстве систем распределения электроэнергии.Переменный ток дешевле генерировать и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. [1] Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше. В отличие от постоянного тока направление и сила переменного тока меняются много раз в секунду.

Недвижимость

Рис. 1. Анимация из моделирования [2] переменного тока PhET, которое было значительно замедлено.См. Постоянный ток для сравнения.

Переменный ток изменяет направление потока заряда (60 раз в секунду в Северной Америке (60 Гц) и 50 раз в секунду в Европе (50 Гц)). Обычно это вызвано синусоидально изменяющимися током и напряжением, которые меняют направление, создавая периодическое движение назад и вперед для тока (см. Рисунок 1). Несмотря на то, что этот ток течет вперед и назад много раз в секунду, энергия по-прежнему непрерывно течет от электростанции к электронным устройствам.{2} R [/ math]

Мощность, передаваемая по линии, однако имеет другое выражение:

[математика] P_ {передано} = IV [/ математика]

Как видно из первого уравнения, мощность, потерянная при передаче, пропорциональна квадрату тока через провод. Следовательно, предпочтительно минимизировать ток в проводе, чтобы уменьшить потери энергии.Конечно, минимизация сопротивления также снизит потери энергии, но ток оказывает гораздо большее влияние на количество потерянной энергии из-за того, что его значение возводится в квадрат. Второе уравнение показывает, что если напряжение увеличивается, ток уменьшается эквивалентно для передачи той же мощности. Следовательно, напряжение в линиях передачи очень высокое, что снижает ток, что, в свою очередь, сводит к минимуму потери энергии при передаче. Вот почему переменный ток предпочтительнее постоянного тока для передачи электричества, так как намного дешевле изменить напряжение переменного тока.Однако существует предел, при котором более нецелесообразно использовать переменный ток по сравнению с постоянным током (см. Передача HVDC).

Использование и преимущества

Большинство устройств (например, большие заводские динамо-машины), которые напрямую подключены к электросети, работают на переменном токе, а электрические розетки в домах и коммерческих помещениях также подают переменный ток. Устройства, которым требуется постоянный ток, например ноутбуки, обычно имеют адаптер переменного тока, который преобразует переменный ток в постоянный. [5]

Переменный ток является предпочтительным во всем мире, поскольку он имеет много явных преимуществ по сравнению с постоянным током. Для полной разбивки различий между ними см. AC vs DC. Некоторые преимущества включают: [6]

  • Дешевое и эффективное повышение напряжения с помощью трансформаторов. Как объяснялось выше, это позволяет осуществлять энергоэффективную передачу электроэнергии по линиям электропередач. Эта эффективная передача энергии экономит энергетическим компаниям и потребителям много денег и помогает уменьшить загрязнение, поскольку электростанциям не нужно компенсировать потерю электроэнергии за счет использования большего количества топлива.
  • Низкие затраты на техническое обслуживание высокоскоростных двигателей переменного тока.
  • Легко отключить ток (например, с помощью автоматического выключателя), поскольку ток естественным образом стремится к нулю каждые 1/2 цикла. Например, автоматический выключатель может прерывать примерно 1/20 постоянного тока, а не переменного тока.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета, которая исследует, как работает переменный ток.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

переменного тока | Определение и факты

Переменный ток , аббревиатура AC , периодически меняющийся поток электрического заряда.Он начинается, скажем, с нуля, увеличивается до максимума, уменьшается до нуля, меняет направление, достигает максимума в противоположном направлении, снова возвращается к исходному значению и повторяет этот цикл бесконечно. Интервал времени между достижением определенного значения в двух последовательных циклах называется периодом, количество циклов или периодов в секунду - частотой, а максимальное значение в любом направлении - амплитудой переменного тока. Низкие частоты, такие как 50 и 60 циклов в секунду (герц), используются для бытовых и коммерческих источников питания, но переменные токи с частотой около 100000000 циклов в секунду (100 мегагерц) используются в телевидении и несколько тысяч мегагерц в радарах или микроволновая связь.Сотовые телефоны работают на частотах около 1000 мегагерц (1 гигагерц).

Подробнее по этой теме

электричество: электрические токи переменного тока

Многие приложения электричества и магнетизма связаны с изменяющимися во времени напряжениями. Электроэнергия передается на большие расстояния от ...

Переменный ток (AC) имеет явное преимущество перед постоянным током (DC; постоянный поток электрического заряда в одном направлении), так как он может передавать мощность на большие расстояния без больших потерь энергии на сопротивление.Передаваемая мощность равна току, умноженному на напряжение; тем не менее, потеря мощности равна сопротивлению, умноженному на квадрат тока. С появлением первых электрических сетей постоянного тока в конце 19-го века изменение напряжения было очень трудным. Из-за потерь мощности эти сети использовали низкое напряжение для поддержания высокого тока и, таким образом, могли передавать полезную мощность только на короткие расстояния. Передача энергии постоянного тока вскоре была вытеснена системами переменного тока, которые передают мощность при очень высоких напряжениях (и, соответственно, низком токе) и легко используют трансформаторы для изменения напряжения.Существующие системы передают мощность от генераторов в сотни тысяч вольт и используют трансформаторы для понижения напряжения до 220 вольт (как в большинстве стран мира) или 120 вольт (как в Северной Америке) для отдельных клиентов. См. Также электрический ток. Напряжение тока

- перевод на немецкий - примеры английский

Эти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.

Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

Узел привода шпинделя выпрямляет трехфазное переменное напряжение в постоянное напряжение.

Die Spindelantriebseinheit richtet 3-phasige Wechselspannung zu Gleichspannung gleich.

Устройство по п.17 или 18, в котором переменное напряжение имеет заданную постоянную частоту.

Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Wechselspannung eine vorbestimmte konstante Frequenz hat.

Устройство по п.24, в котором индуцируется переменное напряжение .

Обнаруживается наложенное переменное напряжение (16).

Пьезоэлемент можно настроить на радиальную вибрацию, подав переменное напряжение .

Das Piezoelement ist mittels Anlegen einer Wechselspannung radial in Schwingung versetzbar.

Каждое двоичное значение (1) передается посредством множества колебаний переменного напряжения .

Jeder binäre Wert (1) wird durch mehrere Schwingungen der Wechselspannung übertragen.

Это ангармоническое переменное напряжение создается как смесь определенных индивидуальных частот.

Diese anharmonische Wechselspannung wird gezielt als ein Gemisch verschiedener Frequenzen erzeugt.

Инверторы генерируют переменное напряжение из постоянного напряжения.

В случае переменного напряжения , два полевых транзистора включены встречно.

На элемент (18) подается переменное напряжение , которое не вызывает заметного нагрева.

Die Zelle (18) wird mit einer keine merkliche Erwärmung bewirkenden Wechselspannung beaufschlagt.

Схема преобразования переменного напряжения в двоичный сигнал.

Schaltungsanordnung zur Ableitung eines Binärsignals aus einer Wechselspannung .

Способ и устройство для деления частоты переменного напряжения на нецелое число.

Verfahren und Anordnung zum Teilen der Frequenz einer Wechselspannung mit einem nicht ganzzahligen Teilungsfaktor.

Схема управления устройством для переключения с одного переменного напряжения на другое.

Steuerschaltung für eine Einrichtung zum Kommutieren von einer Wechselspannung auf eine andere.

Устройство для коррекции переменного напряжения , подаваемого преобразователем частоты, питающим асинхронный или синхронный двигатель.

Einrichtung zur Korrektur der von einem Frequenzwandler gelieferten Wechselspannung zur Speisung eines Асинхронные синхронные двигатели.

Схема для запоминания положения фаз переменного напряжения .

Метод измерения максимального значения переменного напряжения .

При 40 кГц переменного напряжения , пожалуйста, не используйте силовые резисторы с проволочной обмоткой (индуктивность) для рассеивания избыточного напряжения.

Bei 40 kHz Wechselspannung bitte keine gewendelten Drahtwiderstände (Induktivität!) Zur Vernichtung von überflüssigen Volts verwenden.

Переменное напряжение на концах покрытия создает однородное электрическое поле.

Eine Wechselspannung an den Enden dieser Schicht erzeugt ein gleichmäßiges elektrisches Feld.

Катушки контакторов выдерживают как постоянное, так и переменное напряжение .

Die Spulen der Schütze der Serie AF, толерантный материал, Gleichals auch Wechselspannung .

Генератор выдает переменного напряжения постоянной амплитуды.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *