ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
СРСМ-21 28.10.2021
Тема 15-16. Синусоидальный переменный ток. Параметры и форма представления переменных ЭДС, напряжения, тока, магнитного потока. Получение переменной ЭДС.
Переменный электрический ток, который используется в промышленности и в быту, изменяется в зависимости от времени по синусоиде. Международная стандартная промышленная частота переменного тока выбрана равной 50 Гц. Только в США (в большинстве штатов) и Японии применяется ток с частотой 60 Гц. На рис. 8 показана зависимость синусоидального переменного тока от времени.
Рис. 8. Синусоидальный переменный ток
В каждый момент времени значение тока различно и называется мгновенным значением - i. Модуль наибольшего значения тока за половину периода называется амплитудным значением - 1щ. Мгновенные и амплитудное значения связаны соотношением
В этом выражении амплитудное значение является постоянной величиной, а мгновенное - зависит от угла а, связь которого с временем т мы рассмотрим в разделе 2.5.
Важной характеристикой переменного тока является его действующее значение. Определение этой величины дается в разделе 2.3.
СИНУСОИДАЛЬНОЕ ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Синусоидальный переменный ток возникает в электрической цепи под действием синусоидальной электродвижущей силы (ЭДС). В электроэнергетике источником ЭДС служат вращающиеся электрические машины - генераторы. Вращающаяся часть генератора (ротор) содержит обмотки, по которым проходит постоянный ток. Этот ток возбуждает магнитное поле, которое пересекает обмотки, расположенные в неподвижной части генератора - статоре. Форма магнитопроводов обмоток возбуждения подобрана таким образом, чтобы магнитный поток вдоль окружности машины в воздушном зазоре при вращении ротора изменялся по синусоидальному закону. В соответствии с законом ЭМИ в обмотках статора возникает переменная ЭДС, меняющаяся также по синусоидальному закону[1].
В электрической цепи синусоидальный ток вызывает на каждом участке синусоидальное падение напряжения или синусоидальную разность потенциалов.
Объединим все сказанное общим понятием «электрическое напряжение» и покажем его зависимость от времени на рис. 9.
Рис. 9. Синусоидальное переменное напряжение
Так же как для синусоидального тока, мгновенное значение напряжения будет 
|
Получение переменной электродвижущей силы
Переменным током называется такой электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.
Для получения переменного тока используют электромашинные генераторы. Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.
Рассмотрим принцип работы генератора и выясним при помощи простейшей схемы (см. рис. 49), как создается переменная э. д. с., под действием которой в электрической цепи протекает переменный ток.
Магнитное поле генератора (рис. 49) возбуждается электромагнитом 1, по обмоткам которого протекает постоянный ток от внешнего источника электрической энергии. В магнитном поле помещен виток 3 медной проволоки, укрепленный на оси 2 и вращаемый вокруг нее каким-либо двигателем. Концы 4 и 7 витка соединены с медными контактными кольцами 6, изолированными от оси. К кольцам прижимаются неподвижные щетки 5, к которым присоединяется приемник электрической энергии.
Известно, что величина индуктированной э. д. с. е, возникающей в проводнике при пересечении им магнитного потока, зависит от магнитной индукции В, рабочей длины l, скорости V движения проводника в магнитном поле, синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного потока:
e = B l v sin α. (48)
На рис. 50 показаны различные положения витка, вращающегося в однородном магнитном поле генератора с равномерной скоростью. В положении 1 виток перемещается вдоль магнитного потока. Следовательно, виток не пересекает магнитных линий, угол α между направлением движения проводника и магнитным потоком равен нулю, а sin 0° = 0. Поэтому индуктированная в витке электродвижущая сила е = В l v sin 0° = 0.
Виток, вращаясь по окружности, через некоторое время повернется на угол α = 90° и займет положение 2. При этом он пересекает наибольшее количество магнитных линий. Индуктированная в нем электродвижущая сила будет наибольшей, sin 90° = 1 и е = В l v sin 90° = В l v.
Из положения 2 виток, продолжая вращаться, займет положение 3 и будет пересекать магнитный поток под углом α = 180°. На пути от 2 до 3 индуктированная электродвижущая сила будет постепенно уменьшаться и в положении 3 станет равной нулю, так как виток не будет пересекать магнитный поток; sin 180° = 0 и е = В l v sin 180° = 0.
Пользуясь правилом правой руки, определим направление электродвижущей силы в витке, когда он перемещается в магнитном поле по окружности от положения 1 до положения 3. Э. д. с. будет направлена от нас за плоскость чертежа. Условимся считать это направление э. д. с. положительным.
Далее виток при своем вращении займет поочередно положения 4, 5 и вновь вернется в положение 1. Электродвижущая сила в витке при этом постепенно увеличится и в положении 4 она станет наибольшей (α — 270°), после чего э. д. с. уменьшится и в положении 5 вновь станет равной нулю (sin 360° = 0). Далее весь процесс изменения э. д. с. повторится.
Пользуясь правилом правой руки, можно убедиться в том, что во вторую половину оборота витка возникающая в нем электродвижущая сила изменит свое направление и будет направлена к нам. Это направление э. д. с. условимся считать отрицательным.
График изменения электродвижущей силы, возникающей в витке в зависимости от угла его поворота в магнитном поле, приведен на рис. 51.
Получение переменной электродвижущей силы
Переменным током называется такой электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.
Для получения переменного тока используют электромашинные генераторы. Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.
Рассмотрим принцип работы генератора и выясним при помощи простейшей схемы (см. рис. 49), как создается переменная э. д. с., под действием которой в электрической цепи протекает переменный ток.
Магнитное поле генератора (рис. 49) возбуждается электромагнитом 1, по обмоткам которого протекает постоянный ток от внешнего источника электрической энергии. В магнитном поле помещен виток 3 медной проволоки, укрепленный на оси 2 и вращаемый вокруг нее каким-либо двигателем. Концы 4 и 7 витка соединены с медными контактными кольцами 6, изолированными от оси. К кольцам прижимаются неподвижные щетки 5, к которым присоединяется приемник электрической энергии.
Известно, что величина индуктированной э. д. с. е, возникающей в проводнике при пересечении им магнитного потока, зависит от магнитной индукции В, рабочей длины l, скорости V движения проводника в магнитном поле, синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного потока:
e = B l v sin α. (48)
На рис. 50 показаны различные положения витка, вращающегося в однородном магнитном поле генератора с равномерной скоростью. В положении 1 виток перемещается вдоль магнитного потока. Следовательно, виток не пересекает магнитных линий, угол α между направлением движения проводника и магнитным потоком равен нулю, а sin 0° = 0. Поэтому индуктированная в витке электродвижущая сила е = В l v sin 0° = 0.
Виток, вращаясь по окружности, через некоторое время повернется на угол α = 90° и займет положение 2. При этом он пересекает наибольшее количество магнитных линий. Индуктированная в нем электродвижущая сила будет наибольшей, sin 90° = 1 и е = В l v sin 90° = В l v.
Из положения 2 виток, продолжая вращаться, займет положение 3 и будет пересекать магнитный поток под углом α = 180°. На пути от 2 до 3 индуктированная электродвижущая сила будет постепенно уменьшаться и в положении 3 станет равной нулю, так как виток не будет пересекать магнитный поток; sin 180° = 0 и е = В l v sin 180° = 0.
Пользуясь правилом правой руки, определим направление электродвижущей силы в витке, когда он перемещается в магнитном поле по окружности от положения 1 до положения 3. Э. д. с. будет направлена от нас за плоскость чертежа. Условимся считать это направление э. д. с. положительным.
Далее виток при своем вращении займет поочередно положения 4, 5 и вновь вернется в положение 1. Электродвижущая сила в витке при этом постепенно увеличится и в положении 4 она станет наибольшей (α — 270°), после чего э. д. с. уменьшится и в положении 5 вновь станет равной нулю (sin 360° = 0). Далее весь процесс изменения э. д. с. повторится.
Пользуясь правилом правой руки, можно убедиться в том, что во вторую половину оборота витка возникающая в нем электродвижущая сила изменит свое направление и будет направлена к нам. Это направление э. д. с. условимся считать отрицательным.
График изменения электродвижущей силы, возникающей в витке в зависимости от угла его поворота в магнитном поле, приведен на рис. 51.
Электродвижущая сила (рис. 51), изменяющаяся по синусоиде, называется синусоидальной. Под действием такой э. д. с. в электрических цепях течет синусоидальный переменный ток.
Электродвижущая сила (рис. 51), изменяющаяся по синусоиде, называется синусоидальной. Под действием такой э. д. с. в электрических цепях течет синусоидальный переменный ток.