AC-fenomen. Hur genereras växelström

Som vi redan vet är elektrisk ström konstant och växlande. Men bara växelström används ofta. Detta beror på att växelspänning och ström kan omvandlas med liten eller ingen energiförlust. Växelström produceras av växelströmsgeneratorer som använder elektromagnetiska induktionsfenomen. I fig. Fig. 8 visar en primitiv installation för alstring av växelström.

Ris. åtta.

Principen för driften av installationen är enkel. Trådramen roterar i ett enhetligt magnetfält med konstant hastighet. I dess ändar är ramen fixerad på ringar som roterar med den. Fjädrarna är tätt fästa vid ringarna och fungerar som kontakter. Ett förändrat magnetiskt flöde kommer kontinuerligt att flöda genom ramens yta, men flödet som skapas av elektromagneten kommer att förbli konstant. I detta avseende kommer induktionens EMF att visas i ramen. För att avgöra om det magnetiska flödet som passerar längs ramens yta ändras behöver du bara jämföra ramens position vid vissa tidsperioder. För att göra detta måste du noggrant titta på fig. nio.

Ris. nio.

Utgångspunkten kommer att vara positionen för ramen som visas i fig. 9, a. I detta ögonblick är ramens plan vinkelrät mot magnetlinjerna, och det magnetiska flödet kommer att ha ett maximalt värde. Parallellt med magnetlinjerna kommer ramen att höjas under en fjärdedel av perioden. I det här fallet kommer det magnetiska flödet att bli lika med noll, eftersom inte en enda magnetisk linje passerar genom ramens yta. För att bestämma induktionens EMF behöver du inte veta storleken på flödet, utan hastigheten på dess förändring. Vid referenspunkten är induktionens EMF noll, och vid den tredje (fig. 9, c) - det maximala värdet. Baserat på bestämmelserna i ramen kan du se att induktionens EMF ändrar både innebörden och tecknet. Det är alltså en variabel (se grafen i fig. 9).

Om ramen bara har ett aktivt motstånd, kommer strömmen som uppstår i kretsen under påverkan av induktionens EMF att förändras över tiden, som själva EMF. Denna ström kallas sinusformad växelström. Perioden för växelström är den tidsperiod under vilken strömmen utför en fullständig svängning (denna enhet betecknas med bokstaven T). Antalet kompletta svängningar på 1 s kallas strömfrekvensen och betecknas med bokstaven f. Frekvensen mäts i hertz (Hz). Inom industrin och vardagslivet i de flesta länder används växelström med en frekvens på 50 Hz.

RMS-värden för ström och spänning

Som du vet orsakar en variabel induktions-EMK en växelström i kretsen. Vid det högsta EMF-värdet kommer strömmen att ha ett maximalt värde och vice versa. Detta fenomen kallas fassammanfall. Trots att värdena på strömstyrkan kan variera från noll till ett visst maxvärde, finns det enheter med vilka du kan mäta styrkan på växelströmmen.

AC-egenskaper kan vara handlingar som inte beror på strömriktningen och kan vara desamma som med likström. Dessa åtgärder inkluderar värme. Till exempel flyter en växelström genom en ledare med ett givet motstånd. Efter en viss tid kommer en viss mängd värme att frigöras i denna ledare. Man kan välja ett sådant värde på likströmmen så att på samma ledare under samma tid frigörs denna ström av denna ström lika mycket värme som vid en växelström. Detta DC-värde kallas RMS AC-ström.

Amperometrar och voltmetrar i det magnetoelektriska systemet tillåter inte mätningar i växelströmskretsar. Detta beror på att med varje förändring av strömmen i spolen ändras riktningen på vridmomentet, vilket verkar på enhetens pil. På grund av spolens och pekarens stora tröghet reagerar inte enheten på växelström. För dessa ändamål används enheter som inte är beroende av strömriktningen. Det kan till exempel vara enheter baserade på den termiska effekten av ström. I sådana enheter vrids pilen på grund av förlängningen av glödtråden som värms upp av strömmen.

Du kan också använda enheter med ett elektromagnetiskt verkningssystem. Den rörliga delen i dessa enheter är en järnskiva med liten diameter. Den magnetiseras och dras in i spolen, genom vilken en växelström leds. Sådana enheter mäter de effektiva värdena för ström och spänning.

Induktor och kondensator i AC-mål

Det speciella med växelström är förändringen i strömstyrkan och riktningen. Dessa fenomen skiljer den från likström. Du kan till exempel inte ladda ett batteri med AC. Den kan inte heller användas för andra tekniska ändamål.

Styrkan hos växelströmmen är direkt beroende inte bara på spänning och motstånd, utan också på induktansen hos ledarna som är anslutna till kretsen. Vanligtvis kommer induktansen att minska växelströmsströmmen avsevärt. På grund av det faktum att kretsens resistans är lika med förhållandet mellan spänning och ström, kommer anslutning av en induktor till kretsen att öka det totala motståndet. Detta kommer att hända på grund av närvaron av en EMF av självinduktion, vilket inte tillåter strömmen att öka. Om spänningen ändras, har strömstyrkan helt enkelt inte tid att nå de maximala värdena som den skulle förvärva om det inte fanns någon självinduktion. Av detta följer att växelströmmens maximala värde begränsas av induktansen, det vill säga ju större induktansen och spänningsfrekvensen är, desto lägre blir strömstyrkan.

Om en kondensatorbank ingår i DC-kretsen kommer det inte att finnas någon ström i kretsen, eftersom kondensatorplattorna är separerade från varandra av isolerande packningar. Om det finns en kondensator i kretsen kan likström inte existera.

Om exakt samma batteri är anslutet till en växelströmskrets genereras en ström i den. Detta förklaras enligt följande. Under påverkan av den förändrade spänningen laddas och urladdas kondensatorerna. Det vill säga, om en platta i kondensatorn hade en negativ laddning under någon halvperiod, kommer den under nästa halvperiod att få en positiv laddning. Följaktligen flyttar omladdning av kondensatorn laddningarna längs kretsen. Och det här är den elektriska strömmen som kan detekteras med hjälp av en amperemeter. Ju större laddning som flyttas, desto större ström, det vill säga ju mer kapacitet kondensatorn har och ju oftare den laddas om, desto högre frekvens.

Trefas växelström

Vid denna tidpunkt, i världens industriella praxis, är trefas växelström utbredd, vilket har många fördelar jämfört med enfasström. Ett trefassystem kallas ett system som har tre elektriska kretsar med sin egen variabel EMF med samma amplituder och frekvenser, men skiftade i fas i förhållande till varandra med 120 ° eller 1/3 av perioden. Varje sådan krets kallas en fas.

Ris. tio.

För att få ett trefassystem måste du ta tre identiska enfasgeneratorer, koppla deras rotorer till varandra så att de inte ändrar sin position när de roterar. Statorlindningarna hos dessa generatorer måste roteras i förhållande till varandra med 120° i rotorns rotationsriktning. Ett exempel på ett sådant system visas i fig. tio.

Enligt ovanstående villkor visar det sig att EMF som uppstår i den andra generatorn inte kommer att ha tid att förändras i jämförelse med EMF för den första generatorn, det vill säga den kommer att försenas med 120 °. EMF för den tredje generatorn kommer också att vara sen i förhållande till den andra med 120 °.

Denna metod för att producera växelström i trefas är dock mycket besvärlig och ekonomiskt olönsam. För att förenkla uppgiften är det nödvändigt att kombinera alla statorlindningar i generatorerna i ett hus. En sådan generator kallas en trefasströmgenerator. När rotorn börjar rotera uppstår en varierande induktions-EMK i varje lindning. På grund av det faktum att det finns en förskjutning av lindningarna i rymden, skiftas faserna av svängningarna i dem också i förhållande till varandra med 120 °.

För att ansluta en trefasgenerator till kretsen behöver du 6 ledningar. För att minska antalet ledningar måste generatorns och mottagarnas lindningar kopplas samman och bilda ett trefassystem. Det finns två dataanslutningar: en stjärna och en delta. Genom att använda båda metoderna kan du spara ledningar.

Stjärnanslutning

Vanligtvis är en trefasströmgenerator avbildad i form av 3 statorlindningar, som är placerade i en vinkel på 120 ° mot varandra. Det är vanligt att beteckna början av lindningarna med bokstäverna A, B, C och ändarna - X, Y, Z. I fallet när ändarna av statorlindningarna är anslutna till en gemensam punkt (nollpunkten på generatorn), kallas anslutningsmetoden "stjärna". I det här fallet är ledningar som kallas linjära ledningar anslutna till början av lindningarna (Fig. 11 till vänster).

Ris. elva.

Mottagarna kan anslutas på samma sätt (fig. 11 till höger). I det här fallet kallas ledningen som förbinder nollpunkten för generatorn och mottagarna noll. Detta trefasströmsystem har två olika spänningar: mellan linje- och nollledningar eller, på motsvarande sätt, mellan början och slutet av en statorlindning. Detta värde kallas fasspänning (Ul). Eftersom kretsen är trefas kommer nätspänningen att vara v3 gånger högre än fasspänningen, dvs:

Ul = v3Uph

Deltaanslutning

Ris. 12.

När du använder denna anslutningsmetod är änden X på den första lindningen av generatorn ansluten till början B av den andra lindningen, änden Y på den andra lindningen är ansluten till början av C på den tredje lindningen, änden Z av den tredje lindningen är ansluten till början A av den första lindningen. Ett exempel på en anslutning visas i fig. 12. Med denna metod för att ansluta faslindningarna och ansluta en trefasgenerator till en tretrådsledning, jämförs linjespänningen i termer av dess värde med fas ett:

I den här artikeln kommer vi att prata om AC-parametrar. Till exempel är allas välbekanta hushållsuttag en källa till växelström och variabel EMF.

Förändringen i EMF och förändringen i strömmen för den linjära belastningen ansluten till en sådan källa kommer att ske enligt en sinusformad lag. I detta fall kan variabel EMF, variabla spänningar och strömmar karakteriseras av sina fyra huvudsakliga parametrar:

period;

frekvens;

amplitud;

effektivt värde.

Det finns också extra parametrar:

vinkelfrekvens;

fas;

omedelbart värde.

Perioden T för växelström är det tidsintervall under vilket strömmen eller spänningen gör en fullständig förändringscykel.

Eftersom växelströmskällan är en generator, är perioden relaterad till rotationshastigheten för dess rotor, och ju högre rotationshastigheten är för generatorns spole eller rotor, desto kortare är perioden för den genererade variabla EMF, och följaktligen, växellastströmmen visar sig vara.

Perioden mäts i sekunder, millisekunder, mikrosekunder, nanosekunder, beroende på den specifika situationen i vilken denna ström betraktas. Ovanstående figur visar hur spänningen U förändras över tiden, samtidigt som den har en konstant karakteristisk period T.

Frekvensen f är den reciproka av perioden och är numeriskt lika med antalet perioder av ström- eller EMF-ändring på 1 sekund. Det vill säga f = 1 / T. Enheten för att mäta frekvens är hertz (Hz), uppkallad efter den tyske fysikern Heinrich Hertz, som gjorde ett betydande bidrag till utvecklingen av elektrodynamiken på 1800-talet. Ju kortare period, desto högre frekvens av EMF eller strömändring.

Idag i Ryssland är standardfrekvensen för växelström i elektriska nätverk 50 Hz, det vill säga 50 fluktuationer av nätspänningen inträffar på 1 sekund.

Inom andra områden av elektrodynamiken används högre frekvenser, till exempel 20 kHz och mer - i moderna växelriktare, och upp till några MHz i smalare elektrodynamiska områden. I figuren ovan kan du se att det finns 50 kompletta svängningar på en sekund, var och en varar i 0,02 sekunder och 1 / 0,02 = 50.

Från graferna över förändringar i sinusformad växelström över tid kan man se att strömmar med olika frekvenser innehåller olika antal perioder vid samma tidsintervall.

Under en period ändras fasen för den sinusformade EMF eller sinusformade strömmen med 2pi radianer eller 360 °, därför är vinkelfrekvensen för den sinusformade växelströmmen lika med:

Termen "fas" hänvisar till processens utvecklingsstadium, och i detta fall, i förhållande till växelströmmar och sinusformade spänningar, kallas fasen för växelströmmens tillstånd vid en viss tidpunkt.

Figurerna visar: koincidensen av spänningen U1 och strömmen I1 i fas, spänningen U1 och U2 i motfas, samt fasförskjutningen mellan strömmen I1 och spänningen U2. Fasförskjutningen φ mäts i radianer, bråkdelar av en period, i grader. Så fasförskjutningen mellan strömmen I1 och spänningen U2 är φ = π radianer, såväl som mellan spänningen U1 och spänningen U2.

Amplitud Um och Im

På tal om storleken på den sinusformade växelströmmen eller sinusvariabeln EMF, kallas det högsta värdet på EMF:n eller strömmen amplituden eller amplitudvärdet (maximalt).

Det största värdet av en storhet som utför harmoniska svängningar (till exempel det maximala värdet av strömstyrkan i en växelström, den oscillerande pendelns avvikelse från jämviktspositionen), den största avvikelsen av den oscillerande storheten från ett visst värde som konventionellt tas som initial nolla.

Om vi ​​talar om en generator, så når EMF vid sina terminaler två gånger per period ett amplitudvärde, varav den första är + Em, den andra är Em, respektive under de positiva och negativa halvperioderna. Strömmen I beter sig på liknande sätt och betecknas med Im, respektive.

Omedelbart värde för u och i

Värdet på EMF eller ström vid ett visst aktuellt ögonblick kallas det momentana värdet, de betecknas med små bokstäver u och i. Men eftersom dessa värden ändras hela tiden är det obekvämt att bedöma om växelströmmar och EMF av dem.

RMS-värdena I, E och U

Förmågan hos en växelström att utföra något användbart arbete, till exempel att mekaniskt rotera en motors rotor eller producera värme på en värmeanordning, bedöms bekvämt av de effektiva värdena för EMF och strömmar.

Så, värdet på en sådan likström kallas, som, när den passerar genom en ledare under en period av den betraktade växelströmmen, producerar samma mekaniska arbete eller samma mängd värme som denna växelström.

Effektvärdena för spänningar, emk och strömmar betecknas med versaler I, E och U. För sinusformad växelström och för sinusformad växelspänning är de effektiva värdena:

Det är bekvämt att använda det effektiva värdet av ström och spänning för att beskriva elektriska nätverk. Till exempel är ett värde på 220-240 volt det effektiva spänningsvärdet i moderna hushållsuttag, och amplituden är mycket högre - från 311 till 339 volt.

Det är till exempel samma sak med ström, när man säger att det går en ström på 8 ampere genom en hushållsvärmare, det betyder ett effektivt värde medan amplituden är 11,3 ampere.

På ett eller annat sätt är mekaniskt arbete och elektrisk energi i elektriska installationer proportionella mot de effektiva värdena för spänningar och strömmar. En betydande del av mätinstrumenten visar exakt de effektiva värdena för spänningar och strömmar.

5.1. VARFÖR BEHÖVER DU EN ACCURRENT?

I de första elinstallationerna användes endast likström. Men det blev snart klart att det är mycket mer lönsamt att inte använda en konstant utan en växelström, det vill säga en som periodiskt ändrar dess värde och riktning.

Först och främst är det bekvämare att generera växelström vid kraftverk. Generatorer är enklare och billigare än jämförbara DC-generatorer.

Det visade sig också att det är mer lönsamt att överföra elektrisk ström genom ledningar med hög spänning. Att ändra växelspänningen är mycket enkelt - du måste använda en transformator för detta. Detta är mycket svårare att göra med likström.

Enkla och pålitliga AC-elektriska motorer har designats och används ofta inom industrin.

Men det här är alla applikationer där växelström kan konkurrera med likström. Generatorer, transmissionsledningar och elmotorer kan utföras på både lik- och växelström. Det finns dock fysiska fenomen som bara dyker upp när strömmen ändras.

Dessa fenomen används ofta inom radioteknik, automation, elektronik, etc.

Vi kan säga att om det inte fanns någon växelström skulle det inte finnas många av dessa grenar inom elektroteknik.

I radioapparater, tv-apparater, bandspelare används växelström och det är i princip omöjligt att ersätta dem med likström.

Många industriella processer bygger också på växelström.

Växelström är en elektrisk ström som ändras i riktning och modul i lika perioder. Även strömmen som uppstår i enfas- och trefasnät anses vara växelvis. För befintliga förbrukande enheter utförs AC-omvandling med hjälp av speciella likriktare.

Uppkomsten av växelström

För att en ström ska uppstå i en elektrisk krets används speciella källor för att generera den, som skapar en variabel elektromotorisk kraft (EMF). Den elektromotoriska kraften ändras periodiskt i storlek och riktning. EMF-källor är faktiskt generatorer.

Det enklaste schemat för att generera växelström visas i figuren:

Denna enhet har två huvuddelar. Den fasta delen är en magnet som bildar ett magnetfält mellan sina poler. Tätheten hos de magnetiska kraftlinjerna är densamma, därför är magnetfältet enhetligt. Den rörliga delen av enheten är en rektangulär ram. Den är gjord av koppartråd, fixerad på den längsgående axeln och roterar i ett magnetfält med hjälp av en extern drivkraft. Utgångsändarna är anslutna till kopparsläpringar. Ringarna roterar samtidigt med ramen och glider över borstarna.

För att verifiera att en given anordning verkligen genererar en variabel elektromotorisk kraft, gäller den välkända "högerhandsregeln".

Den högra handen är placerad på ett sådant sätt att handflatan är vänd mot "norr" om vår magnet. I det här fallet böjs tummen mot rörelsen på den sidan av kopparramen, där riktningen för EMF ska bestämmas. Riktningen på handens utsträckta fingrar kommer också att visa oss riktningen för EMF. Vid bestämning av EMF i olika riktningar blir värdet i slutändan gemensamt. Dessutom ändras riktningen för EMF med varje varv. Detta beror på det faktum att ramens arbetssidor under ett varv passerar under magnetens olika poler.

Uppkomsten av elektromotorisk kraft

Storleken på den elektromotoriska kraften som induceras i ramen ändras med hastigheten för att korsa magnetfältets kraftlinjer. I vertikalt läge är korsningshastigheten maximal. EMF i ramen är också maximal. När ramen passerar det horisontella läget korsar inte sidorna de magnetiska kraftlinjerna, EMF-induktionen produceras.

Av allt detta följer att likformig rotation av ramen ger EMF-induktion, som ändras likformigt i storlek och riktning. Den elektromotoriska kraften som genereras i ramen skapar slutligen en växelström i den externa kretsen.

Vi har övervägt det klassiska schemat för att erhålla växelström. Faktum är att den genereras av en generator. Här roterar elektromagneten tvärtom och har två eller flera poler. Det kallas en rotor. Ramens roll spelas av statorlindningen (stationär del), från vilken växelspänningen tas bort. För industriell produktion utförs produktionen med hjälp av generatorer med olika kapacitet installerade i kraftverk (vattenkraftverk, statliga distriktskraftverk, kärnkraftverk).

Växelström(AC, förkortning för växelström) är en elektrisk ström som ändras i storlek och riktning med en viss periodicitet. Inom elektroteknik är det vanligt att använda tilde-tecknet (~) som bokstavsbeteckning för elektrisk ström.

Källor för växelström är växelströmsgeneratorer som skapar växelströmskraft, vars förändring i storlek och riktning sker med jämna mellanrum.

Grundläggande AC-parametrar

Följande parametrar används för att beskriva det (se diagram):

• Period (T) - varaktigheten av den tid under vilken den elektriska strömmen gör en fullständig förändringscykel och återgår till sitt initiala värde;
• Frekvens (f) - en parameter som bestämmer antalet kompletta oscillationer av den elektriska strömmen på en sekund, måttenheten är 1 Hertz (Hz). Så till exempel. Den nuvarande frekvensstandarden som används i inhemska kraftsystem är 50 Hz eller 50 svängningar per sekund.
• Strömamplitud (Im) - det maximalt uppnåbara momentana värdet av det aktuella värdet för perioden, som kan ses från den presenterade grafen - höjden på sinusformen;
• Fas - tillstånd för sinusformad växelström: momentant värde, riktningsändring, ökning (minskning) i kretsen. Växelström kan vara antingen enfas eller flerfas.

De mest utbredda är trefassystem, som är tre separata e-postmeddelanden. kretsar med samma frekvens och EMF, med en skiftvinkel φ = 120 °. Mer information om konceptet finns i artikeln Principen för att skapa en trefas växelströmskrets.

AC-applikation

Alternerande sinusformad elektrisk ström används i nästan alla sektorer av ekonomin. Den utbredda användningen av växelström beror till stor del på den ekonomiska effektiviteten av dess användning i strömförsörjningssystem, lättheten att konvertera från lågspänningsenergi till högre spänningsenergi och vice versa.

Denna funktion gör det möjligt att minska förlusten av elektricitet under dess överföring över långa avstånd genom ledningar, vilket avsevärt minskar deras tvärsnittsarea.