Сопротивление в цепях переменного тока.

IV Раздел

Химические источники тока.

Подразделяются на:

· Аккумуляторы (работа в режиме разряда и заряда)

· Гальванические элементы (работа только в режиме разряда)

Кислотные аккумуляторы.

Состоят из диэлектрического корпуса, наполненного электролитом (30% серной кислоты - H₂SO₄ в дистиллированной воде - H₂O). В корпус помещен комплект пластин – электродов покрытыми активными массами.

Активной массой Анода (+)является оксид свинца(PbO₂), а активной массой Катода (-) -чистый губчатый свинец (Pb).

Пластины ставятся в ряд, чередуются и разделяются сепараторными перегородками. Внизу корпуса имеется поддон дляосаживания свинцового осадка - шлама.

При разряде идет реакция

PbO₂+Pb+2H₂SO₄<=>2PbSO₄+2H₂O

т.е. активные массы вступают в реакцию с серной кислотой с образованием сульфата свинца (PbSO₄) похожего на соль, и воды. При этом концентрация серной кислоты и плотность электролита понижается, а на электродах поддерживается около 2-х вольт на одну банку, а т.к. сульфат свинца это твердое кристаллическое вещество, то разряжать кислотный аккумулятор много нельзя (около 20%), т.к. возможно замыкание электродов. При разряде, т.е. подключении внешнего источника тока, идет обратная реакция, т.е. сульфат свинца растворяется в воде, при этом восстанавливаются активные массы и концентрация серной кислоты, повышается плотность электролита и напряжение (до14В на 6 банок), которое после отключения источника сравнительно быстро опускаются до 12В.

Также недостатком кислотного аккумулятора является относительно быстрый саморазряд (1,5% в сутки, 20% в месяц).

Вщелочном аккумуляторе электролитом является раствор щелочи, натрия или калия. Активными массами никель – железо (Ni-Fe), никель – кадмий (Ni-Cd), литий (Li) – ион (полимер).

Режимы разряда и заряда.Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением:

Читая уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево – процесс заряда.

Аналогичное уравнение отражает процессы разряда и заряда никель-кадмиевого аккумулятора.

Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому его плотность не изменяется.

Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС около 1,45 В. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В. При этом напряжении разряд следует прекращать. Разряжать щелочные аккумуляторы ниже установленного конечного напряжения не рекомендуется, так как это может привести к безвозвратной потере емкости и уменьшению срока службы.

При заряде напряжение быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8В. Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является признаком окончания заряда, однако при бурном газовыделении необходимо уменьшить зарядный ток. Щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить.

Преимущества щелочных аккумуляторов:

· они могут долгое время находиться в в полузаряженном или полностью разряженном состоянии;

· не боятся низких температур;

· могут работать при больших разрядных и зарядных токах, т.к имеют большое внутреннее сопротивление;

· не боятся коротких замыканий и глубоких разрядов;

· не боятся тряски, вибраций, ударов;

· имеют большой срок службы и хранения.

Недостатки:

· напряжение щелочного аккумулятора почти на 40% ниже напряжения кислотного;

· из-за большего внутреннего сопротивления падение напряжения в щелочном аккумуляторе больше, чем в кислотном, особенно при больших токах разряда.

Основной характеристикой аккумуляторов является ёмкость ( С) , которая измеряется в Ампер-часах (А*ч).

Емкость показывает – какое количество электричества может отдать аккумулятор, разрядившись при этом полностью, т.е до U=0(В)

Номинальная ёмкость (является паспортной характеристикой аккумулятора) показывает, какое количество электричества может отдать аккумулятор, разряжаясь номинальным разрядным током до допустимого напряжения. Uдоп. одного элемента (банки) щелочных аккумуляторов – 1В, кислотных – 1,7 В.

Примечание: если аккумулятор разряжать током ниже номинального, то емкость аккумулятора повышается, и наоборот. Если разряжать аккумулятор током свыше номинального, то емкость снижается.

V Раздел.

Переменный ток.

Получают обычно с помощью 3-х фазных синхронных генераторов или с помощью 1-но фазных генераторов, которые в отличии от генераторов постоянного тока вместо коллектора имеют 2 контактных кольца.

Параметры переменного тока.

1. Период Т, [c] – это время, за которое происходит полный цикл изменения тока.

2. Частота f , [Гц] (герц) – это количество колебаний (периодов) за 1 секунду.

3. Амплитуда i_m, u_m, p_m, e_m – это максимальное значение переменной величины за период.

4. Мгновенное значение i, u, p, e – это значение переменной величины, в какой-либо момент времени.

5. Действующее значение I, U, P, E – под действующим значением переменного тока понимают такую величину постоянного тока, при которой выделяется столько же энергии, сколько при переменном токе.

I=i_m/√2=0.7*i_m

U= u_m /√2

6. Фаза – это математическая величина, это когда период разделяют на 360 частей (один оборот ротора) и поэтому фазу измеряют не в секундах, а в электрических градусах.

Можно выделить три варианта соотношения изменений тока и напряжения:

· Совпадение по фазе – когда две переменные величины изменяются синхронно (Резонанс).

· Сдвиг по фазе – когда две переменные величины изменяются не синхронно. Сдвиг по фазе это термин математический, физически означает сдвиг по времени изменения.

· В противофазе – смещение тока относительно напряжения на половину периода ( на 180 эл.град.)

Трехфазный ток.

Синхронный генератор.

Состоит из:

1. Статор
2. Ротор
3. Обмотки (фазы)

Начало фаз обозначают A,B,C (или С₁,С₂,С₃). Концы фаз обозначают X,Y,Z (или С₄,С₅,С₆).

При вращении ротора его поле пересекает обмотки статора, и в них индуцируется одинаковая по величине, но сдвинутая по фазе на 1/3 периода (120º) ЭДС, поэтому их сумма в любой момент времени равна «0», (е₁+е₂+е₃=0).

Фазы генераторы могут соединяться двумя способами, по схеме: звездаилитреугольник.

5.5. Соединение фаз генератора (источника тока) и потребителя по схеме «звезда»/«звезда» (с нулевым проводом).

При соединении «звезда» все концы фаз генератора соединяют в один узел (точку), который называется нулевым, а начала фаз генератора соединяют с началами фаз потребителя при помощи линейных проводов. Фазы потребителя в данной схеме также соединены по схеме « звезда» и имеют нулевую точку. Провод, соединяющий нулевые точки фаз генератора и потребителя, называется нулевым.

Напряжение между началом и концом одной фазы называется фазовым напряжением. Обозначается – Uф. В данном случае - это напряжение между линейным и нулевым проводами.

Прим. В бытовых трехфазных цепях Uф=220В, а Uл=380В.

Напряжение между началами фаз называется линейным напряжением. Обозначается – Uл. В данном случае – это напряжение между линейными проводами.

Прим. В бытовых трехфазных цепях Uф=220В, а Uл=380В.

Для данного соединения справедливы следующие соотношения:

Iл =Iф Uл = √3×Uф

При равномерной нагрузке фаз (т.е. потребители, включенные в каждую фазу, имеют одинаковые сопротивления - к примеру, асинхронный двигатель) ток в нулевом проводе будет равен 0. Потому что, токи в фазах потребителей будут одинаковы по величине, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120 эл. градусов. Соответственно, в данном случае нулевой провод не нужен.

При неравномерной нагрузке фаз ток в нулевом проводе будет не равен 0, но его величина, как правило, значительно меньше величин токов в линейных проводах. Поэтому, в 4-х жильных кабелях нулевой провод может быть выполнен меньшего сечения (Примечание: «ноль» как правило, в темной (черной) оплетке).

При рассмотрении схемы «звезда»/ «звезда» видно, что при помощи линейного и нулевого проводов каждая фаза генератора присоединяется к своей фазе потребителя. И получается, что нулевой провод служит для равномерного распределения напряжениямежду фазами потребителя независимо от нагрузки каждой фазы. Поэтому, обрыв нулевого провода недопустим. Соответственно, в нулевой провод никаких предохранителей и выключателей не ставятся.

По данной схеме осуществляется энергоснабжение как бытовых потребителей (многоквартирные дома), так и промышленных предприятий. Но при этом, нулевые точки фаз генератора и потребителей заземляют. Поэтому, «земля» будет выполнять функцию защитного нулевого провода. Соответственно, в современных квартирах энергоснабжение выполняется по 3-х проводной системе. 1-й провод называется фазным, его потенциал равен 220В. 2-й провод называется рабочим нулевым проводом, его потенциал равен нулю. 3-й провод – защитный ноль, как правило, должен быть электрически связан с металлическими корпусами и деталями бытовых электроприборов.

Примечание:

При обрыве рабочего нулевого провода (не в квартире, а в доме), происходит так называемый перекос по фазам. При этом напряжение в квартирах может меняться практически от нуля Вольт до 380В, что приводит к выходу из строя бытовой техники.

Асинхронный двигатель.

Принцип действия основан на использовании явления вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Примечание: для упрощения понимания создания вращающегося магнитного поля следует вспомнить об обратимости электрических и электромагнитных явлений. Так, например, для получения 3-х фазного переменного напряжения при помощи 3-х фазного генератора необходимо было вращать ротор с его магнитным полем. Но если, наоборот, подать 3-х фазное напряжения на статорные обмотки, то они создают вращающееся магнитное поле. Причем, за один период изменения тока в любой статорной обмотке магнитное поле повернётся на 360 градусов, т.е. на 1 оборот.

Простейший асинхронный двигатель состоит из статора и ротора. В пазах сердечника статора укладывают 3 обмотки, смещенные относительно друг друга на 120 градусов. Концы обмоток выводятся в клемную коробку двигателя, где они соединяются между собой или по схеме «звезда» или «треугольник».

Ротор представляет собой вал с шихтованным сердечником и в пазы сердечника, без изоляции, укладывают обмотку типа «беличьей клетки». Такой ротор называют короткозамкнутым. В маломощных машинах обмотку ротора выполняют заливкой алюминиевого сплава в пазы ротора. При этом отливку выполняют за одно целое с короткозамыкающими кольцами и лопатками вентилятора.

Принцип действия:

При подаче 3-х фазного напряжения на статорные обмотки двигателя они создают вращающееся магнитное поле. Данное магнитное поле пересекает проводники ротора и в них индуктируется ЭДС. Так как проводники ротора замкнуты между собой, то под действием ЭДС по ним потечет ток. На проводники с током ротора, находящимся в магнитном поле статора, будут действовать выталкивающие силы. Эти выталкивающие силы и создают вращающий момент на валу ротора, под действием которого ротор вращается в ту же сторону, куда вращается магнитное поле статора.

Частота вращения магнитного поля статора обозначается – n₁,и определяется по формуле:

n₁= 60f/P

где: f – частота питающего тока

P –число пар полюсов

60 –коэффициент перевода единиц измерения из об/сек в об/мин

На локомотивах применяют асинхронные двигатели с разным количеством обмоток. Причем, количество обмоток всегда кратно 3. Таким образом, двигатели могут иметь 3 обмотки, 6 обмоток, 9 обмоток и т.д. Каждые 3 обмотки у асинхронного двигателя приравнивается к одной паре полюсов. Соответственно, при увеличении количества статорных обмоток частота вращения магнитного поля уменьшается.

Данные о величине частоты вращения разнополюсных машин при питании током промышленной частоты (f=50Гц) приведены в таблице:

Количество статорных обмоток	Количество пар полюсов (Р)	Подсчет n1 по формуле	Значение n1 ( об/мин)	Примечание
		60×50/1		3 обмотки по кругу занимают пространство 3600, поэтому за один период изменения тока магнитное поле повернется на3600.
		60×50/2		3 обмотки из 6 по кругу занимают пространство 1800, поэтому за один период изменения тока магнитное поле повернется на1800.
		60×50/3		3 обмотки из 9 по кругу занимают пространство 1200, поэтому за один период изменения тока магнитное поле повернется на1200.

Частота вращения ротора обозначается – n2

Для того, чтобы на валу ротора создавался вращающий момент, необходимо выполнение данного условия:

n2‹ n₁

Поэтому такие двигатели называются асинхронными. Приставка «а» означает «не», то есть несинхронные двигатели.

Отставание ротора от магнитного поля статора характеризуется скольжением (S). Скольжение определяется по данной формуле:

S= (n₁ –n₂)/ n₁ ×100%

Скольжение показывает, на сколько процентов частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статорных обмоток. Значение n₂ при определенном скольжении для различных асинхронных двигателей приведены в таблице:

Количество статорных обмоток	Количество пар полюсов (Р)	n1 (об/мин)	S (%)	S (об/мин)	n2 (об/мин)

Механическая характеристика и свойства асинхронных двигателей.

Механическая характеристика – представляет собой графическую зависимость частоты вращения ротора (n₂) от величины вращающего момента (М_вр). При снятии данной характеристики вращающий момент изменяют за счет изменения механической нагрузки на валу двигателя.

Данная характеристика показывает:

1. При М_вр=0, частота вращения ротора(n₂) равна частоте вращения магнитного поля статорных обмоток (n₁). Но в реальности, даже в режиме холостого хода, на вал двигателя будет действовать момент сопротивления (трение в подшипниках крепления вала, сопротивления от воздушной среды и т.д.). Поэтому, по принципу саморегулирования, на валу двигателя всегда будет создаваться вращающий момент, компенсирующий момент сопротивления. Следовательно, всегда будет выполняться условие n2‹ n1

2. Верхняя часть характеристики до точки В считается рабочей. По этой части характеристики видно, что при увеличении механической нагрузки на валу частота вращения ротора уменьшается незначительно. Соответственно, асинхронный двигатель обладает жесткой частотной характеристикой.

3. В точке В асинхронный двигатель развивает максимальный вращающий момент, который называется критическим моментом. Для большинства асинхронных двигателей такой момент возникает при величине скольжения Sкрит=10-20%.Если величина механической нагрузки будет больше М_кр, то происходит «опрокидование» двигателя, то есть вращающий момент резко уменьшается и ротор останавливается. Данный процесс показан нижней частью механической характеристики.

IV Раздел

Химические источники тока.

Подразделяются на:

· Аккумуляторы (работа в режиме разряда и заряда)

· Гальванические элементы (работа только в режиме разряда)

Кислотные аккумуляторы.

Состоят из диэлектрического корпуса, наполненного электролитом (30% серной кислоты - H₂SO₄ в дистиллированной воде - H₂O). В корпус помещен комплект пластин – электродов покрытыми активными массами.

Активной массой Анода (+)является оксид свинца(PbO₂), а активной массой Катода (-) -чистый губчатый свинец (Pb).

Пластины ставятся в ряд, чередуются и разделяются сепараторными перегородками. Внизу корпуса имеется поддон дляосаживания свинцового осадка - шлама.

При разряде идет реакция

PbO₂+Pb+2H₂SO₄<=>2PbSO₄+2H₂O

т.е. активные массы вступают в реакцию с серной кислотой с образованием сульфата свинца (PbSO₄) похожего на соль, и воды. При этом концентрация серной кислоты и плотность электролита понижается, а на электродах поддерживается около 2-х вольт на одну банку, а т.к. сульфат свинца это твердое кристаллическое вещество, то разряжать кислотный аккумулятор много нельзя (около 20%), т.к. возможно замыкание электродов. При разряде, т.е. подключении внешнего источника тока, идет обратная реакция, т.е. сульфат свинца растворяется в воде, при этом восстанавливаются активные массы и концентрация серной кислоты, повышается плотность электролита и напряжение (до14В на 6 банок), которое после отключения источника сравнительно быстро опускаются до 12В.

Также недостатком кислотного аккумулятора является относительно быстрый саморазряд (1,5% в сутки, 20% в месяц).

Вщелочном аккумуляторе электролитом является раствор щелочи, натрия или калия. Активными массами никель – железо (Ni-Fe), никель – кадмий (Ni-Cd), литий (Li) – ион (полимер).

Режимы разряда и заряда.Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением:

Читая уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево – процесс заряда.

Аналогичное уравнение отражает процессы разряда и заряда никель-кадмиевого аккумулятора.

Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому его плотность не изменяется.

Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС около 1,45 В. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В. При этом напряжении разряд следует прекращать. Разряжать щелочные аккумуляторы ниже установленного конечного напряжения не рекомендуется, так как это может привести к безвозвратной потере емкости и уменьшению срока службы.

При заряде напряжение быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8В. Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является признаком окончания заряда, однако при бурном газовыделении необходимо уменьшить зарядный ток. Щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить.

Преимущества щелочных аккумуляторов:

· они могут долгое время находиться в в полузаряженном или полностью разряженном состоянии;

· не боятся низких температур;

· могут работать при больших разрядных и зарядных токах, т.к имеют большое внутреннее сопротивление;

· не боятся коротких замыканий и глубоких разрядов;

· не боятся тряски, вибраций, ударов;

· имеют большой срок службы и хранения.

Недостатки:

· напряжение щелочного аккумулятора почти на 40% ниже напряжения кислотного;

· из-за большего внутреннего сопротивления падение напряжения в щелочном аккумуляторе больше, чем в кислотном, особенно при больших токах разряда.

Основной характеристикой аккумуляторов является ёмкость ( С) , которая измеряется в Ампер-часах (А*ч).

Емкость показывает – какое количество электричества может отдать аккумулятор, разрядившись при этом полностью, т.е до U=0(В)

Номинальная ёмкость (является паспортной характеристикой аккумулятора) показывает, какое количество электричества может отдать аккумулятор, разряжаясь номинальным разрядным током до допустимого напряжения. Uдоп. одного элемента (банки) щелочных аккумуляторов – 1В, кислотных – 1,7 В.

Примечание: если аккумулятор разряжать током ниже номинального, то емкость аккумулятора повышается, и наоборот. Если разряжать аккумулятор током свыше номинального, то емкость снижается.

V Раздел.

Переменный ток.

Получают обычно с помощью 3-х фазных синхронных генераторов или с помощью 1-но фазных генераторов, которые в отличии от генераторов постоянного тока вместо коллектора имеют 2 контактных кольца.

Параметры переменного тока.

1. Период Т, [c] – это время, за которое происходит полный цикл изменения тока.

2. Частота f , [Гц] (герц) – это количество колебаний (периодов) за 1 секунду.

3. Амплитуда i_m, u_m, p_m, e_m – это максимальное значение переменной величины за период.

4. Мгновенное значение i, u, p, e – это значение переменной величины, в какой-либо момент времени.

5. Действующее значение I, U, P, E – под действующим значением переменного тока понимают такую величину постоянного тока, при которой выделяется столько же энергии, сколько при переменном токе.

I=i_m/√2=0.7*i_m

U= u_m /√2

6. Фаза – это математическая величина, это когда период разделяют на 360 частей (один оборот ротора) и поэтому фазу измеряют не в секундах, а в электрических градусах.

Можно выделить три варианта соотношения изменений тока и напряжения:

· Совпадение по фазе – когда две переменные величины изменяются синхронно (Резонанс).

· Сдвиг по фазе – когда две переменные величины изменяются не синхронно. Сдвиг по фазе это термин математический, физически означает сдвиг по времени изменения.

· В противофазе – смещение тока относительно напряжения на половину периода ( на 180 эл.град.)

Сопротивление в цепях переменного тока.

Делится на активное и реактивное. На активном сопротивление (электрическом сопротивлении R) - выделяется энергия. Им обладают резисторы, реостаты, провода. На реактивном сопротивлении энергия не выделяется. Им обладают катушки и конденсаторы.

5.2.1. Активное сопротивление в цепи переменного тока(электрическое сопротивление - R).

Если в цепях переменного тока отсутствуют катушки и конденсаторы, то в такой цепи ток и напряжение совпадают по фазе. А т.к. мгновенное значение мощности в любой момент времени определяется p=u*i, то энергия на активном сопротивлении выделяется двумя импульсами за период, а ее среднее, т.е. действующее значение равно половине максимального P=p_m/2.

При прохождении постоянного тока по проводнику он равномерно распределяется по всему сечению проводника, и проводник в данном случае обладает омическим (электрическим) сопротивлением R.

При прохождении переменного тока по этому же проводнику он будет протекать только по поверхности проводника - кольцу (поверхностный эффект), а проводник в данном случае обладает реактивным сопротивлением - Х.

Поэтому, активное сопротивление проводника всегда больше его омического (электрического) сопротивления из-за поверхностного эффекта.