Постоянный и переменный электрический ток

До сих пор при изучении законов электрического тока имелось в виду, что напряжение, приложенное к цепи, остается постоянным по величине и направлению. Такой ток называют постоянным. График постоянного тока показан на рис а. графика тока, где по вертикали отложено напряжение, а по горизонтали – время.

Рис. 9 График тока: а – постоянного, в – переменного

Время Т, в течение которого переменный ток совершит полное колебание, называется периодом. Число периодов в секунду называется частотой. В России принята частота тока 50 периодов в секунду. Ценным качеством переменного тока является возможность трансформации его, т. е. изменения напряжения при помощи простого аппарата - трансформатора. Это дает возможность экономично передавать электрическую энергию на большие расстояния и расширяет область ее применения.

При протекании переменного тока в цепи, где самоиндуктируется ток, ЭДС самоиндукции, по правилу Ленца, противодействует внешнему напряжению. Таким образом, цепь, где происходит самоиндукция, оказывает протеканию переменного тока большое сопротивление, чем протеканию постоянного тока, за счет дополнительного сопротивления, появляющегося только при переменном токе. Сопротивление электрической цепи протеканию постоянного тока называют активным сопротивлением. Дополнительное по сравнению с сопротивлением постоянному току сопротивление протеканию переменного тока, вызванное наличием ЭДС самоиндукции, называют индуктивным, или реактивным сопротивлением. Полное сопротивление цепи протеканию переменного тока (активное и реактивное вместе) называют, полным сопротивлением.

Аналогично названию сопротивлений, ток и мощность, идущие на создание электромагнитного поля в электрических цепях, где происходит самоиндукция, называют, активным током и реактивной мощностью; ток и мощность, производящие полезную работу, называют активным током и активной мощностью. Общая мощность (сумма активной и реактивной мощностей), действующая в цепи переменного тока, называется полной мощностью.

В отличие от активной мощности, измеряемой в киловаттах, полную и реактивную мощность измеряют в вольтамперах и в киловольтметрах.

Активная и полная мощность связаны между собой соотношением:

где Р_а – активная мощность;

Р – полная мощность;

сosφ – коэффициент мощности, учитывающий реактивность данной электрической цепи

(произносится – косинус фи) он измеряется в пределах от 0 до 1.Так как: , то

Таким образом, активная мощность переменного тока равна произведению напряжения на силу протекающего тока и на коэффициент мощности.

Пример: Определить активную мощность цепи, если при напряжении 220в по ней протекает ток силой 5А, cosφ=0,8.

Трехфазный переменный ток

Рассмотренный нами переменный ток называют однофазным. Его можно, так же как и постоянный ток, передать по двум проводам. Обычно он используется для питания осветительных ламп и мелких бытовых приборов. Для питания крупных двигателей, электропечей и трансформаторов применяется система их трех однофазных токов, соединенных вместе по схеме:

а – схема соединений; в – график трехфазного тока

Рис. 10. Трехфазный ток

Каждый из этих токов протекает по двум проводам. При таком соединении три провода из шести можно объединить в один провод. Таким образом, для передачи трехфазного тока необходимо иметь четыре провода. При равных нагрузках всех трех фаз в четвертом проводе токи трех фаз направлены навстречу друг другу и сумма их равна нулю. Поэтому при равномерной нагрузке фаз для передачи трехфазного тока достаточно трех проводов. На рис. 10 показан график трехфазного тока.

Активная мощность трехфазного тока определяется по формуле:

где Р_а – активная мощность трехфазного тока;

U – напряжение между двумя проводами;

i – сила тока в одном проводе;

cosφ – коэффициент мощности.

Пример: Определить активную мощность трехфазного тока, если U=380в, i=80а cosφ=0,86

Как видно из графика изменений трехфазного тока напряжение достигает максимального значения не одновременно во всех трех фазах, а попеременно, через равные промежутки времени, то в одной, то в другой, то в третьей фазе. Следовательно, если включить такой ток в три обмотки, расположенные так, как это показано на рисунке (Рис. 11)

Рис. 11. Вращающее магнитное поле

Образование вращающегося магнитного поля

Максимальное значение магнитного потока будет создаваться то в первой, то во второй, то в третьей обмотке, соответственно максимальным значениям тока в фазах, подключенных к этим обмоткам. Магнитное поле, перемещающееся таким образом по замкнутому кругу, называется вращающимся магнитным полем.

Описанное создание вращающегося магнитного поля поясняется рис 11. Если подключить фазу к первой катушке обмотки двигателя, фазу 2 ко второй катушке, а фазу 3 к третьей катушке обмотки, то в момент времени t₁ максимальный поток будет в первой катушке, так как в это время сила тока в фазе 1, подключенной к первой катушке, будет иметь максимальное значение. Затем сила тока в фазе 1 постепенно ослабевает и, переходя через нуль, меняет направление, в это время увеличивается значение силы тока в фазе 2 и к моменту времени t₂ сила тока в фазе 2 достигает максимального значения, поэтому максимальный поток уже создастся не первой катушкой, а второй. Это в свою очередь означает, что магнитное поле повернулось на 120° (Рис.11). К моменту времени t₃ максимум тока будет в фазе 3, а максимум потока будет создаваться третьей катушкой — магнитное поле повернулось еще на 120º.

К моменту времени t₄ создается такая же картина поля, как и в момент времени t_1,т. е. снова максимума ток достигает в фазе 1, а максимальный магнитный поток создается первой катушкой. Это значит, что за время t₁ - t₂магнитное поле повернулось на 360° (совершило полный оборот).

Обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута на себя, или на сопротивление. При неподвижном роторе и наличии тока в обмотке статора силовые линии вращающегося магнитного ноля пересекают неподвижные витки обмотки ротора, в результате чего в обмотке ротора появляется ЭДС и ток.

Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в сторону вращения поля. Ротор двигателя начнет вращаться. По мере увеличения скорости ротора уменьшаются число пересекаемых силовых линий и ЭДС и, следовательно, ток ротора асинхронного двигателя. Однако ротор никогда не достигает скорости поля, а всегда вращается. Это отставание ротора от поля статора называют скольжением. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше скольжение. Выражается скольжение в процентах или в относительных единицах.

Обычно асинхронные двигатели имеют при полной нагрузке скольжение 2—4%.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется по формуле:

где n—скорость вращения ротора, об/мин;

f — частота питающей сети;

p— число пар полюсов;

s — скольжение.

Пример. Определить скорость вращения ротора двигателя, если f=50, p=2, s=3%