Все о токе и его частоте
Время на чтение:
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц или квазичастиц. Движение возможно только в носителях электрического заряда, если речь идет о металлах, то это электроны, если о полупроводниках, то электроны и «дырки». Иногда можно встретить несколько иную терминологию – «ток смещения», что тоже можно определить, как частотную характеристику электрического поля. Это интересная и всеобъемлющая тема, изучив которую, можно узнать массу полезной информации.
Что такое частота тока
Частота тока может относиться только к переменному показателю, который периодически изменяет своё направление и (или) силу в соответствии с синусоидальной функцией. Для того, чтобы вычислить период переменного тока, необходимо определить минимальный промежуток времени, через который повторяются изменение напряжения и силы. Частотой называется количество периодов, которое совершает ток за указанный промежуток или за единицу времени. Стандартное измерение выполняется в герцах (Гц), один период в 1 секунду равен одному Герцу.
Работа тока
Какие токи бывают
Для питания электрических устройств и электротехники необходима энергия. Постоянный и переменный токи являются способом передачи энергии из одной точки в другую с использованием проводников.
Важно! Основное различие между ними заключается в характере движения заряженных частиц. Постоянный ток течет равномерно в одном направлении, в то время, как переменный постоянно изменяет направление с заданной скоростью или частотой. Основным следствием этого является полярность напряжения.
Постоянный
Постоянный ток характеризуется неизменным показателем полярности заряженных частиц. Поскольку постоянный ток сохраняет постоянную полярность, важно обращать внимание на то, как подключается устройством – неверное подключение устройства к сети с большой долей вероятности выедет его из строя. Хорошим примером являются устройства с автономным питанием от аккумуляторов – на них всегда наносятся обозначения для их корректного подключения. В противном случае, техника просто не заработает, так как не получит электропитания.
Важно! При использовании постоянного тока, показатель напряжения может сильно разниться, в зависимости от используемого устройства. Типовые значения номинального напряжения автономных источников питания составляют 1.5V, 3.7V, 6V, 9V,12V, 24V и т.д.
Переменный
С переменным током полярность постоянно переключается между положительным и отрицательным значениями. При подобной характеристике силового поля напряжение будет постоянно меняться, а полярность в таком случае не оказывает никакого влияния на работоспособность сети. Именно поэтому, любое бытовое электрическое устройство можно включать в сеть, не задумываясь о положении вилки в розетке, то есть, о соблюдении корректной полярности.
Основной причиной широкого распространения переменного тока является относительная легкость и эффективность в увеличении, либо уменьшении напряжения. Это достигается с помощью трансформаторов, а количество изменений количественных показателей определяется числом обмоток.
Важно! Такая же трансформация допускается и для постоянной величины, но это явление не является эффективным для его применения на практике. Также, это является еще одной, дополнительной причиной, по которой в бытовой сети используется именно переменный ток.
Несмотря на то, что более низкие напряжения легче генерировать, высокие показатели несут меньшие потери при их передаче на расстояния. Поэтому перед подачей потребителям переменное напряжение повышается до нескольких сотен киловольт. Но, как только электричество достигает своего пункта назначения, оно снижается до 110 или 220 вольт. Дело в том, что переменный показатель имеет два установленных стандартных напряжения, которые используются во всем мире: 220В и 110В. Частота в электротехнике играет определяющее значение, и устройства, рассчитанные под напряжение в 110В, не станут работать от сети в 220В.
Какие есть фазы в токе
Многофазным может быть только переменный ток. Всего существует 3 разных фазы, и все они смещены на 120 градусов относительно друг друга. Каждая электростанция выдает по 4 провода: 3 фазовых и один для заземления, который является общим для всех трех. Электростанция вырабатывает три разные фазы переменного тока одновременно, и эти три фазы смещены строго под определённым углом.
Устройство фаз
Почему три фазы? Почему не одна, две или четыре? В 1-фазных и 2-фазных источниках питания имеет место явление, когда синусоида пересекает нулевую отметку 120 раз в секунду. При трехфазном питании в любой текущий момент одна из трех фаз приближается к пику. Таким образом, мощные 3-фазные двигатели (используемые в промышленности) и другие устройства, такие, как 3-фазное сварочное оборудование, имеют равномерную выходную мощность.
Важно! Четыре фазы существенно не улучшат ситуацию, но зато добавят четвертый провод, что повысит сложность многих работ и обслуживания, поэтому 3 фазы – это общепринятое и оптимальное значение.
Трехфазный
Трехфазная электроэнергия является распространенным методом генерации, передачи и распределения электроэнергии переменного показателя. Это тип многофазной системы и наиболее распространенный метод, используемый электрическими сетями во всем мире для передачи энергии. Он также используется для питания больших двигателей и при возникновении тяжелых нагрузок.
Трехфазная цепь, как правило, более экономична, чем эквивалентная двухпроводная однофазная при том же напряжённости линии и заземлении, поскольку для передачи заданного количества электрической энергии используется меньше материала проводника.
Интересный факт: Многофазные энергосистемы были изобретены Галилео Феррари, Михаилом Доливо-Добровольским, Йонасом Венстремом, Джоном Хопкинсоном и Николой Теслой ещё в конце 1880-х годов, и основные принципы работы применяются вплоть до сегодняшнего дня.
Двухфазный
Двухфазная электрическая мощность была единственной доступной системой распределения электроэнергии переменного тока в начале 20-го века. В то время использовались две цепи, причем фазы напряжения отличались на четверть цикла, то есть, на 90°. Обычно в схемах применялись четыре провода, по два на каждую фазу. Реже применялись три провода с общим сердечником, но большего диаметра. Некоторые двухфазные генераторы прошлых лет имели две полные роторные сборки с физически смещенными обмотками для обеспечения двухфазной мощности.
На сегодняшний день двухфазный тое приобрёл широкое распространение в быту, так как каждый потребитель – житель квартиры или частного дома имеет определённое количество точек подключения бытовых приборов малой мощности.
Важно! При стандартной работе наиболее распространённых домашних приборов двухфазная электрическая цепь в полном объёме удовлетворяет потребности владельцев жилой недвижимости.
Турбогенераторные установки на Ниагарском водопаде, построенные в 1895 году, были крупнейшими в мире на то время и представляли собой именно двухфазные машины. Однако, в конечном итоге, трёхфазные системы заменили безнадёжно устаревшие и малоэффективные оригинальные агрегаты для генерации и передачи энергии. В настоящее время в мире осталось мало промышленных двухфазных распределительных систем, например, в Филадельфии, штат Пенсильвания.
Как вычислить частоту и период тока
Формула, используемая для расчета периода одного цикла:
T – период времени 1 цикла.
Для того, чтобы вычислить частоту, необходимо применять обратную формулу, исходя из обратно пропорциональной зависимости: f = 1 / T.
Как формируется переменный ток
Трехфазное производство очень распространено в мире. Простейшим способом является использование трех отдельных катушек в статоре генератора, физически смещенных друг относительно друга на угол в 120 ° (одна треть полной фазы 360 °). Создаются три основных формы волны тока, которые равны по величине и смещены по фазе. Если катушки добавляются напротив (с шагом 60 °), они генерируют одинаковые фазы с обратной полярностью, поэтому могут быть просто соединены вместе.
На практике обычно используются более высокие «порядки полюсов». Например, 12-полюсный станок будет иметь 36 катушек (с шагом 10 °). Преимущество состоит в том, что более низкие скорости вращения могут быть использованы для генерации одинаковой частоты. Например, 2-полюсная машина, работающая на скорости 3600 об / мин, и 12-полюсная машина, работающая на 600 об/мин, производят одинаковую частоту; низкая скорость предпочтительнее для больших машин, так как предотвращается износ основных деталей механизмов.
Формирование тока
Важно! Если нагрузка в трехфазной системе равномерно распределена между фазами, то через нейтральную точку ток не протекает. Даже при несбалансированной (линейной) нагрузке в худшем случае ток нейтрали не будет превышать максимальный из фазных токов.
Нелинейные нагрузки (например, широко распространённые импульсные источники питания) могут потребовать слишком большой шины на нейтрали и проводнике в распределительной панели выше по потоку для обработки гармоник. Гармоники могут привести к тому, что уровни тока в нейтральном проводнике превысят уровни одного или всех фазных проводников.
Приведённая в статье базовая информация поможет понять логику работы и формирования электрического тока, основные закономерности и связи различных качественных показателей. Заинтересовавшись данной темой, читатель может углубиться в изучение процессов и получить полезные знания, которые могут пригодиться для применения их на практике.
Источник
Зависимость тока и частоты: требования, формула, влияние
Частота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.
Нормируемые требования к показателям
В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.
Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.
Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.
То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.
Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;
Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1).
Влияние частоты тока на электроприборы
Далее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 — 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры.
Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты — к снижению момента вращения.
Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте.
Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций.
Источник
82. Зависимость частоты генератора переменного тока от числа пар полюсов и скорости вращения ротора
При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывают, что за один оборот ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора э. д. с. имела один период. Если ротор генератора делает, например, 5 об/сек, то э. д. с. будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.
Частота тока f выражается следующим соотношением:
где n — число оборотов ротора в минуту.
Для получения от генератора стандартной частоты тока — 50 гц ротор должен делать 3000 об/мин, т. е.
Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, т. е. для машины с одной парой полюсов р.
Если машина четырехлолюсная, т. е. число пар полюсов равно двум: р=2 (фиг. 137), то один полный период изменения тока будет иметь место за пол-оборота ротора (1—5 положения проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (р = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.
Таким образом, для машин, имеющих р пар полюсов, частота тока при 
об/сек будет в р раз больше, чем для двухполюсной машины, т. е.
Отсюда формула для определения скорости вращения ротора будет иметь следующий вид:
Пример 3. Определить частоту переменного тока, получаемого от генератора с восемью полюсами (р=4), скорость вращения ротора которого n = 750 об/мин. Подставляя в формулу для определения частоты тока значение р и п. получим:
Пример 4. Определить скорость вращения ротора двадцатиполюсного генератора (р=10), если частотомер показал частоту тока f=25 гц. Подставляя в формулу для определения числа оборотов ротора п значения р и f, получим:
Пример 5. Ротор генератора, приводимого в движение водяной турбиной, делает 75 об/мин. Определить число полюсов генератора, если частота его тока 50 гц:
Следовательно, генератор имеет 80 полюсов.
4 Апрель, 2009 83448 
]]> Печать ]]>
Источник
Зависимость частоты от числа пар полюсов
Дата публикации: 24 марта 2015 .
Категория: Статьи.
При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывают, что за один оборот ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора электродвижущая сила (ЭДС) имела один период. Если ротор генератора делает, например 5 об/сек, то ЭДС будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 Гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.
Частота тока f выражается следующим соотношением:
где n – число оборотов ротора в минуту.
Для получения от генератора стандартной частоты тока – 50 Гц ротор должен делать 3000 об/мин, то есть
Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, то есть для машины с одной парой полюсов p.
Если машина четырехполюсная, то есть число пар полюсов равно двум: p = 2 (рисунок 1), то один полный период изменения тока будет иметь место за пол-оборота ротора (1 – 5 положения проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (p = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.
Рисунок 1. Изменение переменного тока в проводнике ротора четырехполюсного генератора
Таким образом, для машин, имеющих p пар полюсов, частота тока при об/сек будет в p раз больше, чем для двухполюсной машины, то есть
Отсюда формула зависимости скорости вращения от частоты и числа пар полюсов будет иметь следующий вид:
Пример 1. Определить частоту переменного тока, получаемого от генератора с восемью полюсами (p = 4), скорость вращения ротора которого n = 750 об/мин. Подставляя в формулу для определения частоты тока значение p и n получим:
Пример 2. Определить скорость вращения ротора двадцатиполюсного генератора (p = 10), если частотомер показал частоту тока f = 25 Гц. Подставляя в формулу для определения числа оборотов ротора n значения p и f, получим:
Пример 3. Скорость вращения ротора асинхронного двигателя, составляет 250 об/мин. Определить число пар полюсов асинхронного двигателя, если частота тока питающей сети равна 50 Гц:
Следовательно, двигатель имеет 24 полюса.
Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.
Источник