Что такое фаза переменного тока

Переменный электрический ток. Фаза

Так как переменный электрический ток изменяется не только по величине, но и по направлению, то одно из направлений переменного электрического тока условно может считаться положительным, а другое, противоположное ему, отрицательным. Поэтому мгновенное значение переменного электрического тока в первом случае считается положительным, а во втором отрицательным.

Сила переменного электрического тока – это скалярная величина, которая определяет то, в каком направлении протекает электрический ток в данный момент времени — либо в положительном, либо в отрицательном.

Мгновенным значением переменного электрического тока представляет собой величину переменного тока, которая соответствует данному моменту времени. Самое большое значение переменного электрического тока, которое он достигает во время процесса изменения называется амплитудой электрического тока. 3ависимость силы переменного тока от времени отражается на развернутой диаграмме переменного тока, пример которой изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Диаграмма. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На горизонтальной оси рассматриваемой диаграммы отображена ось времени, на которой, в определенном масштабе, отложены временные промежутки, а на вертикальной оси – ось силы переменного электрического тока. На рассматриваемой диаграмме направление выбрано вверх, то есть оно является положительным, а вниз — отрицательным. В начальный момент времени — то есть при t = 0, сила переменного тока также равняется нулю. 3атем с течением времени сила тока растет в положительном направлении, достигая максимального значения в момент времени, когда t = T/4, после чего она убывает и становится равной нулю в момент времени, когда t = T/2. После прохождения нулевого значения у электрического тока меняется направление – оно становится отрицательным и начинает расти по абсолютной величине — стремится вниз и достигает своего максимального значения, когда t = ¾T, после этого убывает и стремится к нулю когда t = T и становится равным нулю.

Периодический переменный ток – это электрический ток, который через равные промежутки времени повторяет цикл собственных изменений и возвращается к исходной точке.

Рассмотрим диаграмму переменного электрического тока, которая представлена на рисунке ниже.

Рисунок 2. Диаграмма переменного электрического тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На представленной выше диаграмме через равные промежутки времени — Т, график воспроизводится в полном объеме без изменений. Время Т — в течении которого периодический переменный ток совершает полный цикл изменений, возвращаясь к начальной величине и называется периодом переменного электрического тока. Величина, которая обратна периоду, называется частотой и рассчитывается по следующей формуле:

где: f — частота переменного электрического тока; Т — период переменного электрического тока.

Численно, частота переменного тока равняется количеству периодов по отношению к временному промежутку.

Фаза в электротехнике – это токопроводящая часть, по которой заряженные частицы двигаются от генератора к нагрузке.

Электрический ток может быть:

• однофазный,
• двухфазный,
• трехфазный.

Однофазный ток является переменным током, который образуется во время вращательных действий в области магнитного поля проводника или совокупности проводников, которые объединяет общий поток. Однофазный ток передается посредством двух проводов, которые называются фаза и ноль. В данных проводах напряжение составляет 220 вольт. К потребителю однофазный ток может поступать при помощи двух или трех проводов. В случае использования двух проводов один передает фазу, а второй предназначен для нулевого напряжения. При использовании трех проводов третий провод используется для заземления, предназначение которого заключается в исключении вероятности поражения человека электрическим током.

Двухфазный ток представляет собой слияние двух однофазных токов, которые имеют сдвиг по фазе по отношению к друг другу. Трехфазная электрическая система состоит из трех цепей. В данных цепях присутствуют переменные электродвижущие силы с одинаковой частотой и одинаковы сдвинутых по фазе относительно друг друга. Каждый такой участок можно назвать фазой. Трехфазный ток может передаваться на значительные расстояния, паре фазных проводов свойственно напряжение в 380 вольт, а фазе и нулю 220 вольт. Такой ток может передаваться четырьмя или пятью проводами. При использовании четырех проводов используется три фазы и один ноль, которая имеет место быть до распределительного щитка, после него используется фаза и ноль, чтобы напряжение составляло 220 вольт. В случае использования пяти проводов добавляется провод, задача которого заключается в обеспечении защиты и заземления.

Основные параметры переменного тока: период, частота, фаза, амплитуда, гармонические колебания

Переменный ток — электрический ток, направление и сила которого изменяются периодически. Так как обычно сила переменного тока изменяется по синусоидальному закону, то переменный ток представляет собой синусоидальные колебания напряжения и силы тока.

Поэтому к переменному току применимо все то, что относится к синусоидальным электрическим колебаниям. Синусоидальные колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса. В данной статье поговорим о параметрах переменного тока.

Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:

Есть и вспомогательные параметры:

Далее рассмотрим все эти параметры по отдельности и во взаимосвязи.

Период — время, в течение которого система, совершающая колебания, проходит через все промежуточные состояния и нале снова возвращается к исходному.

Периодом Т переменного тока называется промежуток времени, за который ток или напряжение совершает один полный цикл изменений.

Поскольку источником переменного тока является генератор, то период связан со скоростью вращения его ротора, и чем выше скорость вращения витка или ротора генератора, тем меньшим оказывается период генерируемой переменной ЭДС, и, соответственно, переменного тока нагрузки.

Период измеряется в секундах, миллисекундах, микросекундах, наносекундах, в зависимости от конкретной ситуации, в которой данный ток рассматривается. На вышеприведенном рисунке видно, как напряжение U с течением времени изменяется, имея при этом постоянный характерный период Т.

Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. То есть f = 1/Т. Единица измерения частоты — герц (Гц), названная в честь немецкого физика Генриха Герца, внесшего в 19 веке немалый вклад в развитие электродинамики. Чем меньше период, тем выше частота изменения ЭДС или тока.

Сегодня в России стандартной частотой переменного тока в электрических сетях является 50 Гц, то есть за 1 секунду происходит 50 колебаний сетевого напряжения.

В других областях электродинамики используются и более высокие частоты, например 20 кГц и более — в современных инверторах, и до единиц МГц в более узких сферах электродинамики. На приведенном выше рисунке видно, что за одну секунду происходит 50 полных колебаний, каждое из которых длится 0,02 секунды, и 1/0,02 = 50.

По графикам изменения синусоидального переменного тока с течением времени видно, что токи различной частоты содержат разное количество периодов на одном и том же отрезке времени.

Угловая частота — число колебаний, совершаемых за 2пи сек.

За один период фаза синусоидальной ЭДС или синусоидального тока изменяется на 2пи радиан или на 360°, поэтому угловая частота переменного синусоидального тока равна:

Пользоваться числом колебаний на 2пи сек. (а не за 1 сек.) удобно потому, что в формулах, выражающих закон изменения напряжений и токов при гармонических колебаниях, выражающих индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, и во многих других случаях частота колебаний n фигурируют вместе с множителем 2пи.

Фаза — состояние, стадия периодическою процесса. Более определенный смысл имеет понятие фаза в случае синусоидальных колебаний. На практике обычно играет роль не фаза сама по себе, а сдвиг фаз между какими-либо двумя периодическими процессами.

В данном случае под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени.

На рисунках можно видеть: совпадение напряжения U1 и тока I1 по фазе, напряжения U1 и U2 в противофазе, а также сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2. Сдвиг по фазе измеряется в радианах, долях периода, в градусах.

Амплитуда Uм и Iм

Говоря о величине синусоидального переменного тока или синусоидальной переменной ЭДС, наибольшее значение ЭДС или тока называют амплитудой или амплитудным (максимальным) значением.

Амплитуда — наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое.

Строго говоря, термин амплитуда относится только к синусоидальным колебаниям, но его обычно (не вполне правильно) применяют в указанном выше смысле ко всяким колебаниям.

Если речь о генераторе переменного тока, то ЭДС на его выводах дважды за период достигает амплитудного значения, первое из которых +Eм, второе -Eм, соответственно во время положительного и отрицательного полупериодов. Аналогичным образом ведет себя и ток I, и обозначается соответственно Iм.

Гармонические колебания — колебания, в которых колеблющаяся величина, например напряжение в электрической цепи, меняется во времени по гармоническому синусоидальному или косинусоидальному закону. Графически представляются кривой — синусоидой.

Реальные процессы могут лишь приближенно быть гармоническими колебаниями. Однако если колебания отражают наиболее характерные черты процесса, то такой процесс считают гармоническими, что существенно облегчает решение многих физических и технических задач.

Движения, близкие к гармоническим колебаниям, совершаются в различных системах: механических (колебания маятника), акустических (колебания столба воздуха в органной трубе), электромагнитных (колебания в LC-контуре) и др. Теория колебаний рассматривает эти различные по физической природе явления с единой точки зрения и определяет их общие свойства.

Графически гармонические колебания удобно представить с помощью вектора, вращающегося с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной к этому вектору и проходящей через его начало. Угловая скорость вращения вектора соответствует круговой частоте гармонического колебания.

Векторная диаграмма одного гармонического колебания

Периодический процесс любой формы может быть разложен в бесконечный ряд простых гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и фазами.

Гармоника — гармоническое колебание, частота которого в целое число раз больше частоты некоторого другого колебания, называемого основным тоном. Номер гармоники указывает, во сколько именно раз частота ее больше частоты основного тона (например, третья гармоника — гармоническое колебание с частотой, втрое большей, чем частота основного тона).

Всякое периодическое, но не гармоническое (т. е. отличающееся по форме от синусоидального) колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний — основного тона и ряда гармоник. Чем больше рассматриваемое колебание отличается по форме от синусоидального, тем большее число гармоник оно содержит.

Мгновенное значение u и i

Значение ЭДС или тока в конкретный текущий момент времени называется мгновенным значением, они обозначаются маленькими буквами u и i. Но поскольку эти значения все время меняются, то судить о переменных токах и ЭДС по ним неудобно.

Действующие значения I, E и U

Способность переменного тока к совершению какой-нибудь полезной работы, например механически вращать ротор двигателя или производить тепло на нагревательном приборе, удобно оценивать по действующим значениям ЭДС и токов.

Так, действующим значением тока называется значение такого постоянного тока, который при прохождении по проводнику в течение одного периода рассматриваемого переменного тока, производит такую же механическую работу или такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Действующие значения напряжений, ЭДС и токов обозначают заглавными буквами I, E и U. Для синусоидального переменного тока и для синусоидального переменного напряжения действующие значения равны:

Действующее значение тока и напряжения удобно практически использовать для описания электрических сетей. Например значение в 220-240 вольт — это действующее значение напряжения в современных бытовых розетках, а амплитуда гораздо выше — от 311 до 339 вольт.

Так же и с током, например когда говорят, что по бытовому нагревательному прибору протекает ток в 8 ампер, это значит действующее значение, в то время как амплитуда составляет 11,3 ампер.

Так или иначе, механическая работа и электрическая энергия в электроустановках пропорциональны действующим значениям напряжений и токов. Значительная часть измерительных приборов показывает именно действующие значения напряжений и токов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

§4.1. Определение, получение и изображение переменного тока

Переменным называют ток , изменение которого по значению и направлению повторяется через равные промежутки времени .

Широкое применение переменного тока в различных областях техники объясняется легкостью его получения и преобразования , а также простотой устройства генераторов и двигателей переменного тока , надежностью их работы и удобством эксплуатации . Рассмотрим принцип действия простейшего генератора переменного тока .

Рис . 4.1. Модель генератора переменного тока

Рис . 4.2. График синусоидального тока

Между полюсами электромагнита или постоянного магнита ( рис . 4.1) расположен цилиндрический ротор ( якорь ), набранный из листов электротехнической стали . На якоре укреплена катушка , состоящая из определенного числа витков проволоки . Концы этой катушки соединены с контактными кольцами , которые вращаются вместе с якорем . С контактными кольцами связаны неподвижные контакты ( щетки ), с помощью которых катушка соединяется с внешней цепью . Воздушный зазор между полюсами и якорем профилируют так , чтобы индукция магнитного поля в нем менялась по синусоидальному закону :

где α — угол между плоскостью катушки и нейтральной плоскостью OO’.

Когда якорь вращается в магнитном поле со скоростью ω , в активных сторонах катушки наводится ЭДС индукции ( активными называют стороны , находящиеся в магнитном поле генератора )

где β — угол между направлениями векторов индукции магнитного поля В и скорости v ; l

— длина активных сторон витков катушки .

Магнитное поле в зазоре расположено так , что угол β = π /2. Таким образом , e l =Blv=B m lv sin α = B m sin ω t.

При числе витков ϖ число активных сторон катушки равно 2 ϖ . Тогда ЭДС катушки e=e l 2 ϖ =2 ϖ B m lv sin ω t=E m sin ω t (4.1)

где E m =2 ϖ B m lv — максимальное значение ЭДС .

Таким образом , ЭДС генератора меняется по синусоидальному закону . Если к зажимам генератора подключить нагрузку , то через нее пойдет ток , который также будет изменяться по синусоидальному закону . График синусоидального тока i=I m sin ω t представлен на рис . 4.2. По оси ординат откладывают ток i , по оси абсцисс — угол α = ω t или время t.

Период, частота, амплитуда и фаза переменного тока

Время, в течение которого совершается одно полное изме­нение ЭДС, то есть один цикл колебания или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания пере­менного тока (рисунок 1).

Рисунок 1. Период и амплитуда синусоидального колебания. Период — время одного колебания; Аплитуда — его наибольшее мгновенное значение.

Период выражают в секундах и обозначают буквой Т.

Так же используются более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс)- одна тысячная секунды и микросекунда (мкс)- одна миллионная секунды.

1 мс =0,001сек =10 -3 сек.

1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10 -6 сек.

Число полных изменений ЭДС или число оборотов ради­уса-вектора, то есть иначе говоря, число полных циклов колеба­ний, совершаемых переменным током в течение одной секунды, называется частотой колебаний переменного тока.

Частота обо­значается буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах.

Одна тысяча герц называется килогерцом (кГц), а миллион герц — мегагерцом (МГц). Существует так же единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.

1000 Гц = 10 3 Гц = 1 кГц;

1000 000 Гц = 10 6 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;

1000 000 000 Гц = 10 9 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;

Чем быстрее происходит изменение ЭДС, то есть чем бы­стрее вращается радиус-вектор, тем меньше период колебания Чем быстрее вращается радиус-вектор, тем выше частота. Таким образом, частота и период переменного тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Чем больше одна из них, тем меньше другая.

Математическая связь между периодом и частотой переменного тока и напряжения выра­жается формулами

Например, если частота тока равна 50 Гц, то период будет равен:

Т = 1/f = 1/50 = 0,02 сек.

И наоборот, если известно, что период тока равен 0,02 сек, (T=0,02 сек.), то частота будет равна:

f = 1/T=1/0,02 = 100/2 = 50 Гц

Частота переменного тока, используемого для освещения и промышленных целей, как раз и равна 50 Гц.

Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми часто­тами. Токи в антеннах радиостанций колеблются с частотами до 1 500 000 000 Гц или, иначе говоря, до 1 500 МГц или 1,5 ГГц. Такие вы­сокие частоты называются радиочастотами или колебаниями высокой частоты.

Наконец, токи в антеннах радиолокационных станций, станций спутниковой связи, других спецсистем (например ГЛАНАСС, GPS) колеблются с частотами до 40 000 МГц (40 ГГц) и выше.

Амплитуда переменного тока

Наибольшее значение, которого достигает ЭДС или сила тока за один период, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока. Легко заметить, что амплитуда в масштабе равна длине радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно бук­вами Im, Em и Um (рисунок 1).

Угловая (циклическая) частота переменного тока.

Скорость вращения радиуса-вектора, т. е. изменение ве­личины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ? (оме­га). Угол поворота радиуса-вектора в любой данный момент относительно его начального положения измеряется обычно не в градусах, а в особых единицах — радианах.

Радианом называется угловая величина дуги окружности, длина которой равна радиусу этой окружности (рисунок 2). Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2.

Рисунок 2. Радиан.

1рад = 360°/2

Следовательно, конец радиуса-вектора в течение одного периода пробегают путь, равный 6,28 радиан (2). Так как в тече­ние одной секунды радиус-вектор совершает число оборотов, равное частоте переменного тока f, то за одну секунду его ко­нец пробегает путь, равный 6,28 * f радиан. Это выражение, характеризующее скорость вращения радиуса-вектора, и будет угловой частотой переменного тока — ? .

? = 6,28*f = 2f

Фаза переменного тока.

Угол поворота радиуса-вектора в любое данное мгновение относительно его начального положения называется фазой переменного тока. Фаза характеризует величину ЭДС (или тока) в данное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза пока­зывает, убывает ли ЭДС или возрастает.

Рисунок 3. Фаза переменного тока.

Полный оборот радиуса-вектора равен 360°. С началом но­вого оборота радиуса-вектора изменение ЭДС происходит в том же порядке, что и в течение первого оборота. Следова­тельно, все фазы ЭДС будут повторяться в прежнем поряд­ке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370° будет такой же, как и при повороте на 10°. В обо­их этих случаях радиус-вектор занимает одинаковое положе­ние, и, следовательно, мгновенные значения ЭДС будут в обоих этих случаях одинаковыми по фазе.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!