Элементарные источники синусоидального тока

Основные понятия переменного тока. Достоинства и область применения синусоидального тока

В современной электротехнике основная роль принадлежит переменному току. Почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока. Постоянный ток, применяемый в некоторых областях промышленности, транспорта, для питания различной радиотехнической аппаратуры, получается главным образом путем выпрямления переменного тока. Основным преимуществом переменного тока является простота преобразования (трансформации) его напряжения. Это позволяет производить передачу электроэнергии на большие расстояния при высоком напряжении и питание приемников электрической энергии при низком (безопасном) напряжении. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока имеют более простое устройство, чем машины постоянного тока, а поэтому являются более надежными при эксплуатации.

Переменным током называют ток, который изменяется во времени. Наибольшее применение в электротехнике и радиотехнике имеют переменные напряжения и токи, являющиеся периодическими функциями времени. По характеру изменения во времени токи и напряжения могут быть пульсирующие (рис. 56 а), синусоидальные (рис.56 б) и несинусоидальные (рис. 56 в).

Из всех возможных форм периодических токов наибольшее распространение получили синусоидальные токи. Синусоидальный ток впервые для практических целей применил русский электротехник Яблочков П.Н. Он создал первый генератор синусоидального тока, а затем и трансформатор для преобразования синусоидального напряжения. Всеобщее признание синусоидальный ток получил благодаря успешным работам русского инженера-электрика Доливо-Добровольского М.О., который разработал трехфазную систему синусоидального тока и все звенья получения, передачи и использования трехфазного тока. В настоящее время производство и передача электроэнергии осуществляется при помощи трехфазного синусоидального тока с частотой 50 Гц СССР и во всех европейских странах и с частотой 60 Гц – в США.

В зависимости от технических потребностей в различных областях техники, применяются синусоидальные токи с весьма высоким диапазоном частот. В системах электропитания самоходных зенитных комплексов и в авиации применяется синусоидальный ток с частотой 400 Гц, так как при такой частоте снижаются вес и габариты электрооборудования. В электротермических установках используют диапазон частот от 500 до 50000000 Гц. Для нужд электрифицированного транспорта применяют пониженную частоту 25 и 50/3 Гц.

Рис. 56

Частоты ниже 10000 Гц называют низкимичастотами (НЧ). Они охватывают весь диапазон звуковых частот (от 20 до 10000 Гц).

Частоты от 10 кГц до нескольких сотен мегагерц называют высокими(ВЧ).

Частоты от нескольких сотен мегагерц до миллиарда герц называют сверхвысокими(СВЧ) или ультразвуковыми (УВЧ).

В радиотехнике используется весь диапазон НЧ, ВЧ и СВЧ.

Синусоидальные токи по сравнению с другими периодическими токами имеют ряд преимуществ. Они позволяют наиболее экономично производить передачу и распределение электроэнергии. Отклонение закона изменения тока от синусоидального ведет к появлению дополнительных потерь в элементах цепи. Только при помощи синусоидальных токов удается сохранить неизменными формы кривых напряжений и токов во всех участках сложной линейной электрической цепи. Только при помощи синусоидальных токов удается сохранить неизменными формы кривых напряжений и токов во всех участках сложной линейной электрической цепи.

Элементарные источники синусоидального тока

В зависимости от частоты источниками синусоидальной ЭДС являются генераторы различных типов. Для получения промышленных частот применяют главным образом вращающие электрические машины. Промышленные и повышенные частоты могут также получаться с помощью ионных или полупроводниковых преобразователей постоянного тока в переменный (инверторов). Для получения высоких и повышенных частот применяют ламповые генераторы. Для генерирования колебаний, приближающихся к частотам оптического диапазона и лежащих в оптическом диапазоне, применяются квантовые генераторы (лазеры и мазеры).

Рассмотрим принцип получения синусоидальной ЭДС с помощью вращающихся электрических машин. Простейший (элементарный генератор представляет собой рамку, вращающуюся между полюсами магнита (рис. 57).

Если индукция магнитного поля В неизменна, а угол между плоскостью рамки и плоскостью, перпендикулярной к направлению поля, при равномерном вращении рамки будет изменяться пропорционально времени то магнитный поток, пронизывающий рамку будет равен

ЭДС индуктируемая в одном витке рамки, равна:

а при числе витков

ЭДС будет иметь максимальное значение при

а поэтому 1. 3

В элементарном генераторе, имеющем одну пару полюсов (рис. 57), полный цикл изменения ЭДС соответствует одному полному обороту рамки. В реальных генераторах синусоидальной ЭДС число пар полюсов может быть более одной. Так турбогенераторы имеют одну пару полюсов может быть более одной. Так турбогенераторы имеют одну пару полюсов (p=1), а гидрогенераторы- несколько десятков. (У генераторов Днепровской ГЭС p=36).

В генераторах с p-парами полюсов за один оборот ротора происходит p-полных циклов изменения ЭДС, так как за это время каждый проводник (каждая сторона рамки) пройдет p-раз под северным и p-раз под южным полюсами. Следовательно

есть электрический угол.Электрический угол в p-разменьше геометрического. И только при p=1 электрический угол равен геометрическому.

Основные понятия и определения, относящиеся к синусоидальному току

Рассматривая процесс получения синусоидального тока, мы видим, что переменная ЭДС и переменный ток периодически меняют свое направление и величину. Значение переменной величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением и обозначается малой (строчной) буквой (i-мгновенное значение ЭДС и т.п.).

Рис. 58

Наибольшее из мгновенных значений переменной величины называется её максимальным или амплитудным значением. Амплитудные значения обозначаются прописными буквами с индексом m ( и т.п.).

Время, в течение которого происходит одно полное изменение переменной величины, называется периодом T. Период измеряется в единицах времени: сек, мсек, мксек.

Число периодов в секунду, т.е. величина обратная периоду, называется частотой.

Единицей измерения частоты является Герц (Гц). При повышенной и высокой частоте пользуются кратными единицами: килогерц (1кГц= Гц) и мегагерц (1 МГц= Гц).

Скорость изменения аргумента (угла) называется угловой частотой. Угловая частота связана с периодом и линейной частотой соотношениями:

И измеряется в

Угол определяемый величиной смещения синусоиды относительно начала координат, называется начальной фазой. Начальная фаза измеряется абсциссой точки перехода отрицательной полуволны в положительную. Угол , если синусоида смещена влево от начала координат (рис.58) и если синусоида смещена от начала координат.

Косинусоида может рассматриваться как синусоида с начальной фазой . Поэтому в общем случае к синусоидальным функциям причисляются также и косинусоидальные.

Мгновенное значение тока, график которого изображён на рисунке 58, определяется уравнением

Величина ( ), определяющая стадию изменения синусоидальной величины, называется фазовым угломили просто фазой.

Разность фаз двух синусоидальных величин одной частоты, равное разности их начальных фаз, называется углом сдвига.

Две синусоидальные функции одной частоты совпадают по фазе, если они имеют одинаковую начальную фазу. В этом случае угол сдвига равен нулю.

Та величина у которой начало периода или положительная амплитуда достигается раньше, чем у другой считается опережающей по фазе,а та, у которой эти значение достигаются позже –отстающей по фазе.