Генерування змінного струму. Активний та реактивний опір провідників. Закон Ома для кола змінного струму.

Генератор змінного струму — система з нерухомого статора (складається зі сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього.

На практиці знайшли широке застосування електростанції з генераторами змінного струму. При цьому використовуються синхронні генератори. Оскільки таким чином легше контролювати як частоту, так і величину ЕРС змінного струму, і вони можуть витримувати короткочасні струмові перевантаження в багато разів.

Отже, отримати змінний струм в промислових масштабах вдалося способом, заснованому на явищах електромагнітної індукції, а саме за допомогою трифазних генераторів. У побуті використовують і однофазні та трифазні генератори. Останні рекомендується купувати для будівельних робіт. Справа в тому, що велика кількість електричних інструментів та верстатів можуть працювати від трьох фаз. Це електродвигуни різноманітних бетономішалок, циркулярних пил, та й потужні зварювальні апарати також харчуються від трифазної мережі. Причому для таких завдань підходять саме синхронні генератори, асинхронні не підходять – через їх погану роботу з пристроями, у яких великі пускові струми. Асинхронні побутові електростанції більше підходять для резервного електропостачання приватних будинків і дач.

Струм, який змінюється за силою і напрямком, називають змінним.

Однофазний змінний струм змінюється за синусоїдальним законом.

Електровимірювальні прилади (амперметри, вольтметри), ввімкнені в коло змінного струму, показують діючі значення струму або напруги.

Діюче значення змінного струму дорівнює такому постійному струму, який, проходячи по провіднику з таким же опором, що і змінний струм, за той самий час виділяє таку ж кількість теплової енергії. I=I_max/√2

Діюче значення напруги U=U_max/√2

Наприклад, діюче значення напруги є в розетці U=220В=U_max/√2. Отже, з трансформаторної підстанції нам подається амплітудне (максимальне) значення напруги Umax=U•√2=220В•1,41=311В

Всі реальні електротехнічні пристрої володіють електричним опором R, індуктивністю L і ємністю С, які є параметрами електричного кола змінного струму. Проте вплив кожного з параметрів на струм в колі різний, тому в деяких випадках з розрахункової схеми виключаються ті, вплив яких незначний. Таким чином схема електричного кола змінного струму характеризується одним з вказаних параметрів R, L, С або комбінацією їх при різних способах з'єднання елементів.

Вивчаючи постійний струм, ми дізналися, що всі провідники мають електричний опір. Провідники чинять опір і коли змінний струм, однак у колах змінного струму існують різні види опорів: активні й реактивні опори.

Елемент електричного кола, у якому електрична енергія незворотно перетворюється у внутрішню енергію, називають активним опором R.

Розглянемо випадок, коли генератор змінного струму замкнутий на зовнішнє коло, яке має настільки малі індуктивність і ємність, що ними можна нехтувати, і значний опір R - активний опір. Зауважимо, що індуктивність і ємність теж є опорами для змінного струму, але ці опори іншого характеру.

Опір R називається активним, тому що він повністю перетворює електромагнітну енергію, яка надходить від генератора, в інші види енергії.

У колі змінного струму з активним опором струм і напруга збігаються за фазою. Для цього кола справедливий закон Ома I=U/R

Змінний струм зазвичай характеризується його діючою величиною. При вивченні випрямних пристроїв і електричних машин користуються середніми величинами ЕРС, струму, напруги. При визначенні діючої величини змінного струму можна виходити з якої небудь його дії в електричному колі (теплової, механічної взаємодії дротів із струмами).

Постійний струм, рівний амплітуді змінного, виділить більше тепла в одному і тому ж елементі кола за один і той же час, оскільки змінний струм протягом півперіода менше постійного, і лише одну мить ці струми рівні.

Шкали вимірювальних приладів змінного струму градуюють саме в діючих значеннях. У паспортах електротехнічних машин, апаратів і приладів змінного струму зазначені діючі значення сили струму й напруги.

Електричні лампи розжарювання, печі опору, побутові нагрівальні прилади; реостати і інші приймачі, де електрична енергія перетвориться в теплову, на схемах заміщення зазвичай показані лише опором R.

При змінних величинах напруги і струму швидкість перетворення електричної енергії в приймачі, тобто його потужність, теж змінюється. Постійність знаку потужності говорить про те, що напрям потоку електричної енергії залишається протягом періоду незмінним, в даному випадку від мережі (від джерела енергії) в приймач з опором R, де електрична енергія безповоротно перетвориться в інший вигляд енергії. В цьому випадку електрична енергія називається активною. Відповідно до закону Ленца — Джоуля електрична енергія в ньому перетворюється тепло.

Як можна отримати змінний струм?

Які енергетичні перетворення відбуваються в колах змінного струму, що містять тільки активний опір?

Котушки індуктивності і конденсатори перешкоджають протіканню змінного струму. Такий опір при змінному струмі носить назву реактивного опору Х і вимірюється в Омах. Реактивний опір залежить як від величини індуктивності(L) і ємності(C), так і від частоти(f) сигналу.

Багато споживачів мають індуктивні і ємнісні властивості при проходженні через них змінного струму. До таких споживачів відносяться трансформатори, дроселі, електромагніти, конденсатори, різного роду дроти і багато інших. При проходженні через них змінного струму необхідно враховувати не тільки активний, але і реактивний опір, обумовлений наявністю в них споживача індуктивних і ємнісних властивостей.

1. Конденсатор у колі змінного струму. Реактивний ємнісний опір.

Ємнісний опір Х_С = 1 / 2πfС , де С - ємність конденсатора, f - частота.

Постійний струм не може існувати в колі, що містить конденсатор, тому що при f = 0 X_С -> ∞.

Очевидно, що з підвищенням частоти і ємності ємнісний опір зменшується.

Середня потужність у розглянутому колі дорівнює нулю: коли конденсатор протягом чверті періоду заряджається, енергія його електричного поля збільшується, а протягом наступної чверті періоду електричне поле конденсатора зменшується, повертаючи всю отриману енергію назад у коло.

Для кола змінного струму з ємнісним опором справедливий закон Ома I= U/X_C

Чому постійний струм не проходить через конденсатор, а змінний струм проходить? Включимо коло постійного струму. Лампа спалахне і згасне, чому? Тому що в колі пройшов струм заряду конденсатора. Як тільки конденсатор зарядиться до напруги батареї струм в ланцюзі припиниться. А тепер замкнемо коло змінного струму. У I чверті періоду напруга на генераторі зростає від 0 до максимуму. У колі йде струм заряду конденсатора. У II чверті періоду напруга на генераторі спадає до нуля. Конденсатор розряджається через генератор. Після цього конденсатор знову заряджається і розряджається. Таким чином в колі йдуть струми заряду і розряду конденсатора. Лампочка буде горіти постійно.

2. Котушка індуктивності в колі змінного струму. Реактивний індуктивний опір.

Індуктивний опір X_L = 2πfL (де L індуктивність) залежить від частоти. Постійний струм взагалі «не помічає» індуктивності котушки. При f = 0 індуктивний опір дорівнює нулю.

Чим швидше змінюється напруга, тим більше ЕРС самоіндукції й тим менше амплітуда сили струму.

Середня потужність у розглянутому колі дорівнює нулю: коли сила струму протягом чверті періоду збільшується, енергія магнітного поля котушки збільшується, а протягом наступної чверті періоду магнітного поля котушки зменшується, повертаючи всю отриману енергію назад у коло.

Для кола змінного струму з індуктивним опором справедливий закон Ома I=U/X_L

Як правило, будь-яка котушка має як індуктивний, так і активний опір. Тому котушку, ввімкнену в коло змінного струму, слід розглядати як послідовне з'єднання активного та індуктивного опорів.

В даному випадку закон Ома матиме вигляд I=U/Z

Z=√R²+X_L² повний опір

Таким чином, індуктивний опір (як і ємнісний) не сприяє необоротному перетворенню енергії електричного струму в інші форми енергії.

3. Закон Ома для кола змінного струму

Результуючий опір ланцюга, що містить як активний, так і реактивний (індуктивний або ємнісний) опір, носить назву імпедансу або повного опору кола. Імпеданс Z є векторною сумою реактивного опору Х і активного опору R.

Розглянемо послідовну ділянку кола змінного струму для довільних значень R, C, L і частоти змінного струму.

Закон Ома для даного кола:

I=U/Z

де Z=√U²+(X_C+X_L)² повний опір

Чому ми не помічаємо мерехтіння лампочок, увімкнених в освітлювальну мережу змінного струму?

На кожному підприємстві одночасно працюють електродвигуни (їх може бути багато), трансформатори і інші пристрої. Чим більше їх число і чим менше їх коефіцієнт потужності, тим більша загальна реактивна потужність електроустаткування виробничої дільниці, цеху, всього підприємства. Величина загальної реактивної потужності електричної установки або електроустаткування підприємства в цілому залежить ще і від правильного вибору , міри завантаження електродвигунів, трансформаторів, від дотримання правил експлуатації електроустаткування.

При передачі електричної енергії, особливо на великі відстані, із-за наявності індуктивних і ємнісних опорів в елементах мережі змінного струму виникає також проблема підтримки заданого рівня напруги на всіх приймачах. Для забезпечення оптимальної величини струму і необхідних величин напруги в мережі необхідно мати оптимальний баланс реактивних потужностей (індуктивної і ємнісної)

Висновок: реактивна потужність - не виконує корисної роботи.

Амперметр, увімкнений у коло змінного струму, показує 1 А. Яке амплітудне значення сили цього струму?

В освітлювальних колах змінного струму застосовують напруги 220 і 127 В. На які напруги може бути розрахована ізоляція в цих колах?