6.2.4. Понятие о переменном токе
Переменным называется ток, сила и направление которого изменяются периодически во времени. В технике применяется переменный ток, изменяющийся по синусоиде. Получение переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции.
На рис. 192,а схематично изображено получение синусоидального переменного тока. Слева на схеме а показаны: полюсы магнита (северный и южный 8), кружочками различные положения проводника в магнитном поле; при этом знаком плюс (+) обозначают, что в данном положении ток идет от нас за плоскость чертежа, а точкой (.), что ток идет от плоскости чертежа на нас.
На схеме рис. 238, 6 представлено изменение силы и направления тока по внешней цепи замкнутого проводника за один его полный поворот между полюсами магнитов. По горизонтальной оси графика отложено время, а по вертикальной оси — значения тока. Как следует из кривой графика, представляющего собой синусоиду, за один полный поворот в зависимости от угла, под которым проводник пересекает магнитные силовые линии, значение тока изменяется от нуля до максимального, а по знаку—от плюса до минуса.
Машина, служащая для получения переменного тока, называется генератором переменного тока, принцип действия которого можно уяснить из следующего.
Если выполнить проводник в виде витка, поместить его между полюсами (рис. 228, в) и вращать в направлении движения часовой стрелки, то в нем будет индуктироваться э. д. с., направленная при вращении его под северным полюсом от нас и при вращении его под южным полюсом — на нас. Так как стороны витка попеременно перемещаются то под северным полюсом, то под южным и пересекают при этом магнитные силовые линии под различными углами, то э. д. с., индуктируемая в витке, будет изменяться по значению и направлению. Присоединив концы витка к двум контактным кольцам, изолированным между собой и от вала, и наложив на кольца неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью, будем получать переменную э. д. с., и во внешней цепи потечет переменный ток.
Рис.228. Схема получения переменного синусоидального тока
Переменный ток характеризуется следующими величинами: периодом, частотой, амплитудой.
Под периодом понимают промежуток времени, в течение которого происходит полный цикл изменений тока по значению и направлению. Каждый последующий период тока является повторением предыдущего. Период обозначается буквой Т (см. рис. 238, 6) и иногда выражается не во времени, а в градусах.
Частотой называется число циклов изменений тока во времени (периодов в 1 с). Частота — величина, обратная периоду, обозначается буквой f, т. е. f=1/Т. За единицу измерения частоты принят герц (Гц). В странах СНГ принята частота переменного тока 50 Гц.
Амплитудой называется наибольшее из мгновенных значений тока, которого он достигает в течение периода. Как следует из рис. 238, 6, за один период переменный ток достигает амплитудного значения дважды.
Законы постоянного тока применимы к цепям переменного тока только в тех случаях, когда эти цепи состоят из активных сопротивлений в связи с применением ламп накаливания, реостатов. Однако во многих случаях цепь переменного тока, кроме активного сопротивления, содержит катушки самоиндукции, обмотки электродвигателей, конденсаторы и другие приборы, которые вносят в цепь так называемое реактивное сопротивление, влияющее на ток в цепи переменного тока, вследствие чего закон Ома в таком виде, в каком он применяется для цепи постоянного тока, не действителен для цепи переменного тока. Для того чтобы найти действующий ток в неразветвленной цепи переменного тока, нужно подсчитать полное сопротивление цепи с учетом всех входящих в нее резисторов. В общем случае при наличии в цепи активного R, индуктивного ХL и емкостного сопротивлений Х полное сопротивление цепи переменного тока определяется по формуле
.
Тогда действующее значение тока в цепи переменного тока с последовательно включенными резисторами R, ХL и ХC при известном напряжении U определится по формуле
I=U/Z.
Эта формула имеет такое же значение, какое закон Ома для цепи постоянного тока. Если включить в цепь переменного тока амперметр, то он покажет значение, в 1,4 раза меньшее амплитудного тока. Это значение тока называют действующим, или эффективным, значением переменного тока. Для синусоидального переменного тока действующие значения напряжения U и электродвижущей силы Е будут также меньше амплитудных их значений в 1,4 раза. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения измеряемых величин.
В некоторых случаях требуется знать не действующее, а среднее значение переменного тока, которое, как показывают опыты и расчеты, равно его амплитудному значению, умноженному на 0.637.
Если между полюсами вращать цилиндр, на котором расположены не одна, а три обмотки, смещенные каждая по отношению к остальным на угол 120°, то наводимая в каждой обмотке э. д. с. достигает амплитудного значения не в одно время, а отличается по фазам на 1\3 периода (120°), как это показано на рис. 229
На рис. 239 слева схематично изображен магнит с полюсами и вращающийся между ними цилиндр с обмотками 1, 2 и 3, смещенными относительно друг друга на 120°, а справа представлен график синусоиды изменения э. д. с. тока в этих обмотках. Как следует из графика, синусоиды смещены относительно друг друга на определенный угол ср (рис. 239), называемый фазным. При вращении каждая обмотка (катушка) является самостоятельным источником однофазного переменного тока.
Рис. 229. Схема получения трехфазного .переменного тока
Трехфазным током называется совокупность трех переменных токов одинаковой частоты, сдвинутых на 1/3 периода (120°). Трехфазный ток вырабатывают трёхфазные генераторы переменного тока, соединение обмоток у которых делают звездой или треугольником (рис. 220).
При соединении звездой (рис. 220, а) начальные концы всех фазных обмоток идут во внешнюю цепь, вторые концы обмоток соединены между собой. Потребитель можно включить между любой парой любым линейным проводом и нулевым. При соединении треугольником (рис. 220, 6) конец первой обмотки фазы присоединяется к началу второй, конец второй — к началу третьей, конец третьей — к началу первой.
Рис. 220. Соединение обмоток генератора временного тока:
а — звездой; б — треугольником
Напряжение между началом и концом фазы называется фазным напряжением и обозначается Uф. Напряжение между концами фаз или проводами называется линейным напряжением и обозначается Uл. Соответственно, и сила тока называется фазной Iф или линейной Iл.
При соединении фаз генератора или приемника звездой линейный ток равен фазному,. а линейное напряжение в 1,73 раза больше фазного напряжения. При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в 1,73 раза больше фазного.