Переменный ток имеет ряд важных характеристик, влияющих на его физические свойства. Одним из таких параметров является частота переменного тока. Если говорить с точки зрения физики, то частота – это некая величина, обратная периоду колебания тока. Если проще – то это количество полных циклов изменения ЭДС, произошедших за одну секунду.
Известно, что переменный ток заставляет электроны двигаться в проводнике сначала в одну сторону, потом — в обратную. Полный путь «туда-обратно» они совершают за некий промежуток времени, называемый периодом переменного тока. частота же является количеством таких колебаний за 1 секунду.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В качестве единицы измерения частоты во всем мире принят 1 Гц (в честь немецкого ученого Г.Герца), который соответствует 1 периоду колебания за 1 секунду.
В республиках бывшего СССР стандартной считается частота тока в 50 Гц.
Это значит, что синусоида тока движется в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении, и 50 — в обратном, 100 раз проходя чрез нулевое значение. Получается, что обычная лама накаливания, включенная в сеть с такой частотой, будет затухать и вспыхивать примерно 100 раз за секунду, однако мы этого не замечаем в силу особенностей своего зрения.
Для измерения частоты переменного тока применяют приборы, называемые частотомерами. Частотомеры используют несколько основных способов измерения, а именно:
Метод дискретного счета;
Метод перезаряда конденсатора;
Резонансный метод измерения частот.
Метод сравнения частот; в качестве:
Метод дискретного счета основывается на подсчете импульсов необходимой частоты за конкретный промежуток времени. Его наиболее часто используют цифровые частотомеры, и именно благодаря этому простому методу можно получить довольно точные данные.
Более подробно о частоте переменного тока Вы можете узнать из видео:
Метод перезаряда конденсатора тоже не несет в себе сложных вычислений. В этом случае среднее значение силы тока перезаряда пропорционально соотносится с частотой, и измеряется при помощи магнитоэлектрического амперметра. Шкала прибора, в таком случае, градуируется в Герцах.
Погрешность подобных частотомеров находится в пределах 2%, и поэтому такие измерения вполне пригодны для бытового использования.
Резонансный способ измерения базируется на электрическом резонансе, возникающем в контуре с подстраиваемыми элементами. Частота, которую необходимо измерить, определяется по специальной шкале самого механизма подстройки.
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Такой метод дает очень низкую погрешность, однако применяется только для частот больше 50 кГц.
Метод сравнения частот применяется в осциллографах, и основан на смешении эталонной частоты с измеряемой. При этом возникают биения определенной частоты. Когда же частота этих биений достигает нуля, то измеряемая частота становится равной эталонной. Далее, по полученной на экране фигуре с применением формул можно рассчитать искомую частоту электрического тока.
Ещё одно интересное видео о частоте переменного тока:
Как определить частоту переменного тока
Содержание
- 1 Что такое частота
- 2 Как определяется
- 2.1 Измерение частоты
- 2.2 Расчёт частоты тока
- 3 Заключение
- 4 Видео по теме
В силу различных преимуществ большинство энергетических систем — от общегосударственных до бытовых, функционируют на переменном токе. Однако мало кто считается с тем, что кроме параметров напряжения и тока системы, важную роль играет также частота тока. Например, в функционале популярных мультитестеров измерение частоты переменного тока отсутствует. Между тем значения этой величины, которые выходят за требуемые пределы, грозят тяжёлыми последствиями. Мгновенно происходит разбалансированность системы энергоснабжения с неминуемыми катастрофическими последствиями для целых регионов.
Графическое отображение переменного тока
Что такое частота
Производство электроэнергии в подавляющем большинстве ситуаций называют контролируемым. Эту работу проделывают генераторы, преобразующие механическую энергию ротора турбины в электрическую. Как показано на схеме, на поверхности ротора имеется обмотка из медной проволоки, поэтому он представляет собой непрерывно вращающийся электромагнит.
Схематическое изображение генератора
Во время вращения ротора, созданное вокруг него магнитное поле, наводит электрический ток. Его направление периодически изменяется на противоположное, поскольку месторасположение полюсов электромагнита чередуется после каждого оборота ротора. Соответственно, ток тоже меняет своё направление два раза за цикл вращения.
Следствием и мерой скорости этих изменений является частота, которая измеряется количеством изменений месторасположения полюсов в секунду. Единица частоты получила наименование герц и обозначается двумя буквами — Гц. Таким образом, можно сказать, что генератор, который снабжён парой магнитных полюсов, вращающихся с угловой скоростью 3000 мин-1, будет производить ток частотой 50 Гц.
Мощность переменного тока изменяется по синусоидальному закону с чередованием положительных и отрицательных полюсов. При переходе каждого цикла из положительной области в отрицательную происходит соответствующее перемещение электронов. В конечном счете, эти циклы создают электрический нагрев или рассеивание мощности. Независимо от направления движения тока (т. е., положительного или отрицательного), если силы тока (напряжения) достаточно для удовлетворения требований электрического устройства, оно будет работать.
Синусоида переменного тока
Таким образом, количество полных циклов за секунду, когда переменный ток переходит от положительного полюса к отрицательному, называется частотой, а сам временной отрезок называется периодом. С точки зрения электрического тока частотой принято считать количество повторений синусоиды, а другими словами — это полное колебание, состоящее из положительной и отрицательной составляющих. Следовательно, частота и период связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью:
Определение частоты
Частота и период переменного тока варьируются в зависимости от страны, причём не обязательно привязываются к местному стандарту напряжения. Например, в США, Канаде и других странах со стандартным линейным напряжением 110…120 В эталоном частоты является 60 Гц. В большинстве стран, где значения переменного напряжения равняются 220…240 В (в том числе и в нашей стране), за стандартную частоту принято 50 Гц, однако Южная Корея, Филиппины и многие страны Карибского бассейна используют 220…240 В с частотой 60 Гц. А есть ещё и Япония, где напряжение в сети достигает 100 В, но стандартная частота переменного тока в разных районах составляет 50 и 60 Гц.
Большинство электронных устройств могут работать, потребляя переменный ток, если его частота 50 или 60 Гц. Но, для электроприборов, использующих довольно мощные приводы, рассчитанные на конкретную частоту (холодильники, морозильники, стиральные и сушильные машины), разница в 10 Гц уже значительна. В первую очередь это касается устройств, включающихся периодически. Их электромоторам приходится вращаться то быстрее, то медленнее, что отрицательно сказывается на их долговечности. В таких случаях необходимо использовать преобразователи частоты или трансформаторы напряжения.
Внешний вид преобразователя частоты
Как определяется
Существует два способа установить, чему равна частота и амплитуда переменного тока — применять специальные приборы либо воспользоваться результатами расчётов.
Измерение частоты
Для измерения частоты переменного тока используется принцип механического резонанса. Он является достаточно простым, хотя и не очень точным. Основывается на том факте, что для каждого физического объекта, обладающего упругими свойствами, существует определенное значение частоты, при которой он начинает вибрировать.
Примером подобного устройства является камертон. Если по нему ударить, он будет довольно продолжительное время вибрировать со звуком, зависящим от его длины. Чем длиннее камертон, тем ниже будет резонансная частота и наоборот.
Если представить себе ряд камертонов с постепенно увеличивающимися размерами, установленными на общем основании, то это основание станет вибрировать с частотой измеряемого напряжения или тока. Для этого устройство следует снабдить электромагнитом.
Измерения частоты тока выполняются с помощью набора «камертонов», в качестве которых используются полоски листового металла. Это устройство называется частотомером вибрирующего геркона.
Схема вибрационного частотомера
Используя частотомер, можно наглядно увидеть, как концы всех полосок встряхиваются в зависимости от того, как меняется величина переменного напряжения, приложенного к катушке. Тот из лепестков, который будет ближе всего к резонансной частоте переменного тока, станет вибрировать наиболее интенсивно.
Особой точностью вибрационные частотомеры не отличаются, зато характеризуются простотой своего изготовления. Их применяют в небольших электроремонтных мастерских, а также в быту с целью калибровки частоты вращения двигателя.
Хотя подобный прибор будет иметь малую точность, этого нельзя сказать о самом принципе измерения. Заменив механический резонатор на электрический, можно получить частотомер на основе катушки индуктивности и параллельно включённого конденсатора. Вместе они образуют колебательный контур.
Один или оба компонента этого контура могут быть регулируемыми. В цепь включается измерительный блок, который показывает максимальную амплитуду напряжения на конденсаторе и катушке. Ручки регулировки предварительно откалибровываются, чтобы иметь возможность выставлять резонансную частоту для любого варианта настройки. Частота считывается после настройки устройства на максимальное показание шкалы измерителя.
Схема электрического частотомера
Фактически частотомер реализует схему настраиваемого фильтра, после чего отсчёт показаний происходит как в мостовой схеме (она вначале балансируется для условного нулевого состояния, после чего выполняется отсчёт). До тех пор, пока катушка и/или конденсатор смогут перехватывать достаточное поле магнитного или электрического рассеивания от тестируемой цепи, устройство будет сохранять свою работоспособность.
Метод не требует прямого подключения к цепи, поэтому часто применяется в бытовых условиях. Наиболее точные результаты дают электронные частотомеры.
Внешний вид электронного частотомера
Расчёт частоты тока
Для расчёта требуется знать период или временной отрезок, в течение которого значение переменного тока повторяется и образует одну полную волну. Между периодом и частотой переменного тока имеется зависимость, которую отражает следующая формула:
Определение частоты электротока
Если известно значение циклической частоты ɷ и амплитуда А, то по схожей зависимости можно вычислить силу тока I:
Определение силы электротока
Определение угловой частоты выполняется с помощью такого уравнения:
Формула угловой скорости
Заключение
Учитывая тенденцию к постепенному уменьшению производства электроэнергии с использованием традиционных видов топлива, всё чаще возникают вопросы оптимального управления частотными параметрами систем энергетики. Идеальным выходом их положения считают такой, при котором данные функции будут реализованы вследствие применения более стабильных и доступных форм генерации. К ним стоит отнести атомную энергетику, использование энергии солнца и ветра.
Видео по теме
Изобретение электричества поставило человечество на новую грань развития. Технический прогресс опирался на два направления движения с использованием электроэнергии. В одном случае применялся постоянный ток, во втором – переменный. Внедрение источников электричества и электропотребителей вылилось в столетнюю войну между приверженцами двух видов энергии. В конце концов, победу одержали те, кто продвигал идею повсеместного использования её переменного вида.
Общее понятие о переменном токе
В отличие от постоянного движения электронов в одном направлении, переменный ток меняет как направление, так и значение несколько раз за единицу времени. Изменения происходят по гармоническому закону. Если наблюдать подобный сигнал с помощью осциллографа, можно увидеть картинку в виде синусоиды.
Относительно оси ординат OY ток меняет своё направление с положительного на отрицательное и делает это периодически. Поэтому его мгновенное значение в первой позиции считается положительным, во второй – отрицательным.
Важно! Так как переменный ток – это алгебраическая величина, то говорить о его знаке заряда можно только для конкретного мгновенного значения, смотря, в каком направлении он протекает в этот момент.
Использование формулы
Использование закона Ома позволяет построить временные характеристики различных элементов. С помощью него несложно рассчитать нагрузки для электрических схем, выбрать нужное сечение проводов, правильно подобрать защитные автоматы и предохранители. Понимание закона даёт возможность применить правильный источник питания.
Использование Закона Ома можно применить на практике для решения задачи. Например, пускай есть электрическая линия, состоящая из последовательно соединённых элементов, таких как: ёмкость, индуктивность и резистор. При этом ёмкость C = 2*Ф, индуктивность L=10 мГн, а сопротивление R = 10 кОм. Требуется вычислить импеданс полной цепи и рассчитать силу тока. При этом блок питания работает на частоте равной f = 200 Гц и выдаёт сигнал с амплитудой U = 12 0 В. Внутреннее сопротивление источника питании составляет r = 1 кОм .
Вначале необходимо рассчитать реактивное сопротивление в цепи переменного тока. Так, ёмкостное сопротивление находится из выражения: Xc = 1/ (2 *p *F*C) и на частоте 200 Гц оно равно: Xc = 588 Ом.
Индуктивное сопротивление находится из выражения: XL = 2*p*F* L. На f = 200 Гц и оно оставляет: X*L = 1,25 Ом. Полное сопротивление RLC цепи будет: Z = ((10 *10 3 +1*10 3 ) 2 + (588−1,25) 2 ) ½ = 11 кОм.
Разность потенциалов, изменяющаяся по гармоническому закону синуса, будет определяться: U (t) = U * sin (2* p *f*t) = 120*sin (3,14*t). Ток будет равен: I (t) = 10* 10 −3 + sin (3,14*t+p/2).
По рассчитанным данным можно построить график тока, соответствующий частоте 100 Гц. Для этого в декартовой системе координат отображается зависимость тока от времени.
Следует отметить, закон Ома для переменного сигнала отличается от использующегося для классического расчёта лишь учётом полного сопротивления и частоты сигнала
А учитывать их важно, так как любой радиокомпонент обладает как активным, так и реактивным сопротивлением, что в итоге сказывается на работе всей схемы, особенно на высоких частотах. Поэтому при проектировании электронных конструкций, в частности импульсных устройств, для расчётов используется именно полный закон Ома
Периодический переменный ток
Тот, который, изменяясь, успевает вернуться к своему исходному значению через одинаковые временные интервалы и при этом проходит весь цикл своих преобразований, называется периодическим. Его можно проследить на синусоиде, изображённой на экране осциллографа.
Резонансная частота: формула
Видно, что через одинаковые интервалы времени график повторяется без перемен. Эти интервалы обозначаются буквой Т и называются периодами. Частота, с которой в единицу времени укладывается определённое количество подобных периодов, – это частота тока переменного значения.
Её можно вычислить по формуле частоты переменного тока:
f = 1/T,
где:
- f – частота, Гц;
- T – период, с.
Частота равна количеству периодов в секунду и имеет единицу измерения 1 герц (Гц).
Внимание! Единица частоты в системе СИ носит имя Генриха Герца. 1 герц (Гц, Hz) = 1 с-1. К ней применимы кратные и дольные, выраженные стандартными приставками СИ, единицы.
Стандарты частоты
Для того чтобы обеспечить согласование работы источников переменного электричества, систем передач, приём и работу электропотребителей, применяются стандарты частоты. Используемая частота в электротехнике некоторых стран:
- 50 Гц – страны бывшего СССР, Прибалтики, страны Европы, Австралия, КНДР и другие;
- 60 Гц – стандарт, принятый в США, Канаде, Доминиканской республике, Тайвани, на Каймановых островах, Кубе, Коста-Рике, Южной Корее и ещё в некоторых странах.
В Японии используются обе частоты. Восточные регионы (Токио, Сендай, Кавасаки) используют частоту 50 Гц. Западные области (Киото, Хиросима, Нагоя, Окинава) применяют частоту 60 Гц.
К сведению. Железнодорожная инфраструктура Австрии, Норвегии, Германии, Швейцарии и Швеции по сей день применяет частоту 16,6 Гц.
Что показывает вольтметр, или математика розетки
О чем эта статья
Сегодня я ненадолго отступлю от своей обычной темы о визуальном программировании контроллеров и обращусь к теме измерений напряжения прямо в ней, в розетке! Родилась эта статья из дискуссий за чаем, когда разразился спор среди «всезнающих и всеведающих» программистов о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного напряжения, чем отличается пиковое и действующие значения напряжений.
Скорее всего, это статья будет интересна тем, кто начинает творить свои устройства. Но, возможно, поможет и кому-то опытному освежить память.
В статье рассказано о том, какие напряжения есть в сети переменного тока, как их измеряют и о том, что следует помнить при проектировании электронных схем. Всему дано краткое и упрощённое математическое обоснование, чтобы было ясно не только «как», но и «почему».
Кому не интересно читать про интегралы, ГОСТы и фазы — могут сразу переходить к заключению.
Вступление
Когда люди начинают говорить о напряжении в розетке, очень часто стереотип «в розетке 220В» скрывает от их взора реальное положение дел.
Начнем с того, что согласно ГОСТ 29322-2014
, сетевое напряжение должно составлять
230В±10%
при частоте
50±0,2Гц
(межфазное напряжение
400В
, напряжение фаза-нейтраль
230В
). Но в том же
ГОСТ
имеется примечание: «
Однако системы 220/380 В и 240/415 В до сих пор продолжают применять
».
Согласитесь, что это уже совсем не то однозначное «в розетке 220В
», к которому мы привыкли. А когда речь начинает идти о «
фазном
», «
линейном
», «
действующем
» и «
пиковом
» напряжениях — вообще каша получается знатная. Так сколько же вольт в розетке?
Чтобы ответить на этот вопрос начнем с того, как измеряется напряжение в сети переменного тока.
Как измерять переменное напряжение?
Прежде, чем углубиться в дебри цепей переменного тока и напряжения, вспомним школьную физику цепей тока постоянного.
Цепи постоянного тока — вещь простая. Если мы возьмем некоторую активную нагрузку (пусть это будет обычная лампа накаливания, как на рисунке) и воткнем ее в цепь постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи будет характеризоваться всего двумя величинами: напряжением на нагрузке U
и током, протекающим через нагрузку
I
. Мощность, которая потребляется нагрузкой однозначно вычисляется по формуле, известной со школы: .
Или, если учесть, что по закону Ома , то мощность P
, потребляемую нагрузкой-лампочкой, можно вычислить по формуле .
С переменным напряжением все куда сложнее: в каждый момент времени — оно может иметь разное мгновенное значение. Следовательно, в разные моменты времени, на нагрузке, подключенной к источнику переменного напряжения (например, на лампе накаливания, воткнутой в розетку) будет выделяться разная мощность. Это очень неудобно с точки зрения описания электрической цепи.
Но нам повезло: форма напряжения в розетке синусоидальная. А синусоида, как известно, полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя дырочками именно и есть однофазная сеть) про фазу можно забыть. На рисунке подробно показаны два периода сетевого однофазного напряжения. Того самого, что в розетке.
Рассмотрим, что означают все эти буковки на рисунке.
Период T
— это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоиды. Для осветительной сети РФ этот период составляет
20 миллисекунд
, что соответствует частоте
50Гц
. Частота колебаний напряжения электрической сети выдерживается очень точно, до долей процента.
Очевидно, что в любых двух точках синусоиды, отстоящих друг от друга на целое число периодов, напряжения всегда равны между собой.
Амплитуда Um
— это максимальное напряжение, пик синусоиды. Про действующее напряжение
Uд
поговорим чуть ниже.
Напряжение в розетке (или однофазной сети) описывается формулой
где
t
— текущий момент времени,
Um
— амплитуда (или пиковое значение) напряжения,
T
— период сетевого напряжения.
Если с однофазным переменным напряжением более или менее все ясно, то попробуем посчитать мощность, которая выделяется на нашей любимой лампе накаливания, при втыкании ее прямо в розетку.
Так как лампа накаливания является активной нагрузкой (а это значит, что ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), то мгновенная мощность, выделяемая на лампе накаливания, воткнутой в розетку, будет вычисляться по формуле
где
t
— текущий момент времени, а
R
— сопротивление лампы накаливания при нагретой спирали. Зная амплитуду переменного напряжения
Um
, можно записать:
Понятно, что мгновенная мощность — неудобный параметр, да и на практике не особо нужный. Поэтому практически обычно применяется мощность, усредненная за период. Именно усредненная мощность указана на лампочках, нагревателях и прочих бытовых утюгах.
Рассчитывается усредненная мощность в общем случае по формуле:
А для нашей синусоиды — по гораздо более простой формуле:
Можете сами подставить вместо функцию и взять интеграл, если не верите.
Не думайте, что про мощность я вспомнил просто так, из вредности. Сейчас поймете, зачем она нам была нужна. Переходим к следующему вопросу.
Что же показывает вольтметр?
Для цепей постоянного тока, тут все однозначно — вольтметр показывает единственное напряжение между двумя контактами.
С цепями переменного тока все опять сложнее. Некоторые (и этих некоторых не так мало, как я убедился) считают, что вольтметр показывает пиковое значение напряжения Um
,
но это не так
!
На самом деле, вольтметры обычно
показывают
действующее
или
эффективное
, оно же
среднеквадратичное
, напряжение в сети
Uд
.
Разумеется, речь идет о вольтметрах переменного напряжения
! Поэтому, если будете измерять вольтметром напряжение сети,
обязательно убедитесь, что он находится в режиме измерения переменного напряжения
.
Оговорюсь, что «пиковые вольтметры», показывающие амплитудные значения напряжения, тоже существуют, но на практике при измерении напряжения питающей сети в быту обычно не применяются.
Разберемся, почему такие сложности. Почему бы не измерять просто амплитуду? Зачем выдумали какое-то «действующее значение» напряжения?
А все дело в потребляемой мощности. Я ведь не просто так писал о ней. Дело в том, что действующее (эффективное) значение переменного напряжения равно величине такого постоянного напряжения, которое за время, равное одному периоду этого переменного напряжения, произведет такую же работу, что и рассматриваемое переменное напряжение
.
Или, по-простому, лампочка накаливания будет светить одинаково ярко, воткнем ли мы ее в сеть постоянного напряжения 220В
или в цепь переменного тока с действующим значением напряжения
220В
.
Для тех, кто уже знаком с интегралами или еще не забыл математику, приведу общую формулу расчета действующего напряжения произвольной формы:
Из этой формулы также становится ясно, почему действующее (эффективное) значение переменного напряжения также называют «среднеквадратичным».
Заметим, что подкоренное выражение и есть та самая «усредненная за период мощность», стоит только поделить это выражение на сопротивление нагрузки R
.
Применительно к синусоидальной форме напряжения, страшный интеграл после несложных преобразований превратится в простую формулу:
где Uд
— действующее или среднеквадратичное значение напряжение (то самое, которое обычно показывает вольтметр), а
Um
— амплитудное значение.
Действующее напряжение хорошо тем, что для активной нагрузки, расчет усредненной мощности полностью совпадает с расчетом мощности на постоянном токе:
Это и не удивительно, если вспомнить определение действующего значения напряжения, которое было дано чуть выше.
Ну и, наконец, посчитаем, чему же равна амплитуда напряжения в розетке «на 220В
«:
В худшем случае, если у вас сеть на 240В, да еще и с допуском +10%, амплитуда будет аж !
Поэтому, если хотите, чтобы ваши устройства, питающиеся от сети, работали стабильно и не сгорали, выбирайте элементы, которые выдерживают пиковые напряжения не менее 400В
. Разумеется, речь идет об элементах, на которые непосредственно подаётся сетевое напряжение.
Отмечу, что для не-синусоидальной формы сигнала действующее значение напряжения рассчитывается по иным формулам. Кому интересно — могут сами взять интегралы или обратиться к справочникам. Нас же интересует питающая сеть, а там всегда должна быть синусоида.
Фазы, фазы, фазы…
Помимо обычной однофазной осветительной сети ~220В
все слышали и о трехфазной сети
~380В
. Что такое
380В
? А это
межфазное эффективное напряжение
.
Помните, я сказал, что в однофазной сети про фазу синусоиды можно забыть? Так вот, в трехфазной сети этого делать нельзя!
Если говорить по простому, то фаза — это сдвиг во времени одной синусоиды относительно другой. В однофазной сети мы всегда могли принять за начало отсчета любой момент времени — на расчеты это не влияло. В трехфазной сети необходимо учитывать насколько одна синусоида отстоит от другой. В трехфазных сетях переменного тока каждая из фаз отстоит от другой на треть периода или на 120
градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен
360
градусов.
Если мы возьмем осциллограф с тремя лучами и прицепимся к трем фазам и одному нулю, то увидим такую картину.
«Синяя
» фаза — начинается от нуля отсчета. «
Красная
» фаза — на треть периода (
120
градусов) позже. И, наконец «
зеленая
» фаза начинается на две трети периода (
240
градусов) позже «
синей
». Все фазы абсолютно симметричны друг относительно друга.
Какую именно фазу брать за точку отсчета — не важно. Картина будет одинаковой.
Математически можно записать уравнения всех трех фаз:
«Синяя
» фаза:
«Красная
» фаза:
«Зеленая
» фаза:
Если измерить напряжение между любой из фаз и нулем в трехфазной сети — то получим обычные 220В
(или
230В
или
240В
— как повезет, см.
ГОСТ
).
А если измерить напряжение между двумя фазами — то получим 380В
(или
400В
или
415В
— не забываем об этом).
То есть трехфазная сеть — многолика. Ее можно использовать как три однофазные сети с напряжением 220В
или как одну трехфазную сеть с напряжением
380В
.
Откуда взялось 380В
? А вот откуда.
Если мы подставим в формулу расчета действующего напряжения наши данные о двух любых фазах, то получим:
или, упрощая:
Uдф
— действующее
межфазное
, оно же
линейное
напряжение.
Учитывая, что амплитуда каждой фазы получим, чтодля межфазного напряжения. На рисунке наглядно показано, как образуется межфазное напряжение, которое обозначено F1-F2
из двух фазных напряжений фаз
F1
и
F2
. Напряжение фаз
F1
и
F2
измеряется относительно нулевого провода. Линейное напряжение
F1-F2
измеряется между двумя разными фазными проводами.
Как видим, что действующее межфазное напряжение больше амплитуды синусоидального напряжения одной фазы.
Амплитуда межфазного напряжения составляет:
Для наихудшего случая (сеть 240В
и межфазное напряжение
415В
, да еще
10%
сверху) амплитуда межфазного напряжения составит:
Учтите это при работе в трехфазных сетях и выбирайте элементы, рассчитанные не менее, чем на 650В
, если им предстоит работать между двумя фазами!
Надеюсь, теперь понятно что показывает вольтметр переменного тока?
Заключение
Итак, очень кратко, почти на пальцах, мы ознакомились с тем какие напряжения действуют в бытовых сетях переменного тока. Подведем краткие итоги всего, изложенного выше.
- Фазное напряжение — это напряжение между фазой и нулевым проводом.
- Линейное или межфазное напряжение — это напряжение между двумя разными фазными проводами одной трехфазной сети.
- В сетях переменного тока РФ действуют три, хоть и близких, но разных стандарта (фазное/линейное): 220В/380В, 230В/400В и 240В/415В переменного тока с частотой 50Гц.
- Вольтметр переменного тока обычно показывает действующее
(оно же
среднеквадратичное
, оно же
эффективное
) напряжение, которое в раза меньше, чем пиковое (амплитудное) напряжение в сети. - В наихудшем с точки зрения стандартов случае пиковое фазное напряжение составляет примерно 373В, а пиковое линейное напряжение — 645B. Это следует учитывать при разработке электронных схем.
Надеюсь эта статья помогла кому-то разобраться в теме и ответить для себя на некоторые вопросы.
Отправлять предложения и пожелания, замеченные опечатки и просто мнения можно в комментарии или на почту: [email protected]
.
Переменный синусоидальный ток
Частота вращения: формула
Это тот ток, который периодически меняется во времени, и его изменения подчиняются закону синусоиды. Это элементарное движение электрических зарядов, потому дальнейшему разложению на простые токи оно не подлежит.
Вид формулы такого переменного тока:
i = Im*sinωt,
где:
- Im – амплитуда;
- sinωt – фаза синусоидального тока, рад.
Здесь ω = const, называется угловой частотой переменного электричества, причём угол ωt находится в прямой временной зависимости.
Зная частоту f исходного тока, можно вычислить его угловую частоту, применив выражение:
ω = 2πf = 2π/Т.
Тут 2π – это выраженное в радианах значение центрального угла окружности:
- Т = 2 π радиан = 3600;
- Т/2 = π = 1800;
- Т/4 = π/2 = 900.
Если выразить 1 рад в градусах, то он будет равен 57°17′.
Как рассчитать Xc
Сила тока цепи с постоянными показателями напряжения в момент работы электроконденсатора равно 0. Ее значения в цепи с переменным напряжением после подключения конденсатора I ? 0. В итоге, цепочке с непостоянным напряжением конденсатор придает Xc меньшее, чем цепочке с неизменным показателем напряжения.
Формула вычисления показателя напряжения за одну секунду
Формула расчета величины силы электротока за мгновение
Получается, что изменения напряжения отличаются по фазе от изменений тока на π/2.
По закону, сформулированному Омом, показатели силы электротока находятся в прямой пропорциональной зависимости от величины напряжения цепи. Формула вычисления наибольших величин напряженности и силы тока:
Наибольшие величины напряженности и силы тока можно рассчитывать по формулеОкончательная формула расчета емкостного сопротивления в цепи переменного тока
ω = 2πf.
f — показатель частоты непостоянного тока, измеряется в герцах;
ω — показатель угловой частоты тока;
С — размер конденсатора в фарадах.
Важно! Xc не выступает параметром проводника, оно находится в зависимости от такой характеристики электроцепи, как частота электротока. Повышение значений данной величины вызывает рост пропускающей способности конденсатора (предел его сопротивления току непостоянному понижается)
Повышение значений данной величины вызывает рост пропускающей способности конденсатора (предел его сопротивления току непостоянному понижается).
Представим, к цепи подключен конденсатор, емкостью 1 мкФ. Необходимо вычислить, уровень емкостного сопротивления при величине частоты 50 Гц и как изменится емкостное сопротивление цепи переменного тока при частоте 1 кГц. Амплитуда напряжения, подведенного к конденсатору, составляет 50 В.
После введения данных в формулу, определяющую Xc, и получаются значения:
Результат для частоты 50 ГцРезультат для 1 кГц
Емкостное сопротивление приравнивается к соотношению отклонений колебаний напряжения зажимов электрической цепочки с емкостными параметрами (с небольшими индуктивным и активным сопротивлениями) к колебаниям электротока цепочки. Она равнозначна электроконденсатору.
Многофазный переменный ток
Обозначение переменного тока
Для запуска и работы многих промышленных устройств и электрооборудования требуется не одна фаза, а несколько. В связи с этим рассматривают такие понятия, как двухфазный и трёхфазный переменные токи.
Трёхфазный ток
Этот вид электричества применяют в трёхфазной системе, в которую включены три однофазные цепи. Цепи имеют ЭДС переменной природы одной и той же частоты. Эти ЭДС сдвинуты по фазе относительно друг друга на ϕ = Т/3 = 2π/3. Такую систему называют трёхфазным током, а цепь – фазой.
Выработка, преобразование, доставка и потребление переменного электрического тока в основном происходят по трёхфазной системе электроснабжения.
Двухфазный ток
Ещё в 1888 году Никола Тесла выполнил описание того, как можно на практике применить двухфазную сеть, и предложил разработанную им конструкцию двухфазного двигателя. Такие сети начали применять в начале 20 века. Они состояли из двух контуров.
Там напряжения контуров сдвигались по фазе на 900. Каждая фаза включала в себя два провода, у двухфазных генераторов было по два ротора, также конструктивно развёрнутые на угол 900.
Важно! Такие сети позволяли производить мягкий пуск двухфазных электродвигателей, практически с нулевого момента вращения. В то время как для запуска однофазного асинхронного двигателя требуется дополнительная пусковая обмотка или система запуска.
Мощность тока через катушку
Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :
Для мгновенной мощности получаем:
Снова средняя мощность оказывается равной нулю. Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).
Рис. 5. Напряжение на катушке и сила тока через неё
Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.
В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.
Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти. Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.
Действующее значение синусоидального тока
Под действующим значением понимают его эффективность. Она равна такому значению постоянного тока, который выполнит ту же работу, что и переменный, за один период времени. Под работой здесь подразумевают его тепловую или электродинамическую направленность. Удобнее всего использовать среднеквадратичное значение переменного электричества.
Тогда действующее значение для синусоидального тока определяют по формуле:
I = * Im ≈ 0,707* Im,
где Im – величина амплитуды тока.
Генерирование переменного тока
Кроме стандартных генераторов, для производства переменного тока применяются инверторы и фазорасщепители.
Инвертор
Это устройство, с помощью которого из постоянного тока получают его переменный вид. В процессе этого величина выходного напряжения тоже меняется. Схема устройства представляет собой электронный генератор синусоидального импульсного напряжения периодического характера. Есть варианты инверторов, работающих с дискретным сигналом. Инверторы применяют для автономного питания оборудования от аккумуляторов постоянного напряжения.
Фазорасщепитель
Ещё один способ получить несколько фаз из какого-либо сигнала – это выполнить его расщепление на несколько фаз. Это делается с помощью фазорасщепителя. Принудительная обработка сигналов цифрового или аналогового формата используется, как в радиоэлектронике, так и в силовой электротехнике.
Для электроснабжения трёхфазных асинхронных двигателей применяют выполненный на их же базе фазорасщепитель. Для этого обмотки трёхфазного двигателя соединяют не «звездой», а иначе. Две катушки присоединяют между собой последовательно, третью – подключают к средней точке второй обмотки. Двигатель запускают, как однофазный, после разгона в его третьей обмотке наводится ЭДС.
Интересно. В случае расщепления фаз подобным методом сдвиг фаз между 2 и 3 обмоткой составляет не 1200, как должно быть в идеале, а 900.
Напряжение в электросети
Это самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы.
Старый ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» гласит, что действующее (или среднеквадратическое, что для синуса одинаково) фазное напряжение в питающей сети должно составлять 220±10 %=198…242 В.
Однако новый ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные» «повысил» напряжение до 230 В±10 % =207…253 В. При этом разрешено действие напряжения 220 В. Линейные напряжения (между фазами) будут соответственно 380 и 400 В.
Получается, что если напряжение в розетке «плавает» от 198 до 253 В, то это укладывается в норму.
Рассмотрим трехфазную систему питания. Пример того, что может происходить на вводе в электрошкаф, виден на экране анализатора качества электроэнергии HIOKI 3197.
На графиках видно, что уровень фазного напряжения колеблется около среднего уровня 238–240 В за время измерения 2 минуты. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, за это время несколько раз включалась относительно мощная трехфазная нагрузка.
График напряжения, приведенный выше, может записываться в память прибора несколько дней. Таким образом, можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор. Либо вообще его не ставить, а отремонтировать электропроводку или предъявить претензии энергоснабжающей организации.
Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все артефакты на напряжении. Например, скачки и провалы напряжения (последствия плохих контактов или помех), моменты пуска мощных приводов и т. д. Пороги событий устанавливаются в настройках. Пример экрана, на котором отображены события:
Сети переменного тока
По назначению и применению эти сети можно классифицировать следующим образом:
- общие системы: питание объектов промышленного, транспортного, сельскохозяйственного и бытового назначения;
- автономные сети: снабжение передвижных и стационарных автономных субъектов.
Общие сети переменного трёхфазного тока построены по четырёхпроводной схеме, где три провода – это «фаза», четвёртый – «ноль». Трансформаторные подстанции построены по схеме с глухо заземлённой нейтралью. Передача на дальние расстояния производится при высоком напряжении, которое затем понижается на подстанциях до напряжения 0,4 кВ и раздаётся потребителям.
Бытовые объекты подключаются по однофазной схеме. В этом случае требуются два провода: «фазный» и «нулевой».
В каких странах кроме США распространен стандарт 100 — 127 В?
Вот список стран, где используются сети 100–127 В. Это стоит учитывать, если планируете поехать на отдых заграницу.
| Страна | Напряжение, В |
| Самоа | 120 |
| Ангилья | 110 |
| Аруба | 127 |
| Багамские о-ва | 120 |
| Барбадос | 110 |
| Белиз | 120 |
| Бермуды | 120 |
| Бонайре | 127 |
| Бразилия | 127 |
| Венесуэла | 120 |
| Виргинские о-ва | 110 |
| Гаити | 110 |
| Гватемала | 120 |
| Гондурас | 110 |
| Гуам | 110 |
| Доминиканская республика | 110 |
| Каймановы о-ва | 120 |
| Канада | 110 |
| Тайвань | 110 |
| Колумбия | 120 |
| Коста-Рика | 120 |
| Куба | 110 |
| Либерия | 110 |
| Ливия | 127 |
| Мадагаскар | 127 |
| Марокко | 127 |
| Мексика | 127 |
| Микронезия | 120 |
| Антильские о-ва | 127 |
| Никарагуа | 120 |
| Панама | 110 |
| Пуэрто-Рико | 120 |
| Сальвадор | 115 |
| Саудовская Аравия | 127 |
| Сент-Китс и Невис | 110 |
| Суринам | 127 |
| Таити | 110 |
| Тринидад и Тобаго | 115 |
| Эквадор | 120 |
| Ямайка | 110 |
| Япония | 100 |
Как видим, не так уж и мало стран, где напряжение 100–127 В.
Взаимосвязь частоты и работы электрооборудования
Частота тока – это один из параметров электроэнергии, который влияет на стабильную работу электроустановок и оборудования. При поставке энергии потребителю этот параметр строго контролируется, так же, как и напряжение.
Нить взаимосвязи выражается формулой номинального количества оборотов в минуту для вращающихся машин. КПД (коэффициент полезного действия) заложен в самой конструкции агрегатов. Он максимален при:
n = 60f/p,
где:
- n – количество об./мин.;
- f – частота;
- p – количество пар полюсов.
Количество оборотов турбины генераторов напрямую связано с частотой вырабатываемого переменного тока, полученная частота отвечает за оптимальный режим вращения электродвигателя потребителя. При снижении частоты в сети обороты машины снижаются автоматически. Происходит перегрузка на валу, и страдает двигатель.
В то же время технологическая линия, в которую он передаёт энергию вращения, также терпит изменения в работе:
- изменяется скорость движения конвейера, что влечёт за собой сбой технологического процесса и брак в итоге;
- снижаются мощность и частота вращения насосов, вентиляторов, что приводит к нестабильной работе систем, в которых они установлены;
- снижение частоты в энергосистеме на 1% приводит к падению общей мощности на нагрузке до 2%.
Для контроля этого важного электрического параметра применяют частотомеры.
Внимание! Снижение частоты на 10-15% вызывает падение производительности механизмов даже на самой электростанции до нуля. При частоте тока в сети 50 Гц (критической величиной являются 45 Гц) происходит лавинный спад.
Как и зачем оценивать качество напряжения в сети?
Действительно, зачем? Ведь достаточно нажать кнопку на пульте телевизора или воткнуть зарядное устройство айфона в розетку и пользоваться благами электрификации всей страны!
Но бывают моменты, когда что-то идет не так: крокодил не ловится, айфон не заряжается, кондиционер вместо прохлады выдает натужное гудение, а телевизор после щелчка не подает признаков жизни.
Тут собрались люди знающие, которые понимают, что значения основных параметров электрической сети — напряжения и частоты — можно узнать в первую очередь посредством мультиметра. Но что делать, если нужно посмотреть, что делается в розетке в течение суток? А что если нужно отследить скачок напряжения, который по времени гораздо короче интервала измерения мультиметра? Причем может быть так, что время появления этого артефакта неизвестно.
Обычно при любых проблемах с напряжением ставят стабилизаторы, но они помогают далеко не всегда. Ведь стабилизатор устраняет следствие, но не причину проблемы. А если происходит скачкообразное кратковременное изменение напряжения, то стабилизатор не только не поможет, но и усугубит положение.
И чтобы понять, что делать в том или ином случае — проверить качество контактов на вводе или поставить стабилизатор, — нужен анализатор качества электроэнергии (Power Quality Analyzer).
Анализатор качества электроэнергии дает полную картину того, что происходит в розетке.
Я использую в своей работе анализатор качества электрической энергии HIOKI 3197, фото которого будут приведены в статье.
Без анализатора качества часто вообще непонятно, что происходит в сети: какие помехи, импульсные перенапряжения и провалы, коэффициент мощности cos и так далее. Приходится действовать наугад, используя свой опыт и эксперименты. А с японцем HIOKI из Нагано все ясно-понятно. Для того, чтобы составить полную картину того, что творится в сети, прибор имеет клещи для измерения тока и зажимы для измерения напряжения, а также зажим для подключения к нейтрали. Итого — 7 точек подключения.
Реальный случай, когда без анализатора качества не обойтись. Контроллер в технологической линии периодически зависал и выдавал ошибки. Когда все перелопатили, а причину не нашли, на помощь пришел анализатор качества электроэнергии. После непродолжительного наблюдения напряжения 220 В, поступающего на питание контроллера, выяснилось, что причина в плохом контакте внутри сетевого фильтра.
Токи высокой частоты
ТВЧ – такова их аббревиатура, используются для плавки металлов, закалки поверхности металлических изделий. ТВЧ – это токи, имеющие частоту более 10 кГц. В индукционных печах используют ТВЧ, помещая проводник внутрь обмотки, через которую пропускают ТВЧ. Под их воздействием возникающие в проводнике вихревые токи разогревают его. Регулируя силу ТВЧ, контролируют температуру и скорость нагрева.
Интересно. Расплавляемый металл может быть подвешен в вакууме с помощью магнитного поля. Для него не нужен тигель (специальный ковш для нагрева). Так получают очень чистые вещества.
Плюсы использования ТВЧ в разных случаях:
- быстрый нагрев при ковке и прокате металла;
- оптимальный температурный режим для пайки или сварки деталей;
- расплав даже очень тугоплавких сплавов;
- приготовление пищи в микроволновых печах;
- дарсонвализация в медицине.
Получают ТВЧ с помощью установок, включающих в свой состав колебательный контур, или электромашинных генераторов. У статора и ротора генераторов на сторонах, обращённых друг другу, нанесены зубцы. Их взаимное движение порождает пульсацию магнитного поля. Частота на выходе тем больше, чем больше произведение числа зубцов ротора на частоту его вращения.
Период пульсаций и частота
Частота переменного тока может иметь другое название – пульсация. Периодом пульсации называют время единичной пульсации.
Интенсивность циклов
Для электросети с частотой 50 Гц период пульсации составит:
Т = 1/50 = 0,02 с.
При необходимости, зная эту зависимость, можно по времени цикла вычислить частоту.
Опасность разночастотных зарядов
Как постоянный, так и переменный ток при определённых значениях представляет опасность для человека. До 500 В разница в безопасности находится в соотношении 1:3 (42 В постоянного к 120 В переменного).
При значениях выше 500 В это соотношение выравнивается, причём константное электричество вызывает ожоги и электролизацию кожных покровов, изменяющееся – судороги, фибрилляцию и смерть. Тут уже частота пульсации имеет большое значение. Самый опасный интервал частот – от 40 до 60 Гц. Далее с повышением частоты риск поражения уменьшается.
Частота переменного электричества – важный параметр. Она влияет не только на работу электроустановок потребителей, но и на человеческий организм. Изменяя частоту электрических колебаний, можно менять технологические процессы на производстве и качество вырабатываемой энергии.
Электрификация железных дорог на переменном токе[править]
Российский пассажирский электровоз переменного тока ЭП1П, выпускается на Новочеркасском электровозостроительном заводе.
В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение ~ 25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь)
подаётся на контактный провод, вторым (обратным) проводом служат рельсы. Также проводится электрификация по системе
2 × 25 кВ(два по двадцать пять киловольт)
, когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение ~ 50 кВ
(обычно до 55 кВ, с учётом потерь)
, а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ
(то есть 25 кВ)
. Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 × 25 кВ в переделке не нуждаются.
Проводится политика на дальнейшее расширение полигона тяги переменного тока как за счёт вновь электрифицируемых участков, так и за счёт перевода некоторых линий с постоянного тока на переменный ток. Переведены в 1990-е — 2000-е годы:
— на Восточно-Сибирской железной дороге: участок Слюдянка — Иркутск — Зима; — на Октябрьской железной дороге: участок Лоухи — Мурманск; — на Приволжской железной дороге: Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы; — на Северо-Кавказской железной дороге: участки Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.
Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).
Когда дело касается параметров электрических цепей, практически все быстро вспоминают о напряжении, силе тока, сопротивлении. И мало кто думает о таком показателе как частота. Само понятие частоты относится исключительно к переменному току, который меняет направление и значение несколько раз в единицу времени. На осциллографе переменный сигнал выглядит как синусоида. Частота измеряется в герцах (Гц, Hz). Сегодня поговорим о том, как измерить частоту мультиметром.
Contents
- 1 Постоянный и переменный ток
- 2 Почему важна частота переменного тока?
- 3 Как измерить частоту мультиметром?
- 3.1 Вопрос — ответ
Постоянный и переменный ток
Из курса физики известно, что электрический ток представляет собой направленное движение электронов.
У постоянного тока полярность заряженных частиц неизменна. Поэтому все устройства, рассчитанные на работу от него, всегда имеют маркировку полярности для корректного подключения их к сети. В противном случае прибор просто не заработает, также может выйти из строя.
Переменный ток в этом плане более безопасен. Так как его полярность постоянно меняется, она не оказывает губительного влияния на подключенные электроприборы. На вилках приборов и розетках переменного тока нет обозначений полярности, поэтому их можно смело включать в сеть, не задумываясь о верном положении контактов.
Но основным достоинством переменного тока являются большие возможности регулировки напряжения сети при помощи трансформаторов. Именно поэтому переменный ток получил гораздо большее распространение во всем мире, чем постоянный.
Почему важна частота переменного тока?
В бытовых и промышленных электрических сетях повсеместно используется переменный ток. Для нормальной работы любых приборов и оборудования крайне важно, чтобы частота тока была постоянной. В случае ее колебаний более чем на 1% заметно снижается эффективность работы любых подключенных к сети машин и механизмов, бытовых приборов.
В промышленном производстве резкое изменение частоты используемого тока может привести к возникновению производственного брака и даже поломке оборудования.
Существует стандарт частоты электрического тока:
- 50 Гц – Россия, страны бывшего СССР, Европы, Прибалтики, КНДР, Австралия;
- 60 Гц – США, Канада, Тайвань, Южная Корея, Куба, Коста-Рика и другие.
А вот, к примеру, в Японии используются обе частоты. В западных регионах страны стандартной является частота 60 Гц, а в восточных – 50 Гц.
Как измерить частоту мультиметром?
В обычном быту не так часто приходится измерять частоту электротока, поскольку в сети она поддерживается централизованно. Отклонения, если они и есть, составляют менее 1%.
Определить частоту тока, выдаваемого каким-либо прибором можно с помощью специального прибора частотометра. Но в наборе домашнего мастера такие устройства встречаются редко. Их в основном используют профессионалы. А вот цифровой мультиметр в настоящее время есть практически у каждого.
Некоторые (не все) модели мультиметров снабжены функцией измерения частоты переменного тока. Если она есть, то узнать данный параметр будет несложно.
Порядок действий следующий:
- Щупы подключают в соответствующие гнезда, согласно инструкции.
- Переключатель режимов устанавливают на измерение частоты переменного тока.
- Для начала можно померить частоту в сети 220 В. Она поддерживается поставщиком электроэнергии и равна 50 Гц. Производится измерение частоты мультиметром путем присоединения щупов прибора к контактам розетки. Если результат будет несколько отличаться от стандартной частоты, это следует учитывать как погрешность прибора. И при следующих замерах делать на нее поправку.
- Далее можно измерить параметр частоты того устройства, которое вас интересует.
Таким образом, мультиметр позволяет с достаточной точностью определить частоту тока в сети или на выходе электрических генераторов, преобразователей, фильтрующих устройств.
Теперь вы знаете, как измерить частоту мультиметром. Желаем безопасных и точных измерений!
Вопрос — ответ
Вопрос: Можно ли измерять частоту обычным мультиметром?
Имя: Тимур
Ответ: Если прибор не оснащен функцией измерения частоты, то придется приобрести частотометр, либо специальную приставку к мультиметру.
Вопрос: Как регулируется частота тока в сети? Ее постоянно измеряют?
Имя: Артём
Ответ: Нет. Существуют специальные реле частоты, которыми оснащают электростанции, подстанции и предприятия. Именно они контролируют ее изменение. Реле связаны с другими устройствами защиты и автоматики, позволяющими поддерживать частоту тока на заданном уровне.
Вопрос: Зачем вообще нужно знать частоту тока в сети?
Имя: Михаил
Ответ: Есть приборы, рассчитанные на определенную частоту тока. Если их включить в сеть с другим параметром, они выйдут из строя. Поэтому, приобретая в поездках импортную технику, интересуйтесь, на ток какой частоты она рассчитана. Кроме того, этот параметр сильно влияет на работу многих двигателей (стиральных машин, мясорубок, электроприводов станков и др.), если они рассчитаны на другой показатель.
Период и частота 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 =10-3сек.
1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10-6сек.
1000 мкс = 1 мс.
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 = 103 Гц = 1 кГц;
1000 000 Гц = 106 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;
1000 000 000 Гц = 109 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.
Периодический переменный ток
Развёрнутая диаграмма периодического переменного тока
Периодическим переменным током называется такой электрический ток, который через равные промежутки времени повторяет полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине.
На представленной диаграмме мы видим, что через равные промежутки времени T{displaystyle T} график тока воспроизводится полностью без каких-либо изменений.
Время T{displaystyle T}, в течение которого переменный периодический ток совершает полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине, называется периодом переменного тока.
Величина, обратная периоду, называется частотой переменного тока:
- f=1T{displaystyle f={frac {1}{T}}}, где
- f{displaystyle f} — частота переменного тока;
- T{displaystyle T} — период переменного тока.
Если выразить время T{displaystyle T} в секундах (sec), то будем иметь:
- f=1T1sec{displaystyle f={frac {1}{T}}left}, то есть размерность частоты переменного тока выражается в 1/с.
Частота переменного тока численно равна числу периодов в секунду.
За единицу измерения частоты переменного тока принят 1 герц (1 гц, 1 Гц, 1 Hz).
Герц — единица Международной системы единиц (СИ), названа в честь Генриха Герца. Через основные единицы СИ герц выражается следующим образом: 1 Гц = 1 с−1. Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.
Частота переменного тока равна одному герцу, если период тока равен одной секунде (один полный цикл за одну секунду).
Стандарты частоты
В большинстве стран в электротехнике применяются частоты 50 или 60 Гц (60 Гц — этот вариант принят в США и Канаде). В некоторых странах, например, в Японии, используются оба стандарта (см. ).
Частота 16 ⅔ Гц до сих пор используется в некоторых европейских железнодорожных сетях (Австрия, Германия, Норвегия, Швеция и Швейцария), частота 25 Гц — на старых железнодорожных линиях США. (См. ).
В авиации и военной технике для снижения массы устройств или с целью повышения частоты вращения электродвигателей переменного тока применяется частота 400 Гц.
- Число оборотов ротора n1min{displaystyle nleft} синхронного электродвигателя определяется по формуле:
n=60fp{displaystyle n={frac {60f}{p}}}, где
f{displaystyle f} — частота переменного тока;
p{displaystyle p} — число пар полюсов.
- Так как минимальное число пар полюсов равно единице, тогда синхронный электродвигатель, работающий на переменном токе частотой 50 герц разовьёт 3 000 оборотов в минуту, а электродвигатель, работающий на переменном токе частотой 400 герц, разовьёт 24 000 оборотов в минуту. Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя меньше, чем частота питающего его тока и зависит от нагрузки. Скольжение — разность между частотой вращения вращающегося магнитного поля и частотой вращения ротора.
В технике связи применяются частоты более высокие, и в частности в радиотехнике — порядка миллионов и миллиардов герц.
Действующее значение переменного синусоидального тока
Если все положительные и отрицательные мгновенные значения переменного синусоидального тока сложить, то их сумма будет равна нулю. Но если алгебраическая сумма всех мгновенных значений за период равна нулю, то и среднее значение этого тока за период также равно нулю: Iavg(T)={displaystyle I_{avg}(T)=0}.
- Среднее значение синусоидального тока за период не может служить для измерения этого тока.
Чтобы судить о величине переменного синусоидального тока, переменный ток сравнивают с постоянным током по их тепловому действию.
- Два тока, один из которых синусоидальный, а другой постоянный, эквивалентны по тепловому действию, если они, протекая по одинаковым сопротивлениям, за одинаковые отрезки времени выделяют одинаковое количество тепла.
- Действующее значение переменного синусоидального тока численно равно току постоянному, эквивалентному данному синусоидальному току, то есть выделяющему порознь с ним в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени одинаковое количество тепла.
Найдено экспериментально, а затем подтверждено теоретически, что величина действующего значения переменного синусоидального тока находится в строго определённой зависимости от амплитуды этого тока: I=Im2{displaystyle I={frac {I_{m}}{sqrt {2}}}}, то есть действующее значение I{displaystyle I} переменного синусоидального тока в 2{displaystyle {sqrt {2}}} раз меньше амплитуды этого тока.
Амперметр электромагнитной или электродинамической системы, включенный в цепь переменного синусоидального тока, показывает действующее значение тока.
Аналогично действующему значению переменного синусоидального тока можно говорить о действующем значении переменной синусоидальной электродвижущей силы или переменного синусоидального напряжения.
- Действующее значение напряжения в 2{displaystyle {sqrt {2}}} меньше его амплитуды: U=Um2{displaystyle U={frac {U_{m}}{sqrt {2}}}} или Um=2×U{displaystyle U_{m}={sqrt {2}}times U}.
Вольтметр электромагнитной или электродинамической системы, включенный в сеть переменного синусоидального тока, показывает действующее значение синусоидального напряжения.
- Например, в электрической розетке электрическое напряжение ∼220 B{displaystyle thicksim {220}~B}, так как это действующее значение, амплитудное напряжение будет 220×1,41=311{displaystyle {220}times {1,41}={311}} Вольт.
Данные формулы справедливы только для синусоидального тока, если импульсы будут треугольной, пилообразной, прямоугольной или иной формы — требуется другая методика вычисления.
Методом математического анализа можно определить среднее значение переменного синусоидального тока за половину периода, например за положительную полуволну синусоиды.
Среднее значение переменного синусоидального тока за половину периода равно IIavg(T2)=2πIm=,637Im{displaystyle {frac {I}{I_{avg}left({frac {T}{2}}right)}}={{frac {2}{pi }}I_{m}}={0,637};I_{m}}.
Также можно определить отношение k{displaystyle k} действующего значения тока к среднему за половину периода (положительную полуволну). Это отношение для синусоидального тока равно:
k=IIavg(T2)=Im22πIm=π22=1,11{displaystyle k={frac {I}{I_{avg}left({frac {T}{2}}right)}}={frac {frac {I_{m}}{sqrt {2}}}{{frac {2}{pi }}I_{m}}}={frac {pi }{2{sqrt {2}}}}={1,11}}.
Значение Cos φ
Cos φ в практической электротехнике имеет очень важное значение. Реальные нагрузки, типа электромоторов и трансформаторов, имеют большую индуктивную составляющую сопротивления, то есть, фактически, представляют собой цепи RL
Для таких цепей неизбежно существует сдвиг фаз, который приводит к тому, что полная мощность S значительно превышает активную мощность (P).
Из формулы видно, что чем меньше Cos φ (Чем больше угол сдвига фаз), тем меньшую часть активная мощность составляет от полной мощности .
Только активная мощность является полезной, если источник затрачивает полную мощность, а от нагрузки мы можем получить только активную мощность, значит, Cos φ имеет смысл электротехнического КПД или коэффициента мощности.
В идеале источник должен отдавать такую мощность, которую будет потреблять нагрузка. Реальные устройства неизбежно содержат индуктивности (катушки, обмотки, и т.п.), значит, источник вынужден отдавать полную мощность, которая значительно больше, активной.
Проектирование устройств и электрических цепей должно иметь целью получить значение Cos φ как можно ближе к единице, то есть влияние индуктивности надо свести к минимуму. Плохие значения Cos φ приводят к большим неоправданным затратам электроэнергии.
Как вычислить сечение многожильного провода
Многожильный провод, чем он отличается от одножильного? В принципе ничем, несколько одножильных проводов свитые вместе, а поэтому вычислить сечение одножильного провода и помножив на количество проводов получим сечение многожильного провода.
Рассмотрим на примере:
Имеется в распоряжении многожильный провод, сплетенный из 12 жил, диаметр одножильного провода 0,4 мм. Рассчитываем сечение жилы: 0,4мм х 0,4мм х 0,785 = 0,1256, округляем и получаем 0,126 мм 2. Сечение многожильного провода 0,126 мм 2 х 12 = 1,5 мм 2.
Заходим в таблицу и определяем, что такой провод способен выдержит ток 8 Ампер.
При желании можно определить сечение многожильного провода, замерив общий диаметр кабеля, так как между проводниками имеется пространство, то с помощью коэффициента 0,91 мы приблизительно рассчитаем общее сечение, что нам будет достаточно этой точности.
К примеру, замерив диаметр многожильного провода, мы получили 5 мм, рассчитываем:
5,0 мм х 5,0 мм х 0,785 = 19,625 мм 2, далее 19,625 мм 2 умножаем на 0,91 получаем 17,85 2. По таблице видим, что ток на который рассчитан провод более 63 А.
| Онлайн калькулятор для определения сечения многожильного провода | |
|---|---|
| Введите диаметр одной жилы, мм: | |
| Количество жил в проводе: | |
Вот еще один простой калькулятор расчета.
Для вычисления потребляемого тока применяем известную формулу, для этого делим мощность прибора (Вт) на напряжение (вольт) , после деления результат получается в амперах.
Чайник потребляет 1200 Вт от сети 220 вольт, вычисляем 1200 дели на 220 получаем ток 5,45 А.
| Онлайн калькулятор для определения величины тока по потребляемой мощности | |
|---|---|
| Потребляемая мощность, Вт: | |
| Напряжение питания, В: | |
Для вычисления необходимо вписать оба значения, иначе программа не поймет и выдаст соответствующее сообщение.
Расчет сопротивления для подключения светодиодов
Иногда требуется включить светодиодный индикатор в схему, но напряжение на данном участке больше требуемого. Напомним, что для загорание обычного светодиода требуется напряжение источника постоянного тока величиной 1,5 — 2 вольта и ток потребляемый им составляет 10 — 20 ма (для загорания и меньше в пределах 5 ма), напряжение и потребляемый ток зависят от разных характеристик, в том числе и от цвета излучаемым светодиодом и от его отличительных характеристики — имеется класс ярких светодиодов с малым потреблением тока.
Расчет производится по формуле:
ΔU=Uгасящее=Uпитания–Uсветодиода, т.е. ΔU разница напряжения между источником питания и значением величины рабочего напряжения данного светодиода. Необходимо представлять себе, что если вы хотите включить индикацию напряжения, к примеру 220 вольт, то потребуется погасить на резисторе 218 вольт, т.е. 220-2=218, для этого потребуется резистором номиналом 15 кОм и мощностью рассеивания 3,5 Вт, в данном случае лучше составить из трех резисторов по 5,1 кОм, или четырех резисторов по 3,9 кОм (Ряд E24).
Где U в вольтах, I в амперах, R в омах.
Сети переменного тока
Четырёхпроводная линия электропередачи 220/380 В, такие ЛЭП распространены в районах одноэтажной застройки, в сельской местности.Два нижних провода — сеть проводного радиовещания.
Преобразование напряжения в электрических сетях
Схема разводки трёхфазной сети в многоквартирных жилых домах.
Производители электроэнергии (ГЭС, ТЭС, ТЭЦ, атомные и другие электростанции) генерируют переменный ток промышленной частоты (в России — 50 Гц), напряжением порядка 10 — 20 кВ.
Затем электрический ток поступает на трансформаторные подстанции, которые находятся рядом с электростанциями, где происходит повышение электрического напряжения.
Переменный ток высокого напряжения передаётся потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Повышение напряжения необходимо для того, чтобы уменьшить потери в проводах ЛЭП (см. Закон Джоуля — Ленца, при увеличении электрического напряжения уменьшается сила тока в электрической цепи, соответственно уменьшаются тепловые потери).
- Самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокчетав работала под напряжением 1 миллион 150 тысяч вольт.
На другом конце линии электропередачи находится понижающая трансформаторная подстанция, где высоковольтный переменный ток понижается трансформаторами до нужного потребителю значения.
В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередачи передаётся трёхфазный ток, однако существуют линии электропередачи постоянного тока, например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс, высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр, материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами, использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия).
В России в электрических сетях общего назначения используется трёхфазный ток с межфазным напряжением 380 Вольт.
Качество электрической энергии — её электрическое напряжение и частота должны строго соблюдаться.
К жилым домам (на сельские улицы) подводятся четырёхпроводные (три фазовых провода и один нейтральный (нулевой) провод) линии электропередачи (воздушные или кабельные ЛЭП) с межфазным напряжением 380 вольт (с 2003 года 400 Вольт по ГОСТ 29322-2014). В отдельную квартиру (или в сельский дом) подводится фазовый провод и нулевой провод, электрическое напряжение между «фазой» и «нулём» составляет 220 вольт (с 2003 года 230 Вольт по ГОСТ 29322-2014). Определить, где какой провод можно с помощью индикатора фазы.
- Например, в первую квартиру подводится фаза «A», во вторую квартиру — фаза «B», в третью квартиру — фаза «C» и так далее…
Генерирование переменного тока
Кроме стандартных генераторов, для производства переменного тока применяются инверторы и фазорасщепители.
Инвертор
Это устройство, с помощью которого из постоянного тока получают его переменный вид. В процессе этого величина выходного напряжения тоже меняется. Схема устройства представляет собой электронный генератор синусоидального импульсного напряжения периодического характера. Есть варианты инверторов, работающих с дискретным сигналом. Инверторы применяют для автономного питания оборудования от аккумуляторов постоянного напряжения.
Инвертор 12/220 В, мощностью 1500 Вт
Фазорасщепитель
Ещё один способ получить несколько фаз из какого-либо сигнала – это выполнить его расщепление на несколько фаз. Это делается с помощью фазорасщепителя. Принудительная обработка сигналов цифрового или аналогового формата используется, как в радиоэлектронике, так и в силовой электротехнике.
Для электроснабжения трёхфазных асинхронных двигателей применяют выполненный на их же базе фазорасщепитель. Для этого обмотки трёхфазного двигателя соединяют не «звездой», а иначе. Две катушки присоединяют между собой последовательно, третью – подключают к средней точке второй обмотки. Двигатель запускают, как однофазный, после разгона в его третьей обмотке наводится ЭДС.
Интересно. В случае расщепления фаз подобным методом сдвиг фаз между 2 и 3 обмоткой составляет не 1200, как должно быть в идеале, а 900.
Tags: ампер, амплитуда, антенна, бра, вид, высоковольтный, гасить, генератор, двигатель, диаграмма, дом, е, кабель, как, кт, магнит, мощность, нагрузка, напряжение, нейтраль, номинал, переменный, постоянный, принцип, провод, пуск, р, работа, размер, расчет, резистор, ряд, свет, светодиод, сеть, система, тен, тип, ток, трансформатор, трехфазный, трёхфазный ток, ук, фаза, электродвигатель, электронный