Как найти ток в однофазной цепи

Как разными способами найти силу тока

Содержание

  • 1 Зачем нужно находить силу тока
  • 2 Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
  • 3 Определение мощности прибора
  • 4 Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
  • 5 Использование мощности и сопротивления
  • 6 Непосредственное измерение силы тока
  • 7 Видео по теме

Знание силы тока в электрической цепи является в некоторых случаях необходимым. Ее определяют не только с помощью непосредственного измерения, но и расчетов. В последнем случае нужную информацию можно получить на основе технических характеристик оборудования.

Зависимости между основными электрическими величинами

Зависимости между основными электрическими величинами

Зачем нужно находить силу тока

Любое вещество состоит из атомов, которые включают в себя положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электроны. При отсутствии электрического поля движение этих частиц является хаотичным. Но как только проводник становится частью электрической цепи, подключённой к источнику питания, электроны начинают двигаться по направлению к положительному полюсу.

Ток проявляется через заряд. Каждый электрон несёт в себе элементарный отрицательный электрический заряд. Сила тока — это количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за какой-то отрезок времени. Следовательно, можно сделать вывод, что рассматриваемый параметр определяют заряд и время.

Электроток выраженный через заряд и время

Электроток, выраженный через заряд и время

Найти силу тока в проводнике можно только в том случае, когда электрическая цепь подключена к источнику питания. Например, это может быть включение бытового прибора в электросеть с переменным напряжением, равным 220 В. Разным приборам для работы нужна разная мощность. В некоторых случаях даже выключенное оборудование может потреблять небольшое количество электричества, если оставить его вилку в розетке. Поэтому рассчитать силу тока в цепи можно через мощность и напряжение.

Слишком интенсивный электроток способен создавать проблемы. Он может, например, привести к перегреву деталей или к их разрушению. Если большой ток пройдёт через человека, то это нанесет серьёзный вред его здоровью или даже станет опасным для жизни. Для нормального и безопасного функционирования оборудования важно, чтобы электроток соответствовал установленным нормативам. Определение силы тока по мощности и напряжению позволяет проверить, насколько она соответствует требованиям.

Вычисление тока, если известны мощность и напряжение

Есть простой способ, как узнать ток, зная мощность и напряжение. В данном случае рассчитать постоянный ток можно по формуле:

Вычисление электротока при известных значениях напряжения и мощности

Расчет для переменного тока через мощность усложняется, поскольку его величина и направление постоянно меняются. Это обстоятельство нужно учитывать при расчетах. Если питание однофазное, то используется такая формула:

Формула электротока для однофазной сети

Чтобы определить силу переменного тока в трехфазной сети, следует воспользоваться формулой:

Расчет для трехфазной сети

При рассмотрении переменного тока нужно учитывать не только активную, но и реактивную мощность. Первая связана с активным сопротивлением, а вторая — с реактивным (ёмкостным и индуктивным). Соотношение между различными видами отражается с помощью cos φ.

Косинус угла «фи» обычно указывают в технической документации прибора. Если эту информацию нельзя получить из документации, то в расчетах очень мощных устройств принимают значение 0.8. Для большинства обычных бытовых приборов в вычислениях используют 0.95.

Подставив в формулу, применяемую для определения силы тока на участке цепи, значения напряжения U = 220 В для однофазной цепи и 380 В для трехфазной, а также cos φ = 0.95, получим следующие выражения:

Вычисление силы тока для однофазной и трехфазной сети

Как видим, сила тока в трехфазной и однофазной сети при одинаковой нагрузке будет разной. В однофазной она втрое больше, чем в трехфазной.

Определение мощности прибора

Перед тем как найти силу электрического тока, нужно определить величину используемой мощности:

  • Ее значение должно указываться в технической документации. Однако она не всегда доступна. В частности, документация может быть утеряна.
  • На задней панели приборов часто имеется наклейка, на которой приведены важнейшие характеристики устройства. В числе прочих обычно указывают мощность.

Задняя панель прибора с указанием основных данных

Задняя панель прибора с указанием основных данных

  • Можно воспользоваться таблицей с указанием средних значений мощности для различных видов устройств.

Мощность разных приборов

Мощность разных приборов

При вычислениях необходимо помнить, что пусковая мощность может превышать рабочую. Расчёт силы тока должен учитывать обе этих величины. Когда пусковая мощность вызывает резкое мгновенное увеличение силы тока, оно не должно превышать допустимой величины. Для бытовой техники пусковую мощность указывают редко. Поэтому перед тем как рассчитать силу тока, необходимо обратиться к соответствующим справочникам, чтобы найти определенное значение мощности. Для получения ее точной величины следует провести измерение ваттметром.

Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления

Если известно напряжение и сопротивление, то сила тока вычисляется по формуле, вытекающей из закона Ома:

Вычисление электротока согласно закону Ома

Если известны значения ЭДС, внутреннего сопротивления и нагрузки, то можно найти силу тока, используя закон Ома для полной цепи:

Определение электротока через эдс

Использование мощности и сопротивления

Как известно, мощность можно находить по формуле.

Определение мощности

Применив в данном выражении закон Ома, можно привести его к следующему виду:

Преобразованная формула мощности

Теперь силу тока можно выразить так:

Вычисление электротока если известны мощность и сопротивление

Следовательно, вычислить силу тока можно разными способами.

Непосредственное измерение силы тока

Величину силы тока можно не только рассчитывать, но и измерять, используя такие приборы, как амперметр или мультиметр. Любой из них при измерениях должен стать частью электрической цепи. Поэтому прибор нужно подключать последовательно.

Использование амперметра и вольтметра

Если нет большой нужды измерять силу тока амперметром, то лучше вычислить этот параметр, используя формулы, даже если для этого придется измерить напряжение. Вольтметром эта процедура осуществляется без разрыва электроцепи, чего нельзя сделать при использовании амперметра.

Также применяется магнитометрический способ. Примером его использования являются токовые клещи. Перед тем как определить силу электротока, их устанавливают так, чтобы они охватывали провод. Поскольку вокруг проводника при протекании тока образуется магнитное поле, которое клещи улавливают, то по его характеристикам прибор определяет силу тока в цепи.

Видео по теме

Содержание:

Однофазные электрические цепи переменного тока:

Для получения, передачи и распределения электрической энергии применяются в основном устройства переменного тока: генераторы, трансформаторы, линии электропередачи и распределительные цепи переменного тока.

Постоянный ток, необходимый в некоторых областях народного хозяйства (транспорт, связь, электрохимия и др.), получают выпрямлением переменного тока.

Переменным электрическим током называют ток, периодически изменяющийся по величине и направлению.

Основное достоинство переменного тока заключается в возможности трансформировать напряжение. Кроме того, электрические машины переменного тока надежней в работе, проще по устройству и эксплуатации.

Говоря о переменном токе, обычно имеют в виду синусоидальный переменный ток, т. е. ток, изменяющийся по синусоидальному закону. При синусоидальном токе ЭДС электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимоиндукции изменяются по синусоидальному закону.

Синусоидальный переменный ток проходит в замкнутой линейной электрической цепи под действием синусоидальной ЭДС.

Рассмотрим получение синусоидальной ЭДС. Если в однородном магнитном поле с индукцией В равномерно со скоростью V вращается рамка (рис. 10.1), то в каждой активной стороне этой рамки длиной Однофазные электрические цепи переменного тока

Однофазные электрические цепи переменного тока

где а — угол, под которым активный проводник рамки пересекает магнитное поле (угол между Однофазные электрические цепи переменного тока), или угол поворота рамки относительно нейтральной плоскости Однофазные электрические цепи переменного тока как углы со взаимно перпендикулярными сторонами.

Плоскость Однофазные электрические цепи переменного тока называется нейтральной, т. к. ЭДС в рамке, расположенной в этой плоскости, равна нулю (а = 0, следовательно, sin а = 0).

Однофазные электрические цепи переменного тока

как Однофазные электрические цепи переменного тока — величина постоянная по условию, то е пропорциональна sin а, т. е. ЭДС в этой рамке, при вращении ее вокруг оси изменяется по синусоидальному закону. Если к этой рамке включить нагрузку (потребитель), то в замкнутой цепи (рис. 10.1) идет ток, который, как и ЭДС, изменяется по синусоидальному ну. Поэтому такой ток и называется синусоидальным.

Синусоидальная ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока изображена на графике рис. 10.2. график принято называть «волновая диаграмма». (Если изменяющаяся величина изображена в зависимости от времени то ее называют «временная диаграмма».) На этой диаграмме синусоида ограничивает величины ЭДС (ординаты) при раз-личных углах поворота рамки относительно нейтральной плоскости NN». Как видно, синусоидальная ЭДС изменяется по величине и направлению.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Величины, характеризующие синусоидальную ЭДС

Амплитуда — это максимальное значение периодически изменяющейся величины.

Обозначаются амплитуды прописными буквами с индексом m, т. е. Однофазные электрические цепи переменного тока

Нетрудно видеть (рис. 10.2), что ЭДС достигает своих амплитудных значений тогда, когда рамка повернется на угол а = 90° или на угол а = 270°, так как Однофазные электрические цепи переменного тока. Следовательно, Однофазные электрические цепи переменного тока

Тогда Однофазные электрические цепи переменного тока

Период — это время, в течение которого переменная величина делает полный цикл своих изменений, после чего изменения повторяются в той же последовательности.

Обозначается период буквой Т и измеряется в секундах, с (сек) т.е. Однофазные электрические цепи переменного тока = с.

Значение ЭДС через каждый период определяется следующим равенством (рис. 10.3):

Однофазные электрические цепи переменного тока

где к — целое число.

На рис. 10.3 изображена временная диаграмма синусоидальной ЭДС при вращении рамки в магнитном поле.

Частота — число периодов в единицу времени, т. е. величина, обратная периоду.

Обозначается частота буквой Однофазные электрические цепи переменного тока, и измеряется в герцах (Гц):

Однофазные электрические цепи переменного тока

Стандартной частотой в электрических сетях России является частота Однофазные электрические цепи переменного тока = 50 Гц. Для установок электронагрева пользуются частотами Однофазные электрические цепи переменного тока Гц (Однофазные электрические цепи переменного тока Гц = 1 МГц — мегагерц).

При частоте Однофазные электрические цепи переменного тока=50 Гц, т.е. 50 периодов в секунду, период

Однофазные электрические цепи переменного тока

Однофазные электрические цепи переменного тока

Угловая частота (угловая скорость) характеризуется углом поворотом рамки в единицу времени.

Обозначается угловая частота буквой Однофазные электрические цепи переменного тока (омега):

Однофазные электрические цепи переменного тока

Измеряется угловая частота в единицах радиан в секунду, так как угол измеряется в радианах (рад).

Так, время одного периода Т рамка повернется на угол 360° = рад. Следовательно, угловую частоту можно выразить следующим образом:  

Однофазные электрические цепи переменного тока

Мгновенное значение — это значение переменной величины в й конкретный момент времени.

Мгновенные значения обозначаются строчными буквами..

Из выражения (10.2) следует, что угол поворота рамки Однофазные электрические цепи переменного тока, мгновенные значения синусоидальных величин можно записать так:

Однофазные электрические цепи переменного тока

Таким образом, любая синусоидальная величина характеризуется амплитудой и угловой частотой, которые являются постоянными для данной синусоиды. Следовательно, по формулам (10.4) можно определить синусоидальную величину в любой конкретный момент времени t, если известны амплитуда и угловая частота.

Фаза и сдвиг фаз

Если в магнитном поле вращаются две жестко скрепленные между собой под каким-то углом одинаковые рамки (рис. 10.4а), т.е. амплитуды ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока и угловые частоты со их одинаковы, то мгновенное значение их ЭДС можно записать в виде

Однофазные электрические цепи переменного тока

где Однофазные электрические цепи переменного тока — углы, определяющие значения синусоидальных величин Однофазные электрические цепи переменного тока в начальный момент времени (t = 0), т.е.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Поэтому эти углы Однофазные электрические цепи переменного тока называют начальными фазами синусоид.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Начальные фазы Однофазные электрические цепи переменного тока этих ЭДС различны.

Таким образом, согласно (10.5) каждая синусоидальная величина характеризуется амплитудой Однофазные электрические цепи переменного тока, угловой частотой со и начальной фазой Однофазные электрические цепи переменного тока. Для каждой синусоиды эти величины Однофазные электрические цепи переменного тока являются постоянными. В выражениях (10.4) начальные фазы Однофазные электрические цепи переменного тока синусоид равны нулю (Однофазные электрические цепи переменного тока = 0).

Величина Однофазные электрические цепи переменного тока называется фазой синусоиды.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одинаковой частоты определяет угол сдвига фаз этих величин:

Однофазные электрические цепи переменного тока

При вращении против часовой стрелки (рис. 10.4а) ЭДС в первой рамке достигает амплитудного и нулевого значения раньше, чем во второй, т. е. Однофазные электрические цепи переменного тока опережает по фазе Однофазные электрические цепи переменного тока или Однофазные электрические цепи переменного тока отстает по фазе Однофазные электрические цепи переменного тока(рис. 10.46). Угол сдвига фаз Однофазные электрические цепи переменного тока показывает, на какой угол синусоидальная величина опережает или отстает от другой, достигает своих амплитудных и нулевых значений раньше позже).

Две синусоидальные величины одинаковой частоты, достигаю-одновременно своих амплитудных (одного знака) и нулевых сечений, считаются совпадающими по фазе (рис. 10.5а).

Однофазные электрические цепи переменного тока

Если две синусоиды одинаковой частоты достигают одновременно своих нулевых и амплитудных значений разных знаков (рис. 10.56), то они находятся в противофазе.

Время, на которое одна синусоидальная величина опережает и отстает от другой, характеризует время сдвига фаз Однофазные электрические цепи переменного тока, которое можно выразить через период Т и частоту Однофазные электрические цепи переменного тока синусоиды следующим образом:

Однофазные электрические цепи переменного тока

Среднее и действующее значения переменного тока

Кроме амплитудных и мгновенных значений переменный ток, напряжение, ЭДС характеризуются еще средними и действующими (эффективными) значениями.

Среднее значение переменного тока

Среднее значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, при котором через поперечное сечение провод-проходит то же количество электричества Q, что и при переменном токе.

Таким образом, среднее значение переменного тока эквивалентно постоянному току по количеству электричества Q, проходящему через поперечное сечение проводника в определенный промежуток времени.

Средние значения переменных величин обозначаются прописными буквами с индексом «с», т. е. Однофазные электрические цепи переменного тока.

Если ток изменяется по синусоидальному закону, то за половину периода через поперечное сечение проводника проходит определенное количество электричества Q в определенном направлении, а за вторую половину периода через то же сечение проходит то же количество электричества в обратном направлении. Таким образом, среднее значение синусоидального тока за период равно нулю, т. е. Однофазные электрические цепи переменного тока = 0.

Поэтому для синусоидального переменного тока определяется его среднее значение за половину периода Т/2, т. е.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Из выражения (2.1) значение переменного тока Однофазные электрические цепи переменного тока, откуда Однофазные электрические цепи переменного тока. Следовательно, среднее значение синусоидального тока Однофазные электрические цепи переменного тока с начальной фазой Однофазные электрические цепи переменного тока = 0 за полупериод определяется (рис. 10.6) выражением 

Однофазные электрические цепи переменного тока

где Однофазные электрические цепи переменного тока

Графически среднее за полупериод значение синусоидального тока равно высоте прямоугольника с основанием, равным Т/2, и площадью, равной площади, ограниченной кривой тока и осью абсцисс за половину периода (рис. 10.6).

Однофазные электрические цепи переменного тока

Под средним значением переменной величины понимают постоянную составляющую этой величины.

Средние значения синусоидального напряжения и ЭДС за полупериод можно определить по аналогии с током.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Действующее значение переменного тока

Действующее (или эффективное) значение переменного тока — значение переменного тока, эквивалентное постоянному току тепловому действию.

Действующее значения переменных величин обозначается прочими буквами без индексов: I, U, Е.

Действующее значение переменного тока I равно величине такого постоянного тока, которое за время, равное одному периоду первого тока Т, выделит в том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток i:

Однофазные электрические цепи переменного тока

Откуда действующее значение переменного тока 

Однофазные электрические цепи переменного тока

Если переменный ток изменяется по синусоидальному закону с начальной фазой, равной нулю, т.е. Однофазные электрические цепи переменного тока, то действующее сечение такого синусоидального тока будет равно

Однофазные электрические цепи переменного тока

Действующее значение синусоидального тока в Однофазные электрические цепи переменного тока=1 ,41 раза меньше его амплитудного значения. Так же можно определить действующие значения синусоидального напряжения и ЭДС.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Номинальные значения тока и напряжения в электрических цепей и устройствах выражаются их действующими значениями.

Так, например, стандартные напряжения электрических сетей U= 127 В или U = 220 В выражают действующие значения этих напряжений. А изоляцию необходимо рассчитывать на амплитудное значение этих напряжений, т. е.

Однофазные электрические цепи переменного тока

При расчете цепей переменного тока и их исследованиях чаще всего пользуются действующими (эффективными) значениями тока, напряжения и ЭДС.

На шкалах измерительных приборов переменного тока указывается действующие значение переменного тока или напряжения.

Именно действующие значения тока, напряжения и ЭДС указываются в технической документации, если нет специальных оговорок.

Коэффициенты формы и амплитуды

Отклонения кривых тока, напряжения и ЭДС от синусоиды характеризуются коэффициентами формы Однофазные электрические цепи переменного тока и амплитуды Однофазные электрические цепи переменного тока.

Коэффициент формы Однофазные электрические цепи переменного тока определяется отношением действующего значения переменной величины к ее среднему значению:

Однофазные электрические цепи переменного тока

Коэффициент формы необходимо учитывать при проектировании и изучении выпрямительных устройств и электрических машин.

Для синусоидальных величин коэффициент формы будет равен

Однофазные электрические цепи переменного тока

Коэффициент амплитуды Однофазные электрические цепи переменного тока определяется отношением амплитудного значения переменной величины к ее действующему значению: 

Однофазные электрические цепи переменного тока

Для синусоидальных величин коэффициент амплитуды равен

Однофазные электрические цепи переменного тока

Чем больше коэффициент формы и коэффициент амплитуды отличается от значений Однофазные электрические цепи переменного тока= 1,11 и Однофазные электрические цепи переменного тока = 1,41, тем больше рассматриваемая кривая отличается от синусоиды. Так, например, если Однофазные электрические цепи переменного тока = 1,41, то исследуемая кривая имеет более острую форму, чем синусоида, а если Однофазные электрические цепи переменного тока< 1,41, то более тупую.

График прямоугольной формы имеет коэффициент амплитуды 1.

Векторные диаграммы

Для наглядности синусоидальные величины изображают векторами, вращающимися против часовой стрелки со скоростью, равной угловой частоте со этих синусоид. Так как эти векторы изображают синусоиды в начальный момент времени (t = 0), то они подвижны. Длина вектора в выбранном масштабе определяется амплитудой синусоиды, а угол поворота вектора против часовой стрелки относительно положительного направления оси абсцисс начальной фазе синусоиды. Таким образом, вектор учитывают все значения, характеризующие синусоидальную величину — амплитуду, угловую частоту и начальную фазу, пример, три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты

Однофазные электрические цепи переменного тока

можно изобразить векторами (рис. 10.7).

Однофазные электрические цепи переменного тока

Совокупность нескольких векторов, изображающих синусоидальные величины одинаковой частоты в начальный момент времени, называется векторной диаграммой.

На векторной диаграмме (рис. 10.7) на-ю видны величины синусоид (ампли-), их начальные фазы и углы сдвига между ними. Очевидно, наибольшую амплитуду имеет ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока, а наименьшую ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока опережает по фазе Однофазные электрические цепи переменного тока угол 45°, а ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока отстает от ЭДС Однофазные электрические цепи переменного тока по фазе на угол 105° и т. д. Начало отсчета времени можно выбирать произвольно, т. е. один из векторов векторной диаграммы направляется произвольно, а остальные векторы (соответствующих длин) изображаются отношению к нему под углами, равными углам сдвига фаз между ними (рис. 10.8). При указанном ЭДС могут быть записаны так:

Однофазные электрические цепи переменного тока    Однофазные электрические цепи переменного тока

При этом амплитуды ЭДС и углы сдвига фаз остаются неизменными (как и угловая частота), а меняются только начальные фазы синусоид, изображенных на векторной диаграмме (рис. 10.7). В расчетах, если специально не оговорено, начальные фазы не играют роли.

Сложение синусоидальных величин

Сложение и вычитание синусоидальных величин одинаковой частоты можно осуществлять аналитически и графически. В результате такого сложения (вычисления) получается синусоида с той же частотой, с определенной амплитудой и определенной начальной фазой.

Аналитическое сложение предусматривает сложение мгновенных значений синусоидальных величин, выраженных аналитически, т. е.

Однофазные электрические цепи переменного тока

где Однофазные электрические цепи переменного тока

Тогда

Однофазные электрические цепи переменного тока

Математический анализ позволяет определить суммарную ЭДС е и ее аналитическое выражение.

Графическое сложение можно осуществлять по: 1) волновым (временном) диаграммам и 2) векторным диаграммам.

1. Графическое сложение по временным диаграммам (рис. 10.9) осуществляется следующим образом: ординаты суммарной синусоиды определяются сложением ординат слагаемых синусоид в различные моменты времени.

Как видно, в рассматриваемом примере амплитуда суммарной синусоиды не равна алгебраической сумме амплитуд слагаемых синусоид. Начальная фаза суммарной синусоиды также не является результатом арифметических действий, т.е. по временным диаграммам производятся только графические действия.

2. Графическое сложение по векторным диаграммам осуществляется в следующей последовательности. Прежде всего необходимо построить векторную диаграмму слагаемых синусоидальных величин (рис. 10.10а).

Определение вектора, изображающего суммарную синусоиду, осуществляется сложением векторов слагаемых синусоид по правилу многоугольника, т. е. из какой-либо точки О изображают вектор, соответствующий первой слагаемой синусоиде 10.106), из конца этого вектора изображают вектор, соответствующий второй слагаемой синусоиде, и т.д.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Вектор, соответствующий суммарной синусоиде, проводят из и О к концу последней слагаемой синусоиды.

Тот вектор (рис. 10.106), в масштабе изображения слагаемых синусоид, соответствует амплитуде суммарной синусоиды Однофазные электрические цепи переменного тока. Угол поворота этого вектора против часовой стрелки относительно положительного направления оси абсцисс соответствует положительному значению начальной фазы Однофазные электрические цепи переменного тока суммарной синусоиды, угловая частота суммарной синусоиды равна частоте слагаемых синусоид.

Вычитание синусоидальной величины равносильно умножение этой величины на отрицательную единицу (—1), что соответствует повороту вектора этой величины на 180″ (рис. 10.10 в).

Сложение и вычитание синусоидальных величин по векторный диаграммам рассматривается в примере 10.1.

Пример 10.1

Заданы мгновенные значения четырех токов:

Однофазные электрические цепи переменного тока

Определить:

1)суммарный ток при условии Однофазные электрические цепи переменного тока

2)суммарный ток при условии Однофазные электрические цепи переменного тока

3)частоту f всех синусоид.

Решение

Для построения векторной диаграммы слагаемых токов задаются определенным масштабом токов Однофазные электрические цепи переменного тока (например, Однофазные электрические цепи переменного тока= 1 А/см). В этом масштабе построена векторная диаграмма токов на рис. 10.10а.

1. Для определения суммарного тока производится сложение векторов по правилу многоугольника (рис. 10.106). Суммарный ток в результате сложения будет равен Однофазные электрические цепи переменного токаОднофазные электрические цепи переменного тока. Амплитуда суммарного тока Однофазные электрические цепи переменного тока= 1,5 А определена из многоугольника в выбранном масштабе, а начальная фаза его измерена транспортиром Однофазные электрические цепи переменного тока= 90°.

2. Построение многоугольника для заданного условия показано на рис. 10.10в. Из многоугольника определяется результирующий ток

Однофазные электрические цепи переменного тока

3. Частота слагаемых и результирующих токов будет равна

Однофазные электрические цепи переменного тока

В заключение можно сделать вывод, что самым удобным и, следовательно, распространенным методом сложения синусоидальных величин является метод графического сложения по векторным диаграммам. Этот метод и будет использован при расчете электрических цепей однофазного и трехфазного тока, изменяющегося по синусоидальному закону.

Так как действующие значения синусоидальных величин пропорциональны их амплитудным значениям (см. (10.9)), то вектор, отражающий в определенном масштабе амплитудное значение, в этом масштабе представляет действующее значение той же вены. Исходя из этого, в дальнейшем на векторных диаграммах будут изображаться векторы, в определенном масштабе представляющие не амплитудное, а действующее значение синусоидальной вены, которое чаще всего используется при расчетах цепей переменного тока.

  • Однофазные цепи синусоидального тока
  • Законы и правила Кирхгофа для электрических цепей
  • Линии с распределенными параметрами
  • Идеализированные пассивные элементы
  • Закон Ома для замкнутой цепи
  • Энергия и мощность электрического тока 
  • Закон Джоуля — Ленца для тока
  • Режимы работы электрических цепей
Автор статьи

Демьян Бондарь

Эксперт по предмету «Электроника, электротехника, радиотехника»

преподавательский стаж — 5 лет

Задать вопрос автору статьи

Параметры цепей синусоидального электрического тока

Определение 1

Переменный ток – это электрический ток, который изменяется во времени по какому-либо закону.

В том случае, когда форма кривых величины переменного тока и напряжения повторяется через одинаковые промежутки времени, то они являются периодическими. Наименьшее время, через которое повторяется форма кривых величины переменного тока и напряжения называется периодом. Количество периодов за одну секунду называется частотой, она может быть рассчитана по следующей формуле:

$f = 1 / T$

где, Т — период.

Самыми простыми периодическими переменными напряжения и величины тока являются токи и напряжения синусоидальной формы:

$u(t) = Um*sin(wt+фu)$

$i(t) = Im*sin(wt+фi)$

где, u(t), i(t) — мгновенные значения напряжения и тока; Im, Um — амплитудные значения тока и напряжения; фu, фi — начальные фазы напряжения и тока; w — угловая скорость.

Определение 2

Угол сдвига фаз – это разница начальных фаз тока и напряжения.

Угол сдвига фаз обозначается следующим образом:

$О = фu — фi$

Известно, что комплексное число можно представить в виде вектора на комплексной плоскости, а мнимая и действительная часть части комплексного числа являются проекциями вектора на мнимую и вещественную оси.

График. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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

«Расчет однофазной цепи синусоидального тока» 👇

В электротехнике за мнимую единицу принята буква j.

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где, А — модуль; ф — фаза или аргумент

Допустим, что вектор А на комплексной плоскости вращается против часовой стрелки с угловой скоростью, то комплексное число запишется следующим образом

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Оператор вращения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 4. Оператор вращения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом видно, что мгновенные значения синусоидального тока и напряжения похожи на мнимую часть вращающегося комплексного числа:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где, Im — комплексная амплитуда тока; Um — комплексная амплитуда напряжения.

Допустим, что

$i(t)=5sin(wt + 30)$

Тогда максимальное значение в комплексной форме будет выглядеть следующим образом

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 6. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Действующее значение в комплексной форме можно записать так:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 7. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Если

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 8. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

То мгновенное значение можно записать в следующем виде:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 9. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Получается, что мгновенные реальные значения синусоидального тока и напряжения могут быть заменены комплексной амплитудой или комплексным действующим значением напряжения и тока.

Расчет однофазной цепи синусоидального тока

Рассмотрим схему электрической цепи однофазного синусоидального тока, которая представлена на рисунке ниже

Схема цепи однофазного синусоидального тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 10. Схема цепи однофазного синусоидального тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Допустим, что нам известны следующие значения:

Формулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 11. Формулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В данном случае расчет будет производиться методом контурных токов. Значение контурного тока I22 принимается равным значению источника тока J1, уравнение для контурного тока I11 будет выглядеть следующим образом:

$I11 * (R3 + jx2) — I22 * jx2 = E3$

Отсюда

$I11 = (I22jx2 – E3) / (R3 + jx2) = (j1 *j10 – j10) / (10 + j10) = –1 A$

Ток в третьей ветви рассматриваемой цепи равен контурному току I11, который в показательной форме комплексного числа будет выглядеть следующим образом:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 12. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Электрический ток во второй ветви цепи представляет собой алгебраическую сумму контурных токов, проходящих через эту ветвь:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 13. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Полная мощность приемников может быть рассчитана следующим образом:

$Sпр = Рпр + Qпр$

где: Р — активная мощность приемников; Q — реактивная мощность приемников

Для расчета активной мощности рассматриваемой электрической цепи используется следующая формула:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 14. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Реактивная мощность может быть определена следующим образом:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 15. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, полная мощность, выделяемая источниками в схему определяется по формуле:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 16. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим схему на рисунке ниже

Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 17. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Нам известны следующие величины:

  1. U(t) = 10sin(wt+90)
  2. R1 = 2 Ом
  3. х1 = 2 Ом
  4. R2 = 2 Ом
  5. R3 = 2 Ом
  6. х3 = 4 Ом

Нам необходимо рассчитать I1 в неразветвленной части выше представленной схемы.

Функция времени U(t) = 10sin(wt + 90) в виде показательной комплексного числа будет выглядеть следующим образом:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 18. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Сначала необходимо рассчитать входное сопротивление рассматриваемой схемы относительно зажимов источника напряжения:

$Z = R1 + x1 + (R2 * (R3 – jx3)) / (R2 + R3 + jx3) = 2 + j2 + ((4 – j8) / 4 – j4)) = 2 + j2 + ((4 – j8) * (4 + j4)) / 16 + 16 = 2 + j2 + ((16 – j32 + j16 + 32) / 16 + 16) = 2 + j2 + ((48 – j16) / 32) = 2 + j2 + 1.5 – j0.5 = 3.5 – j1.5$

Теперь можно рассчитать ток I1 по закону Ома

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 19. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим схему на рисунке ниже

Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 20. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Известны следующие значения

значения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 21. значения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Необходимо определить напряжение U31

Принимаем за базисный узел — первый, то есть ф1 = 0. Потенциалы второго и четвертого узлов рассматриваемой схемы определяются следующим образом:

$ф2 = Е5$

$ф4 = –Е4$

Уравнение для третьего потенциала будет выглядеть следующим образом:

$ф3 * ((1 / –jx2) + (1 / (R3 – jx3))) – ф2 * (1 / (R3 + jx3)) + ф4 * (1 / –jx2) = –J1$

Если мы подставим в получившееся уравнение численные значения, то получим:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 22. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Из последнего выражения можно выразить потенциал третьего узла

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 23. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Так как ф3 = U31, то мгновенное значение напряжения можно записать следующим образом:

Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 24. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Включение потребителей в бытовые или промышленные электрические сети с использованием кабеля меньшей мощности, чем это необходимо, может вызвать серьезные негативные последствия. В первую очередь это приведет к постоянному срабатыванию автоматических выключателей или перегоранию плавких предохранителей. При отсутствии защиты питающий провод или кабель может перегореть. В результате перегрева изоляция оплавляется, а между проводами возникает короткое замыкание. Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо заранее выполнить расчет тока по мощности и напряжению, в зависимости от имеющейся однофазной или трехфазной электрической сети.

Для чего нужен расчет тока

Расчет величины тока по мощности и напряжению выполняется еще на стадии проектирования электрических сетей объекта. Полученные данные позволяют правильно выбрать питающий кабель, к которому будут подключаться потребители. Для расчетов силы тока используется значение напряжения сети и полной нагрузки электрических приборов. В соответствии с величиной силы тока выбирается сечение жил кабелей и проводов.
Расчет тока по мощности и напряжению
Если все потребители в доме или квартире известны заранее, то выполнение расчетов не представляет особой сложности. В дальнейшем проведение электромонтажных работ значительно упрощается. Таким же образом проводятся расчеты для кабелей, питающих промышленное оборудование, преимущественно электрические двигатели и другие механизмы.

Расчет тока для однофазной сети

Измерение силы тока производится в амперах. Для расчета мощности и напряжения используется формула I = P/U, в которой P является мощностью или полной электрической нагрузкой, измеряемой в ваттах. Данный параметр обязательно заносится в технический паспорт устройства. U – представляет собой напряжение рассчитываемой сети, измеряемое в вольтах.

Взаимосвязь силы тока и напряжения хорошо просматривается в таблице:

Электрические приборы и оборудование

Потребляемая мощность (кВт)

Сила тока (А)

Стиральные машины

2,0 – 2,5

9,0 – 11,4

Электрические плиты стационарные

4,5 – 8,5

20,5 – 38,6

Микроволновые печи

0,9 – 1,3

4,1 – 5,9

Посудомоечные машины

2,0 – 2,5

9,0 – 11,4

Холодильники, морозильные камеры

0,14 – 0,3

0,6 – 1,4

Электрический подогрев полов

0,8 – 1,4

3,6 – 6,4

Мясорубка электрическая

1,1 – 1,2

5,0 – 5,5

Чайник электрический

1,8 – 2,0

8,4 – 9,0

Таким образом, взаимосвязь мощности и силы тока дает возможность выполнить предварительные расчеты нагрузок в однофазной сети. Таблица расчета поможет подобрать необходимое сечение провода, в зависимости от параметров.

Диаметры жил проводников (мм)

Сечение жил проводников (мм2)

Медные жилы

Алюминиевые жилы

Сила тока (А)

Мощность (кВт)

Сила (А)

Мощность (кВт)

0,8

0,5

6

1,3

0,98

0,75

10

2,2

1,13

1,0

14

3,1

1,38

1,5

15

3,3

10

2,2

1,6

2,0

19

4,2

14

3,1

1,78

2,5

21

4.6

16

3,5

2,26

4,0

27

5,9

21

4,6

2,76

6,0

34

7,5

26

5,7

3,57

10,0

50

11,0

38

8,4

4,51

16,0

80

17,6

55

12,1

5,64

25,0

100

22,0

65

14,3

Расчет тока для трехфазной сети

В случае использования трехфазного электроснабжения вычисление силы тока производится по формуле: I = P/1,73U, в которой P означает потребляемую мощность, а U – напряжение в трехфазной сети. 1,73 является специальным коэффициентом, применяемым для трехфазных сетей.
Расчет тока по мощности и напряжению
Так как напряжение в этом случае составляет 380 вольт, то вся формула будет иметь вид: I = P/657,4.

Точно так же, как и в однофазной сети, диаметр и сечение проводников можно определить с помощью таблицы, отражающей зависимости этих параметров от различных нагрузок.

Диаметры жил проводников (мм)

Сечение жил проводников (мм2)

Медные жилы

Алюминиевые жилы

Сила тока (А)

Мощность (кВт)

Сила (А)

Мощность (кВт)

0,8

0,5

6

2,25

0,98

0,75

10

3,8

1,13

1,0

14

5,3

1,38

1,5

15

5,7

10

3,8

1,6

2,0

19

7,2

14

5,3

1,78

2,5

21

7,9

16

6,0

2,26

4,0

27

10,0

21

7,9

2,76

6,0

34

12,0

26

9,8

3,57

10,0

50

19,0

38

14,0

4,51

16,0

80

30,0

55

20,0

5,64

25,0

100

38,0

65

24,0

В некоторых случаях расчет тока по напряжению и мощности следует проводить с учетом полной реактивной мощности, присутствующей в электродвигателях, сварочном и другом оборудовании. Для таких устройств коэффициент мощности будет равен 0,8.

Как рассчитать мощность тока

Выберите подписку для получения дополнительных возможностей Kalk.Pro

Любая активная подписка отключает

рекламу на сайте

    • Доступ к скрытым чертежам
    • Безлимитные сохранения расчетов
    • Доступ к скрытым чертежам
    • Безлимитные сохранения расчетов
    • Доступ к скрытым чертежам
    • Безлимитные сохранения расчетов
    • Доступ к скрытым чертежам
    • Безлимитные сохранения расчетов

Более 10 000 пользователей уже воспользовались расширенным доступом для успешного создания своего проекта. Подробные чертежи и смета проекта экономят до 70% времени на подготовку элементов конструкции, а также предотвращают лишний расход материалов.

Подробнее с подписками можно ознакомиться здесь.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти объемные проценты
  • Как исправить форму яблони
  • Как исправить все ошибки на компьютере разом
  • Как по геоданным найти человека телефону
  • Как составить бизнес план для ооо образец