AC jednofázový proud

Proud, jehož hodnota a směr se v čase mění, se nazývá střídavý. V praxi se používá střídavý proud, který se periodicky mění podle sinusového zákona (obr. 1).

Sinusové veličiny jsou charakterizovány následujícími hlavními parametry: periodou, frekvencí, amplitudou, počáteční fází nebo fázovým posunem.

Obr. 1 Graf sinusového tvaru veličiny

Období (T) je čas (s), během kterého proměnná veličina vykoná kompletní oscilaci.

Frekvence — počet period za sekundu. Jednotkou frekvence je Hertz (zkráceně Hz), 1 Hz se rovná jednomu kmitu za sekundu. Perioda a frekvence souvisí závislostí

V zemích bývalého SSSR má průmyslový střídavý proud frekvenci 50 Hz. Lze si představit, že polarita svorek zdroje střídavého proudu s frekvencí 50 Hz se mění 100krát za sekundu.

Sinusová veličina (napětí, proud, elektromotorická síla) se v průběhu času mění a nabývá různých hodnot. Hodnota veličiny v daném okamžiku se nazývá okamžitá.

Amplituda — největší hodnota sinusové veličiny. Amplitudy proudu, napětí a elektromotorické síly jsou označeny velkými písmeny s indexem: I_m, NEBO_m, E_ma jejich okamžité hodnoty jsou uvedeny malými písmeny i, u, e.

Okamžitá hodnota sinusové veličiny, jako je proud, se určí podle vzorce

, kde ωt + ψ je fázový úhel, který určuje hodnotu sinusové veličiny v daném okamžiku; ψ je počáteční fáze, tj. úhel, který určuje hodnotu veličiny v počátečním okamžiku.

Sinusové veličiny, které mají stejnou frekvenci, ale různé počáteční fáze, se nazývají fázově posunuté.

Rozdíl v počátečních fázích φ = ψ_i − ψ_u určuje úhel fázového posunu. Obr. 2 ukazuje grafy sinusových veličin (proud, napětí) posunutých ve fázi. Když jsou počáteční fáze dvou veličin rovny ψ_i = ψ_u, pak je rozdíl ψ_i − ψ_u = 0, a proto nedochází k fázovému posunu φ = 0 (obr. 3).

Účinnost mechanického a tepelného působení střídavého proudu se odhaduje jeho efektivní hodnotou. Efektivní hodnota střídavého proudu se rovná hodnotě stejnosměrného proudu, která během doby rovnající se jedné periodě střídavého proudu uvolní stejné množství tepla při stejném odporu jako střídavý proud. Efektivní hodnota se označuje velkými písmeny bez indexu: Já, U, E.

Obr. 2 Grafy sinusového proudu a napětí, fázově posunuté
Obr. 3 Grafy sinusového proudu a napětí ve fázi

Pro sinusové veličiny jsou efektivní a amplitudové hodnoty spojeny následujícími vztahy:

Efektivní hodnoty proudu a napětí se měří ampérmetry a voltmetry střídavého proudu a průměrná hodnota výkonu se měří wattmetry.

V obvodu střídavého proudu sestávajícím z rezistoru R jsou napětí a proud ve fázi. Obrázek 4 znázorňuje vektorový diagram proudu a napětí pro obvod s rezistorem.

Obr. 4 Elektrický obvod s rezistorem: a – schéma, b – vektorový diagram

Průměrný výkon rezistorového obvodu za danou periodu se nazývá činný výkon; rovná se součinu efektivních hodnot napětí a proudu:

Změna proudu v obvodu s indukčností L způsobuje elektromotorické sílu samoindukce, která podle Lenzova zákona působí proti změně proudu. Když proud roste, elektromotorické síla samoindukce působí proti proudu, a když klesá, působí ve směru proudu a působí proti jeho poklesu. V důsledku toho proud v obvodu s indukční cívkou zaostává za napětím o úhel. π/2 radiánů je čtvrtina periody (obr. 5).

Ohmův zákon pro střídavý obvod obsahující indukčnost bude

Hodnota x_L se nazývá indukční reaktance obvodu nebo reaktance induktoru; měří se v ohmech.

Indukční odpor se vypočítá pomocí vzorce

, kde ω = 2π F je úhlová frekvence (ω = 2 3,14 50), L je indukčnost cívky, G.

Když je kondenzátor připojen k obvodu střídavého proudu (obr. 6, a), dochází k nepřetržitému pohybu elektrických nábojů. Když napětí roste, proud v obvodu kondenzátoru se nabíjí, a když klesá, vybíjí se. Proud v obvodu obsahujícím kondenzátor proto předbíhá napětí o úhel π /2 radiánů (obr. 6, b).

Na vektorovém diagramu (obr. 6, c) je vektor proudu I c vede vektor aplikovaného napětí U c.

Výraz Ohmova zákona pro střídavý obvod obsahující kapacitu je

Hodnota x_c se nazývá kapacitní odpor nebo reaktance kapacity, která se určí podle vzorce

x_c = 1 / 2πfc = 1 / ωc.

Související příspěvky
7. června 2012
Prosince 29, 2011
Dubna 30, 2009

Když jsou induktor a kondenzátor zapojeny sériově, jejich reaktance se odečtou, tj.

Tato veličina se nazývá reaktance obvodu.

Geometrický součet činných a jalových odporů se rovná celkovému odporu elektrického obvodu, tj.

Tato závislost ukazuje, že pomocí hodnot R, x, z můžeme sestrojit odporový trojúhelník (obr. 7). Vynásobením hodnot stran tohoto trojúhelníku proudem v obvodu získáme napěťový trojúhelník. Vynásobením odporu druhou mocninou proudu získáme výkonový trojúhelník.

Obr. 5 Elektrický obvod s indukční cívkou:

a — diagram, b — grafy proudu, napětí, samoindukční elektromotorické síly, c — vektorový diagram

Obr. 6 Elektrický obvod s kondenzátorem:

a — diagram, b — lineární diagram proudu, napětí, c — vektorový diagram

Moc

Provoz elektrických instalací spotřebovává činný i jalový výkon a energii. Žárovky a elektrická topná zařízení spotřebovávají téměř pouze činný výkon. Stejné elektrické přijímače jako asynchronní elektromotory, transformátory, tlumivky, vedení pro přenos energie a další spotřebovávají činný i jalový výkon.

Obr. 7 Trojúhelník odpor elektrický obvod переменного тока

Potřeba elektrických instalací pro činný a jalový výkon je pokryta energií vyrobenou generátory elektráren. Činný výkon je spotřebiteli přeměňován na jiné druhy energie: tepelnou, světelnou, mechanickou atd. Jalový výkon spotřebovaný podniky je energie používaná k vytvoření střídavého magnetického toku (magnetického pole).

Magnetický tok, spojený s obrysem elektrického obvodu, je úměrný proudu v tomto obvodu. Mírou úměrnosti je tzv. indukčnost obvodu, která v každém konkrétním případě předurčuje číselný vztah mezi proudem a magnetickým tokem. V důsledku toho u každého obvodu střídavého proudu, ve kterém se napětí i proud mění podle periodické křivky, vzniká proměnný (periodicky se měnící) magnetický tok, který má setrvačnost. Proto se při jakémkoli zvýšení (nebo snížení) magnetického toku, způsobeném zvýšením (nebo snížením) síly proudu, musí nevyhnutelně objevit jakýsi setrvačný odpor magnetického toku. Tento odpor se projevuje ve formě elektromotorické síly samoindukce, což je elektromagnetická reakce vždy opačného znaménka ve vztahu ke změně magnetického toku.

To znamená, že elektromotorické síla samoindukce má vždy tendenci měnit sílu proudu takovým způsobem, aby oslabila nebo zpomalila změnu magnetického toku připojeného k obvodu. Z toho vyplývá, že střídavé napětí zdroje elektrické energie musí kromě složky vynaložené na tepelné procesy způsobené přítomností aktivního odporu obsahovat také takovou složku, která by v každém okamžiku kompenzovala elektromotorické sílu samoindukce. Okamžitá hodnota výkonu v obvodu střídavého proudu musí být tedy v každém okamžiku součtem dvou složek: činného výkonu vynaloženého na aktivní odpory a jalového výkonu způsobeného působením elektromotorického síly samoindukce. Během první čtvrtiny každé periody, kdy se proud zvyšuje z nuly na svou maximální hodnotu, se magnetický tok odpovídajícím způsobem zvyšuje (v důsledku překonání elektromotorického pole (samoindukce)). Současně se v magnetickém poli hromadí energie v důsledku jalového výkonu přicházejícího z generátoru do spotřebičového obvodu. Během druhé čtvrtiny každé periody, kdy se proud a magnetický tok snižují (z maximální hodnoty na nulu), klesá na nulu i energie magnetického pole. Toto snížení energie magnetického pole je doprovázeno návratem jalového výkonu z spotřebičového obvodu do generátoru (působením opačně směrovaného elektromotorického pole samoindukce).

Výkon použitý k vytvoření magnetického pole tedy během každé periody čtyřikrát změní směr a průměrná hodnota tohoto výkonu pro každou půlperiodu (nebo celočíselný počet period) je nulová, takže proces výměny výkonu mezi generátorem a spotřebičovým obvodem probíhá ve formě oscilačního procesu.

Účiník

Poměr činného výkonu (P) k zdánlivému výkonu (S) elektrické instalace se nazývá účiník:

cosφ = P / S =

P / √

P2 + Q2

, kde S, P, Q jsou celkový, činný a jalový výkon.

Plná síla určeno vzorcem

S = UI.

Zdánlivý výkon se měří ve voltampérech (VA).

Aktivní výkon určeno vzorcem

Činný výkon se měří ve wattech (W).

Relativní výkon určeno vzorcem

Reaktivní výkon se měří v reaktivních voltampérech (var).

Během provozu elektrických instalací se při změně velikosti a povahy zátěže mění účiník. Je určen odečtem činného a reaktivního elektroměru za určité časové období (den, měsíc, rok) podle vzorce

cosženatý =Wа 2 + Wр 2

, kde W_а — rozdíl v odečtech činného elektroměru; W_р — rozdíl v odečtech elektroměru jalové energie.

Takto získaný účiník se nazývá vážený průměr, tj. průměr.

Při nízkém účiníku se zvyšují energetické ztráty ve vodičích a pokud ztráty zůstávají nezměněny, je nutné použít vodiče se zvětšeným průřezem. Účiník je tedy ukazatelem účinnosti využití elektrické energie.

Hlavní opatření ke zvýšení účiníku a následně k úsporám energie jsou následující:

• správný výběr elektromotorů pro pracovní stroje podle výkonu, jejich plné zatížení během provozu a omezení chodu motorů na volnoběh;
• výběr elektromotorů s vyšším počtem otáček a vyšším účiníkem;
• přepínání vinutí motoru z trojúhelníku do hvězdy při částečném zatížení motoru (přibližně 0,4 P_н);
• zapojení statických kondenzátorů.

Téměř všichni začátečníci a majitelé domů často čelí problému: jaká je současná fáze běžného elektrického vedení? Takové otázky vyvstávají nejčastěji v procesu opravy některých elektrických spotřebičů. Když taková situace nastane, musíte v první řadě přemýšlet a dodržovat bezpečnostní opatření. A znalosti a dovednosti by měly ustoupit do pozadí. Hluboká znalost nejjednodušších zákonitostí současné generace a různých procesů, které se vyskytují přímo v domácích spotřebičích. Tyto znalosti vám mohou nejen pomoci najít řešení mnoha problémů, které u elektrických spotřebičů vznikají, ale také je vyřešit tím nejjednodušším a nejspolehlivějším způsobem. Téměř všichni konstruktéři a inženýři pracují na snížení počtu úrazů při opravách elektrické sítě nebo elektrických spotřebičů. Hlavním cílem spotřebitelů je dodržovat jasně definované normy a standardy.

Promluvme si o proudu podrobněji:

• jednofázový;
• dvoufázový;
• třífázový.

Jednofázový proud.

Jednofázovým proudem rozumíme střídavý proud generovaný v procesu rotačních akcí v oblasti magnetického pole vodiče nebo celé sady vodičů, které kombinují společný tok.

Jak již víte, jednofázový proud se přenáší pomocí dvou vodičů. Tyto dráty se nazývají:

1. Jeden vodič je přímo fáze;
2. Druhá je nula.

Napětí v těchto vodičích je 220 V.

Jednofázové napájení lze charakterizovat mnoha způsoby. Není žádným tajemstvím, že jednofázový proud je dodáván spotřebiteli pomocí:

1.Dva dráty;
2. Tři dráty.

První možnost pro napájení jednofázového proudu – dvouvodičové – používá dva vodiče, jak je zřejmé z názvu. Jeden vodič přenáší fázi a druhý je určen pro nulové napětí. Použití takového systému bylo téměř vždy středem zájmu při stavbě domů v SSSR.

Použití druhého zahrnuje přidání dalšího drátu. Používá se pro uzemnění. Hlavním účelem takového drátu je eliminovat možnost úrazu elektrickým proudem pro lidi. Je také potřeba odvádět proud v případě úniku a eliminovat poruchy elektrických spotřebičů.

Dvoufázový proud.

Každý rozumí pojmu dvoufázový elektrický proud – sloučení dvou jednofázových proudů, které mají navzájem fázový posun. Úhel posunu může být Pi2 nebo 90°.

Vytvoření dvoufázového proudu lze uvažovat pomocí příkladu. Je potřeba vzít dvě indukční cívky a umístit je do prostoru tak, aby osy těchto cívek byly na sebe kolmé. Poté je potřeba zapojit obě cívky na dvoufázový proud. V důsledku toho budeme mít systém, ve kterém se vytvořila 2 samostatná magnetická pole. Ve výsledném magnetickém poli se bude vektor otáčet stejnou rychlostí a pod stejným úhlem. V důsledku této rotace vzniká magnetické pole. Rotor s vinutími, které jsou vyrobeny ve formě zkratovaného „veverčího kola“ nebo kovového válce na hřídeli, se bude otáčet a tím uvádět různé částice do pohybu.
Přenos dvoufázového proudu se provádí pomocí dvou vodičů: dvoufázových a dvou neutrálních.

Třífázový proud.

Třífázový elektrický obvodový systém je obvykle chápán jako systém skládající se ze tří obvodů. V těchto obvodech jsou proměnné, EMF se stejnou frekvencí, které jsou stejně fázově a vzájemně posunuté o 1/3 periody (=2/3). Každý jednotlivý kus takového řetězce lze bezpečně nazvat jeho fází. A celkový systém je považován za třífázový proud. Třífázový proud lze bez větších potíží přenášet na poměrně velké vzdálenosti. Pár fázových vodičů má napětí 380V. Pokud je pár fázový a nulový – 220V.

Třífázový proud může být distribuován mezi bytové stavby následujícími způsoby:

Čtyřvodičové připojení – probíhá pomocí tří fází a jednoho nulového vodiče. Takový systém je před rozvodným panelem, po kterém se používají dva standardní vodiče – fázový a nulový, aby bylo napětí 220V.

Při připojení třífázového proudu s pěti vodiči musíte k již známému obvodu přidat další vodič, který poskytuje ochranu a uzemnění. V třífázové síti mají všechny fáze stejné zatížení, aby se zabránilo fázové nesymetrii. Možnost připojení určitých elektrických spotřebičů k síti závisí také na elektroinstalaci použité při stavbě domu. Například uzemnění je prostě nezbytné, pokud plánujete připojit k síti poměrně výkonné elektrické spotřebiče, jako je lednička, trouba, topení, počítač, TV, vířivka, sprcha. Třífázový proud se používá jako zdroj energie pro motory, které jsou mezi spotřebiteli velmi oblíbené.

Jak je uspořádána elektroinstalace v domácnosti?

Zpočátku se elektřina získává v elektrárnách. Poté se pomocí průmyslové napájecí sítě přenese do trafostanice a tam se napětí převede na 380V. Vinutí snižovacího transformátoru jsou zapojena podle principu „hvězdy“: všechny tři kontakty musí být připojeny k bodu „0“ a zbývající kontakty ke svorkám „A“, „B“ a „C“.

Všechny kontakty „0“, které byly zkombinovány, musí být připojeny k uzemněnému vodiči v rozvodně. Právě na území rozvodny je nula rozdělena na:

1.Pracovní nula;
2.PE vodič, který plní ochrannou funkci.

Po výstupu ze snižovacího transformátoru vstupují všechny nuly a fáze proudu do rozvaděče bytové výstavby. Výsledkem je třífázový systém, který je rozmístěn napříč všemi panely výškové budovy. Napětí 220V se dostane až ke koncovému spotřebiteli, PE vodič plní právě tuto ochrannou funkci.

Nyní se podívejme blíže na to, co tvoří nulovou a proudovou fázi? Za nulu se považuje proudový vodič, který je připojen k zemní smyčce ve snižovacím transformátoru. Je navržen tak, aby generoval proudové fázové zatížení. Vodič musí být připojen k vinutí transformátoru. Existuje také koncept jako „ochranná nula“ – to je přesně ten kontakt PE, který jsme popsali dříve. Jeho hlavním účelem je odvádět proud v případě poruch nebo poruch v obvodu.

Tato metoda je velmi oblíbená při připojování vícepodlažních budov k elektrické síti. Používají ho již mnoho desetiletí. Existují případy, kdy v systému dojde k poruchám. Důvodem je v zásadě špatná kvalita spojení v obvodu nebo přerušení vedení.

Co se stane v nule a fázi, když se přeruší drát.

Poměrně často dochází k přerušení vedení vinou řemeslníků – zapomenou připojit fázi nebo nulu. Takové poruchy jsou docela běžné. Poměrně často také dochází k procesu nulového vyhoření na přístupovém panelu, například kvůli vysokému zatížení systému.

Pokud dojde k přetržení v kterékoli části řetězu, přestane fungovat celý řetěz, protože otevře se. V takových situacích vůbec nezáleží na tom, který vodič je poškozen – fázový nebo nulový.

Totéž se stane, když dojde k přerušení mezi rozvodnou skříní výškové budovy a panelem ve vchodu. Při takovém poryvu budou všichni spotřebitelé, kteří byli připojeni k tomuto panelu, bez elektřiny.

Nastávají všechny situace, které jsme se pokusili popsat výše. Mohou se zdát komplikované, ale pro lidstvo nepředstavují žádné nebezpečí. Přeci jen k přerušení došlo pouze u jednoho drátu, takže to není vůbec nebezpečné.

Velmi alarmující je situace, kdy dojde ke ztrátě kontaktu mezi zemnící smyčkou v rozvodně a středním bodem, do kterého je přiváděno veškeré napětí vnitropodnikového panelu.

V tomto provedení se elektrický proud pohybuje podél obrysů AB, BC, CA. Celkové napětí těchto obvodů je 380V. Právě z tohoto důvodu nastává poměrně nebezpečná situace – jeden panel nemusí mít napětí vůbec, protože majitel vypne všechny elektrospotřebiče a na druhém se vytvoří velmi vysoká napěťová hladina, cca 380V. To může přispět k selhání mnoha zařízení, protože vyžadují napětí 220V.

Této situaci lze přirozeně předejít. Existuje spousta levného/drahého vybavení, které ochrání vaše zařízení před přepětím.

Součástí takového vybavení je také stabilizátor napětí. Existují následující typy stabilizátorů:

Jak zjistit, zda je fáze nebo nula?

K určení, zda je to nula nebo fáze, se doporučuje použít speciální zařízení – testovací šroubovák.

Toto zařízení funguje na principu vedení nízkonapěťového proudu tělem osoby, která jej používá. Šroubovák má následující součásti:

1. Očko, pomocí kterého je možné připojit k fázi ve vývodu;
2. Rezistor, který snižuje rozdíl v elektrickém proudu, dokud nedosáhne bezpečné úrovně;
3.LED, která se rozsvítí, pokud je fáze;
4.Plochý kontakt, který podporuje vznik sítě zahrnující tělo operátora.

Kromě testovacích šroubováků existují další možnosti, jak zjistit, který kontakt v zásuvce je vadný. Pomocí takového zařízení elektrikáři určují fázi a nulu v zásuvce. Někteří lidé jsou více zvyklí používat přesnější tester, který funguje jako voltmetr.

Na základě údajů z voltmetru můžeme říci:

1.O přítomnosti napětí 220V mezi nulou a fází;
2. O napětí mezi nulou a zemí nebo jeho nepřítomnosti;
3. O napětí mezi nulou a fází nebo jeho nepřítomnosti.