Большая советсткая энциклопедия Переменный ток

Переменный ток

Переменный ток, в широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени. Обычно в технике под П. т. понимают периодический ток, в котором среднее значение за период силы тока и напряжения равно нулю. Периодом Т П. т. называют наименьший промежуток времени (выраженный в сек), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются (рис. 1). Важной характеристикой П. т. является его частота f — число периодов в 1 сек: f = 1/Т. В электроэнергетических системах СССР и большинства стран мира принята стандартная частота f = 50 гц, в США — 60 гц. В технике связи применяются П. т. высокой частоты (от 100 кгц до 30 Ггц). Для специальных целей в промышленности, медицине и др. отраслях науки и техники используют П. т, самых различных частот, а также импульсные токи (см. Импульсная техника).

Для передачи и распределения электрической энергии преимущественно используется П. т. благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности (см. Передача электроэнергии, Электрическая цепь). Широко применяются трёхфазные системы П. т. (см. Трёхфазная цепь). Генераторы и двигатели П. т. по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. П. т. может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в П. т. другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели П. т. (асинхронные и синхронные) для всех видов электроприводов, требующих плавного регулирования скорости.

П. т. широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.).

П. т. создаётся переменным напряжением. Переменное электромагнитное поле, возникающее в пространстве, окружающем проводники с током, вызывает колебания энергии в цепи П. т.: энергия периодически то накапливается в магнитном или электрическом поле, то возвращается источнику электроэнергии. Колебания энергии создают в цепи П. т. реактивные токи, бесполезно загружающие провода и источник тока и вызывающие дополнительные потери энергии, что является недостатком передачи энергии П. т.

За основу для характеристики силы П. т. принято сопоставление среднего теплового действия П. т. с тепловым действием постоянного тока соответствующей силы. Полученное таким путём значение силы П. т. I называется действующим (или эффективным) значением, математически представляющим среднеквадратичное за период значение силы тока. Аналогично определяется и действующее значение напряжения П. т. U. Амперметры и вольтметры П. т. измеряют именно действующие значения тока и напряжения.

В простейшем и наиболее важном на практике случае мгновенное значение силы i П. т. меняется во времени t по синусоидальному закону: i = I_m sin (wt + a), где I_m — амплитуда тока, w = 2pf — его угловая частота, a — начальная фаза. Синусоидальный (гармонический) ток создаётся синусоидальным напряжением той же частоты: u = U_m sin (wt + b), где U_m — амплитуда напряжения, b — начальная фаза (рис. 2). Действующие значения такого П. т. равны: I = l_m/ " 0,707 I_m, U = U_m/ " 0,707 U_m. Для синусоидальных токов, удовлетворяющих условию квазистационарности (см. Квазистационарный ток; в дальнейшем будут рассматриваться только такие токи), справедлив Ома закон (закон Ома в дифференциальной форме справедлив и для неквазистационарных токов в линейных цепях). Из-за наличия в цепи П. т. индуктивности или (и) ёмкости между током i и напряжением u в общем случае возникает сдвиг фаз j = b — a, зависящий от параметров цепи (активного сопротивления r, индуктивности L, ёмкости С) и угловой частоты w. Вследствие сдвига фаз средняя мощность Р Т. т., измеряемая ваттметром, меньше произведений действующих значений тока и напряжения: Р = IU cosj.

В цепи, не содержащей ни индуктивности, ни ёмкости, ток совпадает по фазе с напряжением (рис. 3). Закон Ома для действующих значений в этой цепи будет иметь такую же форму, как для цепи постоянного тока: I = U/r. Здесь r — активное сопротивление цепи, определяемое по активной мощности Р, затрачиваемой в цепи: r = P/I².

При наличии в цепи индуктивности L П. т. индуцирует в ней эдс самоиндукции e_L = — L^. di/dt = — wLl_m cos (wt + a) = wLI_m sin (wt + a — p/2). Эдс самоиндукции противодействует изменениям тока, и в цепи, содержащей только индуктивность, ток отстаёт по фазе от напряжения на четверть периода, то есть j=p/2 (рис. 4). Действующее значение e_L равно E_L = IwL = Ix_L, где x_L = wL — индуктивное сопротивление цепи. Закон Ома для такой цепи имеет вид: I = U/x_L = U/wL.

Когда ёмкость С включена под напряжение u, то её заряд равен q = Cu. Периодические изменения напряжения вызывают периодические изменения заряда, и возникает ёмкостный ток i = dq/dt = C×du/dt = (CU_m cos (wt + b) = wCU_m sin (wt + b + p/2). Таким образом, синусоидальный П. т., проходящий через ёмкость, опережает по фазе напряжение на её зажимах на четверть периода, то есть j = —p/2 (рис. 5). Эффективные значения в такой цепи связаны соотношением I = wCU = U/x_c, где x_c = 1/wС — ёмкостное сопротивление цепи.

Если цепь П. т. состоит из последовательно соединённых r, L и С, то её полное сопротивление равно , где x = x_L — x_c = wL — ¹/_wC — реактивное сопротивление цепи П. т. Соответственно, закон Ома имеет вид: ,а сдвиг фаз между током и напряжением определяется отношением реактивного сопротивления цепи к активному: tgj = х/r. В такой цепи при совпадении частоты w вынужденных колебаний, создаваемых источником П. т., с резонансной частотой w₀ = 1/ индуктивное и ёмкостное сопротивления равны (wL = 1/wС) и полностью компенсируют друг друга, сила тока максимальна и наблюдается явление резонанса (см. Колебательный контур). В условиях резонанса напряжения на индуктивности и ёмкости могут значительно (часто во много раз) превышать напряжение на зажимах цепи.

Облегчение расчётов цепей синусоидальных П. т. достигается построением так называемых векторных диаграмм. Векторы синусоидальных тока и напряжения принято помечать точкой над буквенным обозначением ( ). Длины векторов обычно берутся равными (в масштабе построения диаграммы) действующим значениям I и U, а углы между векторами — равными сдвигам фаз между мгновенными значениями соответствующих величин. Алгебраическому сложению мгновенных значений синусоидальных величин одной и той же частоты соответствует геометрическое сложение векторов этих величин. На рис. 6 показана векторная диаграмма для цепи П. т. с последовательно соединёнными r, L, С. Мгновенное значение напряжения на зажимах этой цепи равно алгебраической сумме напряжений на активном и реактивном сопротивлениях: u = u_L + u_r + u_c, следовательно, . При построении диаграммы исходным служит вектор тока, так как во всех участках неразветвлённой цепи ток один и тот же. Поскольку индуктивное напряжение опережает по фазе ток на p/2, а ёмкостное отстаёт от тока на p/2 (то есть они находятся в противофазе), при последовательном соединении они друг друга частично компенсируют.

Векторные диаграммы наглядно иллюстрируют ход вычислений и служат для контроля над ними; построенные с соблюдением масштаба, они позволяют графически определить эффективное напряжение U в цепи и угол сдвига фаз j.

Для расчётов разветвленных цепей квазистационарного П. т. используют Кирхгофа правила. При этом обычно применяют метод комплексных величин (символический метод), который позволяет выразить в алгебраической форме геометрические операции с векторами П. т. и применить, таким образом, для расчётов цепей П. т. все методы расчётов цепей постоянного тока.

Несинусоидальность П. т. в электроэнергетических системах обычно нежелательна, и принимаются специальные меры для её подавления. Но в цепях электросвязи, в полупроводниковых и электронных устройствах несинусоидальность создаётся самим рабочим процессом. Если среднее за период значение тока не равно нулю, то он содержит постоянную составляющую. Для анализа процессов в цепях несинусоидального тока его представляют в виде суммы простых гармонических составляющих, частоты которых равны целым кратным числам основной частоты: I = i₀ + I_1m sin (wt + a₁)+ I_2m sin (2wt + a₂) +... + l_km sin (kwt + a_k). Здесь I₀ — постоянная составляющая тока, I_imsin (wt + a₁) — первая гармоническая составляющая (основная гармоника), остальные члены — высшие гармоники. Расчёт линейных цепей несинусоидального тока на основании принципа суперпозиции (наложения) ведётся для каждой составляющей (так как x_L и x_c зависят от частоты). Алгебраическое сложение результатов таких расчётов даёт мгновенное значение силы (или напряжения) несинусондального тока.

Лит.: Теоретические основы электротехники, 3 изд., ч. 2, М., 1970; Нейман Л. Р., Демирчан К. С., Теоретические основы электротехники, т. 1—2, М.— Л., 1966; Касаткин А. С., Электротехника, 3 изд., М., 1974; Поливанов К. М., Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными, М., 1972 (Теоретические основы электротехники, т. 1).

А. С. Касаткин.