ОДНОФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Аннотация. Практически в домашних условиях применяют однофазный переменный ток, который получают с помощью генераторов переменного тока. Устройство и принцип действия этих генераторов основывается на явлении электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, проходящего через него. Это явление было открыто английским ученым М.Фарадеем (1791-1867) в 1831 г. Также однофазный переменный ток используется для передачи энергии на большие расстояния, так при его передаче теряется не так много энергии. Однофазный переменный ток используется при питание маломощных приборов.

Ключевые слова: Однофазный переменный ток, ЭДС, синусоида.

Цель: Узнать, как используется однофазный переменный ток в сельском хозяйстве

Методы исследования:

1) Теоретический.

2) Аналитический.

Актуальность:

Электрический ток, который через определенные промежутки времени изменяется по величине и направлению, называется переменным током. На практике главным образом используется переменный ток, изменяющийся с течением времени по синусоидальному закону – синусоидальный (периодический) переменный ток. Полный цикл изменения значений ЭДС или тока (один оборот рамки) происходит за время T (рис. 1), которое называется периодом.

Рисунок 1. График изменения ЭДС в течение периода

Количество циклов в течение секунды называется частотой переменной ЭДС или переменного тока и определяется выражением

f = 1 / T.

Частота измеряется в единицах в секунду (c-1) и выражается в герцах (Гц). Изменение величины угла поворота в течение 1 с называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ω. Угловая частота измеряется в радианах.  Текущие значения е, соответствующие различным моментам времени, называются мгновенными значениями ЭДС. Значение Em – максимальное значение ЭДС, называется амплитудным значением или амплитудой. Мгновенные значения переменных величин, изменяющихся по синусоидальному закону, определяются по формулам

E = EMsinωt; u = Umsinωt; I = Imsinωt.

Действующее значение переменного тока соответствует значению постоянного тока, который за время одного периода оказывает такое же тепловое (механическое и др.) действие, как и данный переменный ток. Действующие значения переменных ЭДС, напряжения и тока обозначаются соответственно буквами E, U и I, точно так же, как и в цепях постоянного тока.

Im / √2 = 0,707 Im = I

Аналогично получаются выражения

E = Em / √2 и U = Um  / √2

Помимо действующих ЭДС и токов в электролите рассматриваются и средние значение этих величин. Для несинусоидальных ЭДС, токов и напряжений среднее значение за полный период равно нулю, так как площади отрицательных и положительных полуволн синусоид по величине и различны по знаку. Для периодических величин, кривые которых симметричны относительно оси времени, принято определять среднее значение за положительный полупериод. Например, среднее значение синусоидального тока  В процессе вращения рамки изменяется угол ее поворота. Этот переменный угол α = ωt называется фазой ЭДС. Фазами ЭДС и тока являются аргументы синуса ωt + ψe и ωt + ψi. Величины ψe  и ψi, определяющие значение ЭДС и тока в начальный момент времени (t = 0), называются начальными фазами ЭДС и тока. На рисунке 1.36 приведен график синусоидальной ЭДС с начальной фазой ψe = 0, а на рисунке 1.96 – с начальной фазой  ψi ≠ 0.

Рисунок 2. График синусоидальных ЭДС с положительной (а) и  отрицательной (б) начальной фазой

На рисунке 3 приведены графики синусоидальных напряжения и тока, имеющих различные фазы ψu и ψi. Разность фаз ЭДС и тока одинаковой частоты называется сдвигом по фазе между ЭДС и током и обозначается буквой φ.

Рисунок 3. График синусоидальных ЭДС и тока со сдвигом по фазе φ

Графическое изображение переменных величин

На рисунке 1.97 приведен график изменения синусоидальных ЭДС и тока, имеющих разные начальные фазы, а следовательно, между ними будет иметь место сдвиг по фазе. Как видно из графика, напряжение опережает ток на угол сдвига φ. Заменим графики ЭДС и тока векторами. Примем начальную фазу тока ψi = 0 и отложим в некотором заданном масштабе вектор тока по оси абсцисс, а вектор напряжения – из начальной точки вектора тока под углом φ. Длина вектора напряжения зависит от выбранного масштаба, при этом он может отличаться от масштаба, принятого для вектора тока. Результат произведенной замены приведен на рисунке 1.3.

Рисунок 4. Векторная диаграмма ЭДС и тока

Полученное графическое изображение переменных ЭДС и тока в виде векторов называется векторной диаграммой.

Цепь переменного тока с активным сопротивлением

Сопротивление резистора в цепи переменного тока будет больше, чем сопротивление этого же резистора в цепи постоянного тока при одинаковых значениях постоянного и действующего напряжений. Это происходит за счет неравномерного распределения тока в проводнике и потерь энергии в окружающую среду. Поэтому в отличие от сопротивления постоянному току сопротивление r в цепи переменного тока называется активным. К нагрузке, обладающей при промышленной частоте только активным сопротивлением, относятся реостаты, электрические лампы, нагревательные приборы и другие подобные устройства. Рассмотрим цепь, содержащую резистор r (рис. 1.4). Напряжение u изменится по синусоидальному закону u = Umsin ωt.

Рисунок 5. Цепь переменного тока  с активным сопротивлением

Действующий ток 

I = U / r.

Для цепи, обладающей только активным сопротивлением r, ток и напряжение совпадают по фазе, следовательно, в любой момент времени в течение периода угол сдвига по фазе между векторами тока и напряжения φ = 0. Это видно из графиков тока и напряжения, представленных на рисунке 1.5. На этом же рисунке изображена векторная диаграмма, из которой так же следует, что направление векторов тока и напряжения совпадают.

Рисунок 6. График u = f(t), i = f(t) и векторная диаграмма цепи

Переменного тока с активным сопротивлением

Мгновенная мощность цепи ровна произведению мгновенных значений тока и напряжения:

P = ui = Umsin ωtImsinωt = UmImsin2 ωt = 2UIsin2 ωt.

Выполнив проверку U = Ir, можно записать

P = UI = I2r

Из формулы выше, следует, что средняя мощность в активном сопротивлении преобразуется в теплоту. Такая мощность называется активной мощностью. Активную мощность в цепях переменного токам измеряют с помощью ваттметра.

В заключении: Однофазный переменный электрический ток используется в сельском хозяйстве для питания электрооборудования, а именно электродвигатели, электрогенераторы, электроустановки, поточные линии, освещения и многое другое.