В текущее время РЖД употребляет два вида тока на электрифицированных участках стальных дорог:
- Неизменный ток (DC) напряжением 3 000 Вольт;
- Переменный ток (AC) частотой 50 Гц и напряжением 27 000 Вольт.
На стальных дорогах Рф еще исторически, и в наследство от Русского Союза, большая часть участков пути для движения поездов являются электрифицированными. Длина путей, электрифицированных уже в наше время, непреклонно возрастает, РЖД уже обеспечила полный переход на электровозную тягу Транссибирской магистрали, и сейчас движение от Владивостока до Москвы осуществляется только за счет электроэнергии. Но если попробовать проехать этот маршрут средством тяги только 1-го единственного электровоза (кроме двухсистемных электровозов), ничего из запланированного не получится. Таковой локомотив просто встанет в местах смены действующего напряжения и тока в контактной сети.
Контактная сеть неизменного тока 3 кВольт
Контактная сеть неизменного тока
Исторически сложилось так, что 1-ые электровозы, несшие службу в Сурамском перевале СССР, были созданы для питания неизменным напряжением до полутора тыщ Вольт. Соответственно вся транспортная инфраструктура создавалась под неизменное напряжение, и предстоящая разработка электровозов велась также под систему питания DC, а дальше уже сделанная инфраструктура игралась ведомую роль в формировании технических требований для локомотивостроительных компаний. Тем временем стальные дороги развивались и, если пренебречь исторической точностью, так как наш материал не про историю, Столичная стальная дорога с некоторым количеством других стальных дорог СССР, в большей степени в центральноевропейском районе, обзавелись инфраструктурой для питания электроподвижного состава DC. Только вот напряжение с 1,5 кВольт было увеличено до 3 кВольт.
Такое увеличение было изготовлено не с ординарна. Все дело в объемах перевозок, поточнее в их неизменном росте. Развитие отраслей народного хозяйства добивались от стальных дорог неизменного роста пассажиро- и грузо- потоков, и электровозы должны были перевозить все больший и больший вес, а для этого необходимы высочайшие значения силы тока (I, Ампер).
Профиль контактного провода
Исходя из законов электротехники мы знаем, что электрическая мощность равна произведению I и действующего напряжения, для увеличения мощности электровоза нам необходимо или повысить количество Вольт, или количество Ампер, ну либо и то и это. При действующем напряжении даже 3000 Вольт I должна повсевременно расти, а это приводит к завышенному нагреву проводов, а означает контактный провод должен быть достаточного сечения. А еще DC чувствителен к длине проводящей полосы: чем расстояние больше, тем заметнее сопротивление проводника съедает часть полезного напряжения. А еще исходя из больших характеристик Ампер при пробуксовке колес локомотива высок риск локального нагрева в месте контакта токоприемника с контактным проводом, что может вызвать прогорание последнего. Также есть и существенное ограничение по количеству сразу перемещающихся составов на участке, обслуживаемом одной электроподстанцией, так как она должна выдавать сумму и без того больших токов.
Минусы контактной сети неизменного тока
DC для нужд жд движения обладает сплошными недочетами, и совершенно точно является наименее применимым вариантом. На сегодня вся электрификация стальных дорог осуществляется только AC, кроме уже исторически сложившихся инфраструктур под DC. С течением времени, я думаю, все стальные дороги в Рф перейдут на переменный ток, но пока существует неограниченное количество единиц подвижного состава, а это и электровозы и электропоезда, заточенных под «постоянку», что делает экономически нецелесообразным переход на «переменку» на таких дорогах.
Если обобщить уже произнесенное, то электрификация неизменным током имеет следующие минусы:
- Необходимость применения больших значений I, для получения адекватной мощности;
- Нужна размещение электропитающих подстанций на расстоянии 50 км друг от друга, ведь на огромных расстояниях сопротивление контактного провода приметно понижает действующее напряжение, что сходу сказывается на мощности;
- Приметное понижение мощности на участках движения нескольких поездов, требующих высочайшей мощности;
- Накладность инфраструктуры, необходимость применения контактного провода с огромным сечением;
- Высочайшее воздействие токов Фуко на элементы инфраструктуры.
Из плюсов можно отметить только простоту устройства электроподвижного состава, простоту регулирования работы тяговых движков.
Контактная сеть переменного тока (AC)
Большая часть стальных дорог СССР, электрифицированных в первый раз после 1960-х годов, ну и современной Рф, работают на AC напряжением 27 кВольт промышленной частоты. Это очень комфортное решение, когда электрическая энергия, получаемая на электрических станциях в форме трехфазного переменного тока, пройдя ординарную трансформацию попадает конкретно в контактную сеть. Таким макаром из-за высокого напряжения итоговая мощность достигается наименьшими значениями I, также AC просто передавать на огромные расстояния снова же из-за завышенного напряжения, а еще таковой ток просто трансформировать. Но устройство электроподвижного состава непременно усложняется, по сопоставлению с составом DC. Сейчас на электровозах должны устанавливаться трансформаторы и аппараты для преобразования действующего напряжения в пульсирующее либо неизменное, для предстоящего питания коллекторных тяговых электродвигателей, оборотами которых просто управлять.
В чем сложность работы от переменного тока
Тяговые электродвигатели, как основная движущая сила на электроподвижном составе, оборотами которых можно достаточно легко управлять меняя напряжение, являются коллекторными и подразумевают работу от неизменного тока. Таким макаром мы получаем тот минус, который является преимуществом контактной сети AC: необходимость трансформации переменного тока в пульсирующий либо неизменный, для управления тяговыми электродвигателями.
Есть и поболее обыкновенные AC движки — асинхронные, которые используются на вспомогательных машинах электровозов и электропоездов (мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы). Обороты этих движков зависят от частоты переменного тока, напомним в промышленной сети она равна 50-и Герцам. Есть естественно электровозы, использующие подобные электродвигатели в качестве тяговых, но изменение частоты процесс очень непростой, соответственно усложняющий конструкцию тяговых агрегатов и снижающий общую надежность.
Ожидания развития электроподвижного состава
На сегодня из-за накладности текущей инфраструктуры и наличия большого парка подвижного состава, переоборудовать дороги с неизменного на переменный экономически нецелесообразно, но заместо переоборудования контактной сети инженеры пошли другим методом.
Можно поменять подвижной состав — 2-ой путь это создание электровозов двойного питания, способных работать и на неизменном и на переменном токе, при этом переключение режимов работы на них очень автоматизировано. На сегодня такие машины не просто есть на бумаге либо в качестве опытнейших образцов, такие локомотивы удачно работают на благо РЖД — Электровозы двойного питания.
При подготовке материала использовалось: Марквардт К. Г. Контактная сеть. 4-е изд. перераб. и доп. Учеб. для ж.д. вузов.
Переменное напряжение и его характеристики
Всем хорошего времени суток! В прошлой статье я поведал, как высчитать индуктивность катушки выполненной на разомкнутом сердечнике (к примеру, ферритовой антенны, контурных катушек радиоприёмников, катушек с построечными сердечниками и т. д.). Нынешняя статья посвящена переменному напряжению и характеристикам, которые его охарактеризовывают.
Что такое переменное напряжение?
Как понятно электрическим током именуется упорядоченное движение заряженных частиц, которое появляется под действием разности потенциалов либо напряжения. Одной из главных черт любого типа напряжения является его зависимость от времени. Зависимо от данной свойства различают неизменной напряжение, значение которого со временем фактически не меняется и переменное напряжение, изменяющееся во времени.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Переменное напряжение в свою очередь бывает повторяющимся и непериодическим. Повторяющимся именуется такое напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое напряжение может изменять своё значение в хоть какой период времени. Данная статья посвящена повторяющемуся переменному напряжению.
Неизменное (слева), периодическое (в центре) и непериодическое (справа) переменное напряжение.
Малое время, за которое значение переменного напряжения повторяется, именуется периодом. Хоть какое периодическое переменное напряжение можно обрисовать какой-нибудь многофункциональной зависимостью. Если время обозначить через t, то такая зависимость будет иметь вид F(t), тогда в хоть какой период времени зависимость будет иметь вид
Величина оборотная периоду Т, именуется частотой f. Единицей измерения частоты является Герц, а единицей измерения периода является Секунда
Более нередко встречающаяся многофункциональная зависимость повторяющегося переменного напряжения является синусоидальная зависимость, график которой представлен ниже
Синусоидальное переменное напряжение.
Из арифметики понятно, что синусоида является простейшей повторяющейся функцией, и все другие повторяющиеся функции, может быть, представить в виде некоторого количества таких синусоид, имеющих кратные частоты. Потому нужно вначале разглядеть особенности синусоидального напряжения.
Таким макаром, синусоидальное напряжение в хоть какой момент времени, секундное напряжение, описывается следующим выражением
где Um – наибольшее значение напряжения либо амплитуда,
ω –угловая частота, скорость конфигурации аргумента (угла),
φ – исходная фаза, определяемая смещением синусоиды относительно начала координат, определяется точкой перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну.
Величина (ωt + φ) именуется фазой, характеризующая значение напряжения на этот момент времени.
Таким макаром, амплитуда Um, угловая частота ω и исходная фаза φ являются основными параметрами переменного напряжения и определяют его значение в каждый момент времени.
Обычно, при рассмотрении синусоидального напряжения считают, что исходная фаза равна нулю, тогда
В практической деятельности, достаточно нередко, применяют ещё ряд характеристик переменного напряжения, такие как, действующее напряжение, среднее напряжение и коэффициент формы, которые мы разглядим ниже.
Что такое действующее напряжение переменного тока?
Как я писал выше, одним из главных характеристик переменного напряжения является амплитуда Um, но применять в расчётах эту величину не комфортно, так как временной интервал в течение, которого значение напряжения u равно амплитудному Um ничтожно мал, по сопоставлению с периодом Т напряжения. Применять секундное значение напряжения u, также не очень комфортно, вследствие огромных объёмов расчётов. Тогда появляется вопрос, какое значение переменного напряжения применять при расчётах?
Для решения данного вопроса нужно обратиться к энергии, которая выделяется под воздействием переменного напряжения, и сопоставить её с энергией, которая выделяется под воздействием неизменного напряжения. Для решения данного вопроса обратимся к закону Джоуля – Ленца для неизменного напряжения
Для переменного напряжения секундное значение выделяемой энергии составит
где u – секундное значение напряжения
Тогда количество энергии за полный период от t0 = 0 до t1 = T составит
Приравняв выражения для количества энергии при переменном напряжении и неизменном напряжении и выразив приобретенное выражение через неизменное напряжение, получим действующее значение переменного напряжения
Получившееся выражение, позволяет вычислить действующее значение напряжение U для повторяющегося переменного напряжения хоть какой формы. Из выше изложенного можно прийти к выводу, что действующее значение переменного напряжения именуется такое неизменное напряжение, которое за такое же время и на таком же сопротивлении выделяет такую же энергию, которая выделяется данным переменным напряжением.
Действующее значение синусоидального напряжения.
Вычислим действующее значение синусоидального напряжения
Необходимо отметить, все напряжения электротехнических устройств определяются, обычно, действующим значением напряжения.
Для определения амплитудного значения синусоидального напряжения нужно конвертировать приобретенное выражение
Таким макаром если в розетке у нас U = 230 В, поэтому, амплитудное значение данного напряжения
Действующее напряжение также имеет название действенного напряжения и среднеквадратичного напряжения.
С действующим напряжением разобрались, сейчас разглядим среднее значение напряжение.
Что такое среднее значение переменного напряжения?
Ещё одним параметром переменного напряжения, который его охарактеризовывает, является средним значением переменного напряжения. В отличие от действующего значения переменного напряжения, которое охарактеризовывает работу переменного напряжения, среднее значение напряжения охарактеризовывает количество электричества, которое перемещается из одной точки цепи в другую, под действием переменного напряжения. Среднее значение напряжения за период определяется следующим выражением
где Т – период переменного напряжения,
fu(t) – многофункциональная зависимость напряжения от времени.
Таким макаром, среднее значение переменного напряжения численно будет равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией fu(t) и осью Ox за период Т.
Среднее значение переменного напряжения.
В случае синусоидальной функции, можно гласить только о среднем значении за полупериод, так как в течение всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, тогда и среднее за период напряжение будет равно нулю.
Таким макаром, среднее за полупериод Т/2 значение переменного напряжения синусоидальной формы будет равно
где Um – наибольшее значение напряжения либо амплитуда,
ω –угловая частота, скорость конфигурации аргумента (угла).
Какие коэффициенты, охарактеризовывают переменное напряжение?
Время от времени появляется необходимость охарактеризовать форму переменного напряжения. Для этой цели существует ряд характеристик данного переменного напряжения:
1. Коэффициент формы переменного напряжения kф – указывает как относится действующее значение переменного напряжения U к его среднему значению Ucp.
Так для синусоидального напряжения коэффициент формы составит
2. Коэффициент амплитуды переменного напряжения kа – указывает как относится амплитудное значение переменного напряжения Um к его действующему значению U
Так для синусоидального напряжения коэффициент амплитуды составит
На сей день всё, в следующей статье я рассмотрю прохождение переменного напряжения через сопротивление, индуктивность и емкость.
Теория это отлично, но нужно отрабатывать это всё фактически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО Тут
Переменный ток
На рисунке приведён график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре, состоящем из последовательно соединённых конденсатора и катушки, индуктивность которой равна 0,2 Гн. Каково наибольшее значение энергии магнитного поля катушки? (Ответ дать в мкДж.)
Энергия магнитного поля: \[W=\frac,\] где \(L\) – индуктивность катушки, \(I\) – сила тока на катушке.
Наибольшая сила тока: \[I_=5 \text< мА>\]
Подставим в формулу энергии магнитного поля: \[W=\frac\cdot5^2\cdot10^\text< А$^2$>>=2,5 \text< мкДж>\]
Задание 2 #15906
К конденсатору, заряд которого 250 пКл, подключили катушку индуктивности. Обусловьте наивысшую силу тока (в мА), протекающего через катушку, если повторяющаяся частота свободных колебаний в контуре \(8\cdot10^7\) рад/с.
Период колебаний электромагнитного контура рассчитывается по формуле Томсона: \[T=2\pi\sqrt,\] где \(L\) – индуктивность катушки, \(C\) – ёмкость конденсатора.
Повторяющаяся частота: \[\omega=\frac<\sqrt> \Rightarrow LC=\frac<\omega^2>\]
Закон сохранения для колебательного контура \[W_=W_C\] \[\frac^2>=\frac^2>=\frac^2>,\] где \(L\) – индуктивность катушки, \(I-\) – наибольшая сила тока на катушке, \(C\) – ёмкость конденсатора, \(U_\) – наибольшее напряжение, \(q_\) – наибольший заряд на конденсаторе.
Тогда наибольшая сила тока равна \[I_=\sqrt<\frac^2>>=q_\omega=250\cdot10^\text< Кл>\cdot8\cdot10^7\text< рад/с>=20 \text< мА>\]
Задание 3 #15907
Заряженный конденсатор емкостью 4 мкФ подключили к катушке с индуктивностью 90 мГн. Через какое малое время (в мкс) от момента подключения заряд конденсатора уменьшится в 2 раза?
Период колебаний электромагнитного контура рассчитывается по формуле Томсона: \[T=2\pi\sqrt,\] где \(L\) – индуктивность катушки, \(C\) – ёмкость конденсатора. Повторяющаяся частота: \[\omega=\frac<\sqrt>\] Так как конденсатор вначале заряжен, то колебания можно обрисовывать законом: \[q=q_cos(\omega t)\] \[q=0,5q_\] Заменим циклическую частоту на \(\frac<\sqrt>\) и получим \[0,5q_=q_cos\left(\frac<\sqrt> t\right) \Rightarrow \frac<\sqrt> t=\frac<\pi>\] \[t=\frac<\pi \sqrt>=628 \text\]
Задание 4 #15908
Напряжение на концах участка цепи, по которому течет переменный ток, меняется с течением времени по закону: \(\displaystyle U = U_0sin\left(\omega t + \frac<2\pi>\right)\) . В момент времени \(t = T/12\) секундное значение напряжения равно 9 В. Обусловьте амплитуду напряжения.
Зависимость напряжения: \[U = U_0sin\left(\omega t + \frac<2\pi>\right),\] \(\omega\) – повторяющаяся частота. \[U=U_0sin\left(\frac<2\pi>\cdot\frac+\frac<2\pi>\right)\] \[U=\frac\] \[U_0=2U=18 \text< В>\]
Задание 5 #15909
Напряжение, при котором загорается либо угасает неоновая лампа, включенная в сеть переменного тока, соответствует действующему значению напряжения этой сети. В течение каждого полупериода лампа пылает 2/3 мс. Найдите частоту переменного тока.
Зависимость напряжения: \[U = U_0sin(\omega t),\] \(\omega\) – повторяющаяся частота. Действующее напряжение: \[U_>=\frac>\] \[U_> < U_0sin(\omega t)\] \[\frac> < U_0sin(\omega t )\] \[sin(\omega t)>\frac>\] \[sin(\frac<2\pi> t)>\frac>\] Решая это тригонометрическое неравенство на одном периоде синусоиды получаем, что \[\frac<\pi><\frac<2\pi> t<\frac<3\pi>\] \[\frac<\frac t<\frac\] \[t=\frac\] \[T=4t\] \[\nu=\frac=\frac>=375 \text< Гц>\]
Задание 6 #15910
Сила тока в первичной обмотке трансформатора 2 А, напряжение на ее концах 220 В. Напряжение на концах вторичной обмотки 40 В. Обусловьте силу тока во вторичной обмотке. Потерями в трансформаторе пренебречь.
Для безупречного трансформатора можно записать ( \(P_1=P_2\) ): \[I_1U_1=I_2U_2\] где \(I_1\) и \(I_2\) – силы тока на первичной и вторичной обмотках, \(U_1\) и \(U_2\) – напряжения на первичной и вторичной обмотках, тогда сила тока на вторичной обмотке равна \[I_2=\frac=\frac\cdot220\text< В>>>=11 \text< А>\]
Задание 7 #15911
Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение на ней 105 В?
Для трансформатора справедливо: \[\frac=\frac,\] где \(U_2\) и \(U_1\) – напряжения на вторичной и первичной обмотках, \(N_2\) и \(N_1\) – количество витков на вторичной и первичной обмотках, тогда напряжение на первичной обмотке \[U_1=\frac=\frac\cdot1000>=30 \text< В>\]
