Напряжение тока это: Эта страница ещё не существует

Ток, напряжение, сопротивление

Электрический ток ( I ) — это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики — движение электронов. Безусловно.

Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах.

Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.

Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира.

Условиями возникновения и существования электрического тока являются:

• Наличие свободных носителей заряда
• Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.

Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно.

Электрическое поле — это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы «одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются» можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.

Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика — напряженность электрического поля.

Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ.

Здесь:

• E — напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
• Δφ=φ1-φ2 — разность потенциалов (рисунок 1).

Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.

Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них — хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε.

Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.

Напряжение ( U ).

Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2, а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε.

Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно.

Сопротивление ( R ) — название говорит само за себя — физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривется на отдельной странице этого раздела.

Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.

Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S.

Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление.

Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:

Ток — Ампер (А)
Напряжение — Вольт (В)
Сопротивление — Ом (Ом).

Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой

«U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10¹⁸ электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока:

• Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
• Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
  — амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
  — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
  — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
  — средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

• Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
• Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
• Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока:

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока:

• Прямая линия.
• Переменная синусоида гармоники.
• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока:

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Похожие темы:

Что такое напряжение | Самое простое объяснение

Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий “бокал”, заполненный водой.

водоносная башня

Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!

водобашня, заполненная водой

А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое.

А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.

Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил,  давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи – нет.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком “минус”. Можно даже сказать, что уровень “воды в башне” у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа “блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт”. Или говоря детским языком, создать “электрическое давление” на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

источник питания постоянного тока

Электрическое напряжение  – это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный  щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп  – черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше ” электрическое давление”, а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное “давление”, а на минусе – ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

формула напряжения

где

A – это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

q – заряд, Кулон

U – напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

напряжение из закона Ома

где

I – сила тока, Амперы

R – сопротивление, Омы

Напряжение тока – что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока – это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение – это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза “напряжение тока” говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос “какое напряжение тока в розетке” вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт”, а на вопрос “какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора”, вы можете ответить “12 Вольт постоянного тока”. Так что не стоит пугаться).

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать “постоянный ток” и “переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение – это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.

На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала “электрическое давление” давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.

Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки “Первые шаги в электронике” Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:

то в другую:

переменное напряжение

Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто “Гц”. Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют “постоянкой”, а переменное – “переменкой”.

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y – это значение напряжения, а ось Х – это время.

осциллограмма нулевого напряжения

 

Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения  – это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.

осциллограмма постоянного напряжения

 

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.

осциллограмма переменного напряжения

Про параметры переменного напряжения можете прочитать в этой статье.

Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.

 

Похожие статьи по теме

220 Вольт

Делитель напряжения

Как получить нестандартное напряжение

Как измерить ток и напряжение мультиметром?

Что такое напряжение и ток | Начинающим

Что такое напряжение и ток

Напряжение и ток — это количественные понятия, о которых следует помнить всегда, когда дело касается электронной схемы. Обычно они изменяются во времени, в противном случае работа схемы не представляет интереса.

Напряжение (условное обозначение: U, иногда Е). Напряжение между двумя точками — это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Иначе говоря, это энергия, которая высвобождается, когда единичный заряд «сползает» от высокого потенциала к низкому. Напряжение называют также разностью потенциалов или электродвижущей силой (э. д. с). Единицей измерения напряжения служит вольт. Обычно напряжение измеряют в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 10³ В), милливольтах (1 мВ = 10^-3 В) или микровольтах (1 мкВ = 10^-6 В). Для того чтобы переместить заряд величиной 1 кулон между точками, имеющими разность потенциалов величиной 1 вольт, необходимо совершить работу в 1 джоуль. (Кулон служит единицей измерения электрического заряда и равен заряду приблизительно 6*10¹⁸ электронов.) Напряжение, измеряемое в нановольтах (1 нВ = 10^-9 В) или в мегавольтах (1 МВ = 10⁶ В) встречается редко.

Ток (условное обозначение: I). Ток — это скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения тока служит ампер. Обычно ток измеряют в амперах (А), миллиамперах (1 мА = 10^-3 А), микроамперах (1 мкА = 10^-6 А), наноамперах (1 нА = 10^-9 А) и иногда в пикоамперах (1 пкА = 10^-12 А). Ток величиной 1 ампер создается перемещением заряда величиной 1 кулон за время, равное 1 с. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, хотя электрон перемещается в противоположном направлении.

Запомните: напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы, ток всегда протекает через точку в схеме или через какой-либо элемент схемы.

Говорить «напряжение в резисторе» нельзя — это неграмотно. Однако часто говорят о напряжении в какойлибо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землей», то есть такой точкой схемы, потенциал которой всем известен. Скоро вы привыкнете к такому способу измерения напряжения.

Напряжение создается путем воздействия на электрические заряды в таких устройствах, как батареи (электрохимические реакции), генераторы (взаимодействие магнитных сил), солнечные батареи (фотогальванический эффект энергии фотонов) и т. п. Ток мы получаем, прикладывая напряжение между точками схемы.

Здесь, пожалуй, может возникнуть вопрос: а что же такое напряжение и ток на самом деле, как они выглядят? Для того чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего воспользоваться таким электронным прибором, как осциллограф. С его помощью можно наблюдать напряжение (а иногда и ток) как функцию, изменяющуюся во времени.

В реальных схемах мы соединяем элементы между собой с помощью проводов, металлических проводников, каждый из которых в каждой своей точке обладает одним и тем же напряжением (по отношению, скажем, к земле). В области высоких частот или низких полных сопротивлений это утверждение не совсем справедливо. Сейчас же примем это допущение на веру. Мы упомянули об этом для того, чтобы вы поняли, что реальная схема не обязательно должна выглядеть как ее схематическое изображение, так как провода можно соединять поразному.

Запомните несколько простых правил, касающихся тока и напряжения:

1. Сумма токов, втекающих в точку, равна сумме токов, вытекающих из нее (сохранение заряда). Иногда это правило называют законом Кирхгофа для токов. Инженеры любят называть такую точку схемы узлом. Из этого правила вытекает следствие: в последовательной цепи (представляющей собой группу элементов, имеющих по два конца и соединенных этими концами один с другим) ток во всех точках одинаков.

2. При параллельном соединении элементов (рис. 1) напряжение на каждом из элементов одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжения между точками А и В, измеренная по любой ветви схемы, соединяющей эти точки, одинакова и равна напряжению между точками А и В. Иногда это правило формулируется так: сумма падений напряжения в любом замкнутом контуре схемы равна нулю. Это закон Кирхгофа для напряжений.

3. Мощность (работа, совершенная за единицу времени), потребляемая схемой, определяется следующим образом:

   P = UI
   

 

Вспомним, как мы определили напряжение и ток, и получим, что мощность равна: (работа/заряд)*(заряд/ед. времени). Если напряжение U измерено в вольтах, а ток I — в амперах, то мощность Р будет выражена в ваттах. Мощность величиной 1 ватт — это работа в 1 джоуль, совершенная за 1 с (1 Вт=1 Дж/с).

Мощность рассеивается в виде тепла (как правило) или иногда затрачивается на механическую работу (моторы), переходит в энергию излучения (лампы, нередатчики) или накапливается (батареи, конденсаторы). При разработке сложной системы одним из основных является вопрос определения ее тепловой нагрузки (возьмем, например, вычислительную машину, в которой побочным продуктом нескольких страниц результатов решения задачи становятся многие киловатты электрической энергии, рассеиваемой в пространство в виде тепла).

В дальнейшем при изучении периодически изменяющихся токов и напряжений мы обобщим простое выражение Р=UI. В таком виде оно справедливо для определения мгновенного значения мощности. Кстати, запомните, что не нужно называть ток силой тока — это неграмотно.

Основы электроники. Ток, напряжение, сопротивление.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Эта статья положит начало циклу статей, посвященных изучению основ электроники! Мы будем последовательно двигаться от самых азов до всяческих тонкостей при разводке плат и составлении принципиальных электрических схем. И начнем мы с рассмотрения основополагающих понятий электроники – тока, напряжения и сопротивления.

Напряжение.

По определению напряжение – это энергия или работа, которая тратится на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом. Напряжение представляет собой разность потенциалов между двумя точками. Сразу же остановимся и рассмотрим подробнее понятие – электрический потенциал.

Для определения электрического потенциала необходимо выбрать точку нулевого потенциала, относительно которой будет вестись отсчет. Обычно за ноль потенциала принимают минус питания – это так называемая «земля». Рассмотрим простейшую цепочку, состоящую из источника напряжения и нагрузки – то есть резистора. Пусть напряжение источника равно 10 В, а сопротивление – 5 Ом.

Земля будет точкой отсчета, потенциал в этой точке равен 0. Тогда электрический потенциал в точке 1 будет равен напряжению источника питания, то есть 10 В. Соответственно, в точке 2 потенциал снова уменьшится до нуля, а напряжение на нагрузке будет равно 10 В (разность потенциалов между точками 1 и 2). Вроде бы все несложно и понятно, но это довольно важный момент, надо сразу уяснить для себя понятия напряжения и разности потенциалов, разницу и взаимосвязь между ними.

Ток.

Ток – скорость перемещения заряда в определенной точке, измеряются эта величина в Амперах. Тут тоже есть момент, который важно понять раз и навсегда. Если напряжение мы меряем между(!) двумя точками, то ток всегда проходит через(!) какую-либо точку схемы, либо через какой-либо элемент схемы. И если говорить о напряжении в какой-то точке схемы, то подразумевается напряжение между этой точкой и землей (потенциал в нашей точке минус потенциал земли, равный нулю).

Существует один важный закон для токов, называется он первым законом Кирхгофа и заключается он в том, что «сумма втекающих в точку токов равна сумме вытекающих из этой же точки токов». Для полного понимания смотрим на схему:

Тут у нас втекающие токи – I_1, I_2, I_3, а вытекающие – I_4, I_5. И по первому закону Кирхгофа мы имеем: I_1 + I_2 + I_3 = I_4 + I_5.

Сопротивление.

Сопротивление помогает связать напряжение и ток в цепи. Есть такая потрясающая штука – закон Ома, который говорит нам, что «сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению рассматриваемого участка цепи». Поясним на простеньком примере:

Итак, по закону Ома имеем: I = \frac{U}{R}.

Таким образом, можно сказать, что резистор позволяет нам преобразовать ток в напряжение, ну и, соответственно, напряжение в ток.

Рассмотрим возможные соединения резисторов, а именно, последовательное и параллельное. Пусть имеются три резистора, соединенных последовательно:

Общее сопротивление равно сумме каждого из сопротивлений в отдельности, то есть: R_0 = R_1 + R_2 + R_3.

Рассмотрим параллельное соединение:

Для параллельного соединения резисторов формула выглядит иначе: \frac{1}{R_0} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}.

Очевидно, что при последовательном соединении резисторов общее сопротивление всегда получается большим, чем сопротивление отдельно взятого резистора, а при параллельном соединении резисторов, наоборот, общее сопротивление получается меньшим, чем сопротивление отдельных резисторов. Это важно запомнить и иметь ввиду при разработке электрических схем.

И еще важный момент – не нужно зацикливаться на точном определении значений сопротивления резисторов. Напротив, очень важно выработать способность быстро прикидывать в голове, какой резистор нужно поместить в схему в каждом конкретном случае.

Думаю тут еще надо рассмотреть такую вещь как делитель напряжения, раз уж речь идет о резисторах и сопротивлениях. Выглядит схема делителя так:

Делители напряжения, кстати, очень широко используются в схемах, можете взять какую-нибудь и обязательно там найдете с десяток делителей. Но что-то я забежал вперед, сначала рассмотрим, что же это такое. Простейший делитель напряжения – это схема, которая на выходе создает напряжение, равное части напряжения, которое имеется на входе.

Ток в цепи: I = \frac{U_{вх} }{R_1 + R_2} .

Тогда что же будет на выходе? Правильно: U_{вых} = IR_2 = \frac{U_{вх}R_2}{R_1 + R_2}.

Вот и получили, что на выходе напряжение равно части входного напряжения. Так работает делитель напряжения.

Итак, мы и рассмотрели понятия тока, напряжения и сопротивления. Наверное, на этом стоит остановиться, а то получится очень громоздко 🙂 Продолжим в следующих статьях, так что оставайтесь на связи!

Основы радиотехники — напряжение тока. сила тока. Simpleinfo – все сложное простыми словами!

14 Декабря 2016

7177

В предыдущей статье, мы рассмотрели электрический ток. В этой статье будем рассматривать единицы измерения. Как без них? Но что бы не усложнять, рассмотрим только самые нужные, да и в дальнейшем в принципе только они понадобятся.

Мы уже знаем, что электрический ток, это движение частиц. Что бы эти частицы двигались, необходима внешняя направленная сила (например электрическое поле). И эту силу, которая двигает частицы, необходимо поддерживать.
Источник питания (источник напряжения, источник тока) имеют две клеммы или два полюса. Которые имеют разность потенциалов. Разность потенциалов, если простыми словами дать объяснение – это запас частиц, которые стремятся друг к другу. То есть, при возможности частицы из клеммы (-) будут стремится к клемме с (+).
Рассмотрим на картинке.

наведите или кликните мышкой, для анимации

На картинке мы видим источник питания и проводник. Если наведем мышку на картинку, источник питания «крутиться», то есть там поддерживается какая то сила для переноса частиц. Проводник не соединен к источнику питания, то есть цепь не замкнутая. Для того, что бы возник электрический ток — необходимо замкнуть цепь.
Рассмотрим на примере.

наведите или кликните мышкой, для анимации

В проводнике возникает электрический ток, то есть упорядоченное движение частиц. При перемещение заряженных частиц, что мы видим?

• 1. Какое количество частиц передвигаются.
• 2. Какая энергия тратится на перемещение частицы.

Сила тока

Сила тока — это величина, равная отношению количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, к времени его прохождения. То есть это ответ на наш первый вопрос, сколько зарядов проходит через поперечное сечение проводника, за определенное время.
Единица измерения силы тока – это Ампер (А).
Условное обозначение: I
Ниже на картинке отобразим этот момент:

наведите или кликните мышкой, для анимации

Напряжение тока

Сила тока, это больше количественный показатель. Для того что бы частицы перемещались, необходима энергия (работа).
Напряжение тока (электрическое напряжение) – это энергия расходуемая при перемещение заряда. Простыми словами, это сила (давление) которое передвигает заряды по проводнику. Таким образом мы ответили на второй вопрос.
Единицы измерения напряжения тока – это Вольт (В).
Условное обозначение: U

наведите или кликните мышкой, для анимации

Мы теперь знаем что такое сила тока, напряжение тока и их условные обозначения. Еще хочу добавить, часто для объяснения этих процессов приводят пример с водой в трубе. Труба в данном случае это проводник, давление которое толкает воду это напряжение и количество воды (через поперечное сечение) это сила тока.

Электрическое напряжение: объяснение простыми словами

Электрическое напряжение: объяснение простыми словами

Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для простых пользователь такое обозначение не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы попытаемся простым, доступным языком рассказать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и для чего это нужно.

Что такое разность потенциалов?

Для начала проанализируем рисунок:

В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во второй – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это с точки зрения науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.

Однако, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а внутрь поместить обычный пластиковый шарик?

Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость постепенно перетечет в бутылку с более низким уровнем. Под воздействием потока воды шарик внутри соединяющего шланга будет перемещаться. Процесс перетекания завершится после того, как в обоих бутылках уровень жидкости уравновесится, станет одинаковым.

Иными словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень жидкости станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик останется на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам эксперимента, равна нулю.

Что такое электродвижущая сила?

Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.

Для проведения следующего эксперимента понадобится вольтметр (прибор, измеряющий вольты) и обычная батарейка.

При исходном замере прибор покажет 1.5 В (Вольта). Однако это не является напряжением – значение указывает на величину электродвижущей силы.

На следующем этапе эксперимента к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в разных участках электроцепи.

Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.3 Вольта.

Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах.

Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)

Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.

Однако, как же получается: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разделена на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что каждая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, поэтому недостающие 0.2 Вольта были направлены именно сюда.

Резюме

Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу сторонних силовых ресурсов. Посредством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение показывает этот процесс лишь на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это внешнее силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера. В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.

Рассмотрим еще один пример

Представьте, что вам по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это означает, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на своем пути вам попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для осуществления этого действия вам понадобилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Далее вам попадается камень весом в 30 кг. Следовательно, для его переноса из одного места в другое вам понадобится больше энергии, чем для камня, масса которого не превышала 20 кг. Однако подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого действия (в электричестве это обозначено напряжением). Таким образом, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать разное напряжение в зависимости от веса камня, который вы намерены перенести.

Ток зависит от напряжения

Закон Ома:

Исходя из приведенной формулы следует: ток является прямо пропорциональным напряжению и обратно пропорциональным сопротивлению. Иными словами, чем больше величина электрического тока, тем больше напряжение, и наоборот.

Опасности поражения электрическим током

С электричеством связано множество опасностей. Случайное поражение электрическим током может вызвать сильные ожоги, повреждение внутренних органов и даже смерть. Интересно, что хотя большинство людей думают об электричестве с точки зрения напряжения, наиболее опасным аспектом поражения электрическим током является сила тока, а не напряжение.

Напряжение в зависимости от силы тока

Напряжение и сила тока — это две меры электрического тока или потока электронов. Напряжение является мерой давления , которое позволяет электронам течь, в то время как сила тока является мерой объема электронов.Электрический ток в 1000 вольт не более смертоносен, чем ток в 100 вольт, но крошечные изменения силы тока могут означать разницу между жизнью и смертью, когда человек получает электрический шок.

Хотя физика сложна, некоторые эксперты используют аналогию с текущей рекой, чтобы объяснить принципы работы электричества. В этой аналогии напряжение приравнивается к крутизне или наклону реки, а сила тока приравнивается к объему воды в реке. Электрический ток с высоким напряжением, но очень низкой силой тока можно рассматривать как очень узкую небольшую реку, текущую почти вертикально, как крошечная струйка водопада.У него будет мало возможностей действительно навредить вам. Но большая река с большим количеством воды (сила тока) может утопить вас, даже если скорость течения (напряжение) относительно невысока.

Из этих двух сила тока — это то, что действительно создает риск смерти, что становится ясно, когда вы понимаете, насколько мала сила тока, необходимая для уничтожения.

Влияние силы тока на поражение электрическим током

Различная сила тока по-разному влияет на человеческий организм. В следующем списке описаны некоторые из наиболее распространенных последствий поражения электрическим током при различных уровнях силы тока.Чтобы понять, что это за величина, миллиампер (мА) равен одной тысячной ампера или ампера. Стандартная бытовая цепь, питающая ваши розетки и переключатели, имеет ток 15 или 20 ампер (15 000 или 20 000 мА).

• От 1 до 10 мА : Поражение электрическим током незначительное или отсутствует.
• от 10 до 20 мА : Болезненный шок, но мышечный контроль не теряется.
• от 20 до 75 мА : Серьезный шок, включая болезненный толчок и потерю мышечного контроля; пострадавший не может отпустить проволоку или другой источник шока.
• от 75 до 100 мА : Может возникнуть фибрилляция желудочков (нескоординированное подергивание желудочков) сердца.
• 100-200 мА : Возникает фибрилляция желудочков, часто приводящая к смерти.
• Более 200 мА : Возможны тяжелые ожоги и сильные мышечные сокращения. Могут быть повреждены внутренние органы. Сердце может остановиться из-за того, что грудные мышцы оказывают давление на сердце, но этот эффект зажима может предотвратить фибрилляцию желудочков, значительно повышая шансы на выживание, если пострадавшего исключить из электрической цепи.

Это дает вам представление о том, насколько опасна домашняя система электропроводки, которую мы считаем само собой разумеющейся, где провода имеют ток 15 000 или 20 000 мА.

Остаться в безопасности

Лучший способ предотвратить поражение электрическим током — это соблюдать стандартные правила техники безопасности для всех электромонтажных работ. Вот некоторые из самых важных основных правил безопасности:

• Отключите питание : Всегда отключайте питание цепи или устройства, с которыми вы будете работать.Самый надежный способ отключить питание — это отключить автоматический выключатель цепи в бытовой сервисной панели (коробке выключателя).
• Проверка питания : после отключения автоматического выключателя проверьте проводку или устройства, с которыми вы будете работать, с помощью бесконтактного тестера напряжения, чтобы убедиться, что питание отключено. Это единственный способ убедиться, что вы отключили правильную цепь.
• Используйте изолированные лестницы. : Никогда не используйте алюминиевые лестницы для электромонтажных работ.Для безопасности всегда используйте изолированные лестницы из стекловолокна.
• Оставайтесь сухими : Избегайте влажных помещений при работе с электричеством. Если вы находитесь на улице в сырых или влажных условиях, наденьте резиновые сапоги и перчатки, чтобы снизить вероятность поражения электрическим током. Подключите электроинструменты и приборы к розетке GFCI (прерыватель цепи замыкания на землю) или удлинителю GFCI. Вытрите руки перед тем, как взяться за шнур.
• Публикация предупреждений : Если вы работаете с сервисной панелью или цепью, поместите предупреждающую этикетку на лицевую сторону панели, чтобы предупредить других, чтобы они не включали какие-либо цепи.Перед повторным включением питания убедитесь, что никто другой не контактирует с цепью.

Консультации — Инженер по подбору | Проектирование электрических систем среднего напряжения

Цели обучения

• Проанализируйте, как и почему выбрана определенная система среднего напряжения (СН) для данной конструкции.
• Оцените применимые нормы и стандарты и их влияние на проектирование электрических систем.
• Напомним, что следует учитывать при проектировании систем распределения мощности среднего напряжения.

---

Мы привыкли рассматривать электрическую мощность так же, как и любые другие коммунальные услуги, поставляемые в наш дом или бизнес. И это правильный взгляд на это. Так же, как вода и природный газ, электроэнергия передается и распределяется для общего пользования. Подобно тому, как давление (или разница давлений между двумя точками) перемещает воду и газ, напряжение «перемещает» электрический ток. Чтобы электроэнергия была доставлена ​​конечным пользователям, она должна пройти несколько итераций.

Источники, распределение электроэнергии

Электроэнергия вырабатывается с использованием магнитной и кинетической энергии.Когда магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, прерывается движущейся катушкой, в эту катушку индуцируется электрический ток. Именно так сегодня производится большая часть электроэнергии. Например, атомная станция использует ядерную энергию для производства пара высокого давления, который приводит в движение лопатки турбины. Затем это движение передается на ротор турбины. Магнитное поле генератора, соединенного с валом турбины, используется движущимся ротором для создания электрического тока в обмотке якоря.Угольные электростанции также используют тепло горящего угля для создания пара и выработки энергии с помощью паровой турбины, но с гораздо меньшей эффективностью, чем атомные станции. Гидроэлектростанция использует потенциальную энергию падающей воды для перемещения лопастей турбины. Точно так же ветряная турбина использует кинетическую энергию ветра для вращения лопастей. Установки на солнечных элементах не используют турбину, но они используют энергию солнца для стимуляции электронов специально изготовленных фотоэлектрических модулей, создавая таким образом постоянный ток (dc).Этот постоянный ток затем преобразуется в переменный ток (ac) через инверторы.

Несмотря на то, что существует так много источников энергии, которые можно преобразовать в электрическую, строительство электростанции везде, где требуется электроэнергия, непрактично и часто неосуществимо. Чтобы преодолеть эту проблему, электроэнергия передается от источника туда, где она необходима. Для перехода от инженерных сетей к конечному потребителю коммунальные предприятия используют подстанции. Эти подстанции снижают напряжение на уровне передачи до напряжения на уровне распределения.С этих подстанций, называемых коммунальными подстанциями, энергия передается (распределяется) жилым, коммерческим и промышленным пользователям.

Виды тока

Электроэнергия может передаваться через постоянный или переменный ток. Первой электростанцией была станция Перл-Стрит (построенная Edison Illuminating Co., которую возглавлял Томас Эдисон) в Нью-Йорке. Эта станция поставляла электроэнергию постоянного тока потребителям, находящимся поблизости от станции. Однако проблема с постоянным током заключается в том, что его нельзя транспортировать на большие расстояния, потому что он не может быть преобразован в более высокие напряжения.Никола Тесла был убежден, что способ преодолеть дистанционный барьер — это чередовать, а затем передавать мощность более высокого напряжения с помощью трансформаторов. Westinghouse запатентовал идею Теслы и построил первую линию электропередачи переменного тока в штате Нью-Йорк, по которой энергия передается от Ниагарского водопада в Буффало. Сегодняшние технологические достижения позволяют экономично передавать постоянный ток высокого напряжения — и это вполне может стать перспективой в будущем.

Первая линия электропередачи переменного тока была построена в 1886 году в Черки, Италия, которая передавала на 17 миль при напряжении 2000 В.Чтобы избежать высокой стоимости проводников, необходимых для передачи большого тока, и потерь, связанных с протеканием большого тока, были разработаны линии передачи более высокого напряжения. В 1936 году в США была проложена линия электропередачи 287 кВ: линия от плотины Гувера до Лос-Анджелеса. В настоящее время в Соединенных Штатах для передачи мощности обычно используется напряжение до 345 кВ. Возможно использование более высоких напряжений, но проводится тщательный анализ экономики, поскольку цена оборудования существенно возрастает при переходе на более высокий уровень напряжения.

Уровни напряжения

Есть несколько причин для выбора одного уровня напряжения вместо другого для передачи электроэнергии. Основная причина — стоимость. Чем выше напряжение, тем меньше меди для проводки, но больше денег на электрооборудование — это баланс. Еще одна причина — длина линий. Для более длинных линий электропередач имеет смысл использовать более высокое напряжение, но это требует большего расстояния между проводами. Часто на решение влияют существующие линии электропередачи в конкретном районе.Использование одной и той же системы напряжения облегчает объединение различных линий в сеть, и это может сделать определенный уровень напряжения очень привлекательным, даже если непосредственные затраты выше.

Уровни напряжения стандартизированы, чтобы производители могли сконцентрироваться на разработке определенных типов оборудования. ANSI C84.1 определяет среднее напряжение (MV) как «класс номинальных системных напряжений от 1000 В до 100 кВ». IEEE 141 (Красная книга) ссылается на ANSI C84.1 в распознавании тех же уровней напряжения, связанных с диапазоном MV.Из всех возможных уровней напряжения от 1 кВ до 100 кВ стандартные напряжения, наиболее часто используемые в Соединенных Штатах, составляют 4160 В, 12 470 В, 13 200 В, 13 800 В, 24 940 В и 34 500 В для четырехпроводных систем и 69 000 V для трехпроводных систем. Также используются другие системы напряжения, такие как 2400 В, 4800 В, 6900 В, 8320 В, 12 000 В, 20 780 В, 22 860 В, 23 000 В и 46 000 В. Определенные напряжения, такие как 4,1 кВ, 6,9 кВ и 13,8. кВ, совпадают со стандартными напряжениями двигателя, поэтому они предпочтительны.

В зависимости от размера кампуса конечный пользователь должен будет выбрать, какой уровень напряжения будет распределять мощность. При выборе уровня напряжения необходимо принять несколько решений. Помимо стоимости проекта, одним из важнейших аспектов является безопасность. Несколько лет назад электрики обычно работали с оборудованием, находящимся под напряжением, и не только с оборудованием низкого напряжения (LV; 1000 В или меньше), но и с оборудованием среднего напряжения. Эта практика очень ограничена, потому что она очень опасна. В тех случаях, когда работы по техническому обслуживанию оборудования под напряжением по-прежнему выполняются, безопасность является первоочередной задачей.В целях обеспечения безопасности NFPA: Статья 110 Национального электрического кодекса (NEC) «Требования к электроустановкам» требует наличия определенных зазоров в рабочем пространстве вокруг электрического оборудования — чем выше номинальное напряжение, тем больше требуемый зазор. Техническое обслуживание оборудования — еще один фактор при принятии решения об уровне напряжения электрической системы. Если группа технического обслуживания уже обучена работе с определенным оборудованием, работающим под напряжением, имеет смысл продолжать использовать тот же уровень напряжения. В противном случае потребуется дополнительное обучение.

Использование системы распределения среднего напряжения имеет несколько преимуществ по сравнению с распределением низкого напряжения. Напряжение и ток имеют обратную зависимость. При определенной потребности в мощности, чем выше напряжение, тем ниже ток, согласно уравнению:

P = V x I

Где P = мощность, V = напряжение и I = ток.

Иногда проблема не в расстоянии, а в количестве распределяемой мощности. Жилые дома не имеют большой потребности в электроэнергии, поэтому использование НН им хорошо подходит.Но коммерческие клиенты обычно требуют большого количества энергии. Предположим, что конкретному клиенту требуется 10 МВт мощности (или 12 МВА). При распределении этой мощности на НН (например, 480 В) объекту потребуется почти 14 450 ампер. Это огромный ток, который требует огромного количества проводов. Для сравнения, те же 12 МВА будут производить только около 500 ампер при 13,8 кВ. Это решение с низким потреблением тока дает владельцу гибкость в подаче электроэнергии через здание как можно ближе к нагрузке, а затем понижает мощность до низкого уровня для потребления.Выбор распределения электроэнергии через MV также помогает минимизировать потери мощности, что увеличивает эксплуатационную экономию. Верно и обратное: чем ниже напряжение, тем выше ток. Система среднего напряжения обеспечивает такое же количество мощности за счет меньшего количества тока по сравнению с системой низкого напряжения. Меньшая сила тока дает меньшие проводники и / или меньшее количество наборов проводников для распределения мощности, что приводит к значительной экономии. Более низкие уровни тока также приводят к меньшим потерям мощности и, как следствие, меньшему падению напряжения.Меньшее падение напряжения делает возможным распределение мощности на большие расстояния. Очень часто в кампусе имеется распределительная система на 13,8 кВ с понижением напряжения до 480 В в здании и 4160 В и 480 В в центральном хозяйственном здании. Если расстояния от основной подстанции кампуса до отдельных зданий велики, можно использовать более высокие напряжения, но распределительная система на 13,8 кВ очень распространена. Другие распространенные напряжения составляют 12,47 кВ, 24 кВ и 24,9 кВ (номинально 25 кВ).

Проектирование системы распределения

При проектировании распределительной системы среднего напряжения особое внимание следует уделять размерам оборудования, номинальным характеристикам и свободным зазорам. Размеры оборудования для систем среднего напряжения больше, чем для систем низкого напряжения. Поэтому пространство, отведенное под оборудование, становится очень важным и должно быть выделено на ранних этапах процесса проектирования. В таблице 1 показано сравнение электрооборудования для двух очень распространенных систем напряжения 480 В и 13.8 кВ, на оборудовании того же производителя.

Рабочие зазоры вокруг оборудования среднего напряжения также больше, чем зазоры оборудования низкого напряжения. Статья 110 NEC описывает минимальные рабочие расстояния вокруг электрического оборудования. В таблице 2 сравниваются рабочие зазоры для тех же двух распределительных систем, которые перечислены в таблице 1.

Условие 1 выполняется, если на одной стороне есть открытая токоведущая часть, но нет токоведущих или заземленных частей на противоположной стороне рабочего пространства.Если с обеих сторон находятся токоведущие части, Условие 1 выполняется только в том случае, если части защищены изоляционными материалами. Условие 2 применяется, когда есть открытые части под напряжением с одной стороны рабочего пространства и заземленные части с другой, причем бетон, кирпич и плитка считаются заземленными. Условие 3 — это наихудший сценарий с открытыми токоведущими частями по обе стороны рабочего пространства.

Если оборудование среднего напряжения находится на открытом воздухе, оно должно быть как минимум ограничено забором, который, в зависимости от уровня напряжения, должен находиться на расстоянии не менее 10 футов от токоведущих частей или корпуса.Для системы с номинальным напряжением 13,8 кВ зазор должен составлять 15 футов. См. Статью 110.31 NEC для получения более подробной информации.

Оборудование

СН не обладает такой гибкостью, как оборудование низкого напряжения. Для низковольтных систем существуют автоматические выключатели всех размеров, а более крупные выключатели оснащены легко регулируемыми расцепителями. В простых системах среднего напряжения для защиты могут использоваться предохранители, и эти предохранители также бывают разных размеров. Однако в сложных системах распределения среднего напряжения, таких как критически важные объекты, использование выключателей среднего напряжения становится необходимостью.Наименьший автоматический выключатель для номинальной системы 13,8 кВ (распределительное устройство 15 кВ) рассчитан на 1200 ампер. Следующий размер — 2000 ампер, затем 3000 ампер. Как упоминалось ранее, большим преимуществом систем среднего напряжения является низкий ток, но в настоящее время нет выключателя, достаточно маленького для этих систем. Однако для систем Международной электротехнической комиссии (МЭК) доступны автоматические выключатели на 630 ампер. Этот автоматический выключатель мы называем «тупым» выключателем. Его называют тупым, потому что он не обладает никаким интеллектом и не знает, когда устранить ошибку.По этой причине используются реле. Реле предлагают отличные возможности и схемы защиты, но это не отменяет того факта, что самый маленький автоматический выключатель среднего напряжения на 1200 ампер очень часто оказывается слишком большим для протекающего тока. Это отсутствие гибкости имеет финансовые последствия, которые необходимо учитывать.

Защита от сбоев для систем среднего напряжения становится важной из-за последствий отказа защиты. Автоматический выключатель на 1200 ампер, рассчитанный на 480 В, может выдерживать мощность около 1 МВА (при номинальном токе 100 и нагрузке).Для сравнения: автоматический выключатель на 1200 А при 13,8 кВ может выдерживать более 28 МВА. Как мы видим, выключатель среднего напряжения обеспечивает гораздо большую нагрузку, поэтому крайне важно обеспечить защиту. Из-за того, что единичный отказ оказывает большое влияние на систему распределения, надежность системы становится важной частью проектных усилий. IEEE 493-2007: Industrial Power Systems Design (Золотая книга) — хороший ресурс для анализа надежности. На основе этого анализа и потребностей владельца в систему может быть встроено резервирование.Избыточность может быть N + x (где x может быть 1, 2 или любым числом) или 2N. Система 2N требует двух источников питания для каждой единицы оборудования, каждый из которых полностью способен нести всю нагрузку (см. Рисунок 1). В случае неисправности на стороне «A», питание по-прежнему доступно через сторону «B». Когда сторона A недоступна, система не переходит в состояние 2N, пока сторона A не будет снова введена в эксплуатацию. Резервирование важно учитывать на любом уровне напряжения, но оно становится особенно важным в системах среднего напряжения, поскольку обеспечивается большое количество энергии, которое может быть потеряно.Используя тот же пример, выключатель на 1200 ампер при 480 В может выдерживать около 1 МВА, а при 13,8 кВ может выдерживать более 28 МВА. Потеря 28 МВА может иметь гораздо больший эффект, чем потеря 1 МВА мощности.

Для больших и сложных электрических систем защиту для системы среднего напряжения можно легко спроектировать с помощью реле, но она может стать сложной и ее необходимо тщательно продумать. Существует много видов схем защиты, и обычно в надежной системе задействовано много различных типов реле и функций.Каждому типу реле присвоен номер, как и каждому устройству защиты, описанному в ANSI / IEEE C37.2, что упрощает проектирование и понимание конструкций других людей. Реле дифференциальной защиты (87) суммирует входящие токи и сравнивает их с суммой выходящих токов. Этот вид защиты является одним из самых распространенных, поскольку он быстродействующий. Дифференциальная защита применяется к главной шине оборудования и зоне, которая охватывает все выключатели. Дифференциальная защита также может быть предусмотрена для трансформаторов среднего напряжения и фидеров значительной длины.Другие распространенные типы защиты — это максимальная токовая защита (51), мгновенная защита (50), защита от перенапряжения (59), минимальное напряжение (27), защита от обратной мощности (32) и многие другие. Отличным источником по защите электрических систем является IEEE 242-2001: Защита и координация промышленных и коммерческих энергосистем.

В последнее десятилетие были предприняты попытки централизовать защиту оборудования среднего напряжения. Отдельные реле отправляют сигналы центральному устройству, которое затем обрабатывает информацию и решает, какое действие, если оно есть, должно быть выполнено, чтобы избежать ложного срабатывания.Сигнал может передаваться туда и обратно по оптоволоконной проводке или по беспроводной связи. Эта технология была впервые разработана в Европе, и ее стандартом является IEC 61850: Power Utility Automation. Эта технология многообещающая, но пока не получила широкого распространения.

Распределительные трансформаторы

СН также имеют тенденцию быть больше и дороже, чем трансформаторы низкого напряжения. Из-за воздействия, которое неисправность трансформатора может оказать на всю систему, больше внимания уделяется защите трансформаторов среднего напряжения. В дополнение к обычной защите от перегрузки по току, которую могут получить трансформаторы низкого напряжения, трансформаторы среднего напряжения оснащены тепловым реле (49) для контроля температуры масла, реле давления (63) для контроля давления в масляном баке и реле уровня жидкости (71). для контроля уровня масла (см. рисунок 2).Все эти реле отключают выключатель при заданном значении соответствующих параметров, выходящих за пределы допустимых диапазонов. Для пояснения, некоторые трансформаторы низкого напряжения могут иметь все эти уровни защиты, но для трансформаторов среднего напряжения такая защита является обычным делом.

Резервное питание

Системы распределения

MV предлагают те же преимущества, что и сторона энергоснабжения, на стороне резервного (или резервного) питания. Например, для системы на 13,8 кВ можно использовать генераторы на 13,8 кВ. Резервная мощность, вырабатываемая генераторами, может быть так же легко распределена как можно ближе к нагрузке, например, со стороны электросети.В зависимости от типа конструкции распределительной системы часто возникает необходимость в параллельном подключении этих генераторов среднего напряжения для резервного копирования всей системы.

При параллельном подключении генераторов среднего напряжения необходимо учитывать несколько моментов. Один из них — надежность. Например, если для поддержки энергосистемы в случае полного отказа энергосистемы требуется четыре генератора, следующим решением будет масштаб резервирования. Если требуется N + 1, нам нужно будет задействовать пять генераторов, причем четыре из пяти необходимы в любой момент времени.Надежность (доступность) такой системы составляет 0,999. Если допустима меньшая надежность, можно использовать только четыре генератора для доступности 0,96. Для получения подробной информации о том, как рассчитать надежность энергосистем, см. Золотую книгу IEEE.

Еще одно решение — как система резервного копирования взаимодействует с утилитой. Во многих случаях достаточно открытого перехода, когда резервная система отключается от нагрузки до того, как к ней снова подключено электроснабжение. Открытые переходы проще и проще реализовать.В некоторых случаях требуется закрытый переход — когда система резервного питания и система энергоснабжения работают параллельно в течение очень короткого периода времени, обычно несколько циклов.

Примеры систем с закрытым переходом можно найти в больницах и центрах обработки данных. Закрытый переход усложняет систему распределения, потому что элементы управления и ретрансляции должны включать больше зон контроля.

Кроме того, из-за параллельного подключения энергоснабжения к электросети и резервному источнику, наличие тока короткого замыкания увеличивает наихудший сценарий отказа, происходящего во время замкнутого перехода.Это увеличение аварийной нагрузки может подтолкнуть КРУ к следующему более высокому стандартному рейтингу, что может значительно повлиять на затраты (см. Рисунок 3).

Система среднего напряжения, поддерживаемая резервными генераторами, также требует пристального внимания к заземлению и защите от замыканий на землю. Заземление электрических систем — это обширная тема, которая здесь не рассматривается, за исключением того, чтобы направить читателя к двум полезным ресурсам: IEEE 142-1991: Заземление промышленных и коммерческих систем питания и IEEE C37.101: Руководство по защите заземления генераторов.

MV за и против

Распределительные системы

СН имеют много преимуществ по сравнению с распределителями низкого напряжения, но у них есть и некоторые недостатки. Выбор должен быть результатом тщательного анализа, в котором преобладающими факторами являются стоимость и безопасность. Преимущества систем среднего напряжения включают использование гораздо меньшего количества меди в виде проводов меньшего размера и меньшего количества наборов проводов, меньшие потери мощности, меньшее падение напряжения и, как следствие, распределение гораздо большей мощности на нагрузку.К недостаткам систем среднего напряжения относятся большие размеры оборудования, большие рабочие зазоры, необходимые для электрического оборудования, большие инвестиции в обучение и более длительные периоды технического обслуживания для ремонта оборудования.

Независимо от этих преимуществ и недостатков, иногда распределение на НН невозможно, и в этом случае используется распределение СН (см. Рисунок 4). В таких случаях следует тщательно продумать вопросы безопасности рабочих, разработав подробные процедуры обслуживания оборудования среднего напряжения.Также следует внимательно относиться к безопасности не обслуживающего персонала. Самый эффективный способ обеспечить безопасность — запереть двери помещений, где размещается оборудование среднего напряжения, и не допускать проникновения посторонних лиц.

---

Эдуард Пакуку — старший инженер-электрик в Concord Engineering. Он тратит большую часть своего времени на проектирование электрических систем для университетов, медицинских учреждений, критически важных объектов и высотных коммерческих зданий.

Напряжение — Энергетическое образование

Напряжение часто используется как сокращение для разности напряжений , что является другим названием для разности потенциалов .Напряжение измеряет энергию, которую получит заряд, если он перемещается между двумя точками в пространстве. Единицей измерения напряжения является вольт (В), а 1 вольт = 1 Дж / Кл. ^[2]

Розетки и батареи имеют связанные с ними напряжения. Фактически, когда электричество доставляется на любое расстояние, между начальной и конечной точками существует напряжение (также известное как разность потенциалов). Когда подается напряжение, энергетически предпочтительно, чтобы электрический заряд двигался к точке самого низкого напряжения в проводе; это причудливый способ сказать, что положительный электрический заряд приобретает энергию при переходе от точки высокого напряжения к точке низкого напряжения.Отрицательный электрический заряд получит энергию от движения в другом направлении.

Чем больше напряжение, тем больше выигрыш в энергии от перемещения между двумя точками. Кроме того, чем больше заряд проходит через напряжение, тем больше кинетическая энергия, получаемая зарядом. Уравнение, которое моделирует это:

[математика] E = Q \ Delta V [/ математика]

Одна единственная точка не имеет напряжения, поскольку напряжение определяется как разность энергии между двумя точками.Напряжение всегда зависит от некоторой контрольной точки, которая определяется как 0 В. Для удобства Земля почти всегда определяется как 0 В (в классах физики 0 В часто рассматривается как потенциал в точке бесконечно удаленной, но это бесполезен в электронике). Напряжение генерирует поток электронов (электрический ток) через цепь. Специфическое название источника энергии, создающего напряжение для протекания тока, — электродвижущая сила. Это соотношение между напряжением и током задается законом Ома.

Часто бывает полезна аналогия:

Гравитационная потенциальная энергия — это энергия, которую мяч накапливает, сидя на столе. Высота, умноженная на ускорение свободного падения ( г ), дает полную энергию, которая преобразуется в кинетическую энергию, если мяч упадет с этой высоты. Электродвижущая сила — это то, что продолжает поднимать мяч и класть его обратно на стол (это то, что движет потоком мячей, падающих со стола).

Электрическая энергия — это энергия, выделяющаяся, когда заряд «падает» через разность потенциалов (напряжение).Напряжение существует независимо от того, есть заряд или нет.

Для бытового применения

Электрическая розетка в доме имеет напряжение 120 В (в Канаде и США) через два отверстия. Это напряжение присутствует всегда, и когда электрическая нагрузка становится частью цепи (например, путем подключения прибора), это напряжение заставляет ток течь по цепи.

Электрогенераторы перемещают магниты рядом с катушками проводов, чтобы создать напряжение в электрической сети.

Генерация постоянного тока создает напряжения, используя энергию света в фотоэлектрических элементах или энергию химических реакций, обычно внутри батарей, и даже разницу температур с помощью термопар.Чтобы узнать больше о физике напряжения, см. Гиперфизику.

Аккумулятор на 9 В имеет напряжение 9 В. Двойные батареи A, AAA, C и D имеют напряжение (разность потенциалов) 1,5 В.

Моделирование петов

Чем больше напряжение, тем больше тока проходит через цепь. Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета. Используя приведенное ниже моделирование, исследуйте, как увеличение напряжения увеличивает ток в цепи:

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

1. ↑ Это изображение предоставлено кем-то из команды.
2. ↑ R.T. Пэйнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 2, сек. 2.4, с. 49-50.

трансформаторов | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как работает трансформатор.
• Рассчитайте напряжение, ток и / или количество витков с учетом других величин.

Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжения из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление).Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный трансформатор (как на рисунке 1), который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, например, как показано на рисунке 2. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее.Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более знакомым с ростом количества электронных устройств, которые работают от напряжения, отличного от обычных 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme)

Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже до 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемый в этом тексте (см. Рисунок 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной и вторичной .При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке.

Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение В _с почти полностью зависит от входного напряжения В _p и соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает ее индуцированное выходное напряжение В _с равным

.

[латекс] {V} _ {\ text {s}} = — {N} _ {\ text {s}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex],

, где N _s — количество витков вторичной обмотки, а Δ Φ / Δ t — скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС ( В _с = ЭДС _с ), при условии, что сопротивление катушки невелико (разумное предположение для трансформаторов). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаковы с обеих сторон. Входное первичное напряжение В _p также связано с изменением магнитного потока на

[латекс] {V} _ {p} = — {N} _ {\ text {p}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Причина этого немного более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению магнитного потока, вызванному входным напряжением В _p , отсюда знак минус (это пример самоиндукции , тема, которая будет исследована в некоторых подробнее в следующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, правило петли Кирхгофа говорит нам, что наведенная ЭДС в точности равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках.Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменный выход, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор — это тот, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной.На практике это почти верно — КПД трансформатора часто превышает 99%. Уравнивание входной и выходной мощности,

P _p = I _p V _p = I _с V _с = P _с .

Перестановка терминов дает

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p}}} {{ I} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].

В сочетании с [латексом] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}} } {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex], мы находим, что

[латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{ N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex]

— это соотношение между выходным и входным токами трансформатора.Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора

Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 петель и потребляет ток 10,00 А. а) Какое количество петель во вторичной обмотке? (b) Найдите текущий выходной сигнал вторичной обмотки.

Стратегия и решение для (а)

Решаем [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s , номер петель во вторичной обмотке и введите известные значения.{4} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение для (а)

Для создания такого большого напряжения требуется большое количество контуров во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это справедливо для трансформаторов с неоновой вывеской и трансформаторов, подающих высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.

Стратегия и решение для (b)

Аналогичным образом мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N } _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для [латекса] {I} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для I _с и ввод известных значений.{4}} = 12,0 \ text {mA} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение для (б)

Как и ожидалось, текущий выход значительно меньше входного. В некоторых зрелищных демонстрациях используются очень большие напряжения для получения длинных дуг, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь составляет P _p = I _p V _p = (10,00 A) (120 В) = 1.20 кВт. Это равно выходной мощности P _p = I _с V _с = (12,0 мА) (100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.

Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если нет изменений в первичном напряжении, то во вторичной обмотке нет индуцированного напряжения. Одна из возможностей — подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка вырабатывает напряжение, подобное показанному на рисунке 4. Это не совсем практичная альтернатива, и переменный ток обычно используется везде, где необходимо увеличить или уменьшить напряжение.

Рис. 4. Трансформаторы не работают для входа чистого постоянного напряжения, но если он включается и выключается, как показано на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как показано на нижнем графике. Это не тот синусоидальный переменный ток, который нужен большинству устройств переменного тока.

Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора

Зарядное устройство, предназначенное для последовательного подключения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12.5 В постоянного тока) должен иметь выход 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с первичной обмоткой на 200 контуров и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной катушке? (b) Если ток зарядки составляет 16,0 А, каков ток на входе?

Стратегия и решение для (а)

Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество петель. Решение [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s и ввод известных значений дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {N} _ {\ text {s}} & = & {N} _ {\ text {p}} \ frac {{V} _ {\ text {s} }} {{V} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (\ text {200} \ right) \ frac {15.0 \ text {V}} {120 \ text {V}} = 25 \ end {array} \\ [/ latex]

Стратегия и решение для (b)

Текущие входные данные могут быть получены путем решения [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для I _p и ввод известных значений. Это дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {I} _ {\ text {p}} & = & {I} _ {\ text {s}} \ frac {{N} _ {\ text {s} }} {{N} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (16.0 \ text {A} \ right) \ frac {25} {200} = 2.00 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Количество петель во вторичной обмотке невелико, как и ожидалось для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток дает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для управления большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых контуров во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Заметим еще раз, что это решение основано на предположении о 100% КПД — или выходная мощность равна входной мощности ( P _p = P _с ), что является разумным для хороших трансформаторов.В этом случае первичная и вторичная мощность составляют 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки согласованности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые батареи необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный ток. Это делается с помощью так называемого выпрямителя, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают только односторонний ток.

Трансформаторы

находят множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в разделе «Электробезопасность: системы и устройства».

Исследования PhET: Генератор

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику, лежащую в основе этого явления, исследуя магниты и узнайте, как с их помощью загорается лампочка.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

  [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex],

  , где V _p и V _s — напряжения на первичной и вторичной катушках, имеющих N _p и N _s витков.

• Токи I _p и I _s в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением [латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ текст {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, что вызывает физические вибрации трансформаторов с частотой, в два раза превышающей используемую мощность переменного тока.

Задачи и упражнения

1. Подключаемый трансформатор, показанный на рисунке 4, подает 9,00 В в систему видеоигр. (a) Сколько витков во вторичной обмотке, если ее входное напряжение составляет 120 В, а первичная обмотка имеет 400 витков? (б) Какой у него входной ток, когда его выход 1,30 А?

2. Американская путешественница в Новой Зеландии несет трансформатор для преобразования стандартных 240 В в Новой Зеландии в 120 В, чтобы она могла использовать в поездке небольшие электроприборы.а) Каково соотношение витков первичной и вторичной обмоток ее трансформатора? (б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландец, путешествующий по Соединенным Штатам, мог использовать этот же трансформатор для питания своих устройств на 240 В от 120 В?

3. В кассетном магнитофоне используется подключаемый трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. (а) Каков текущий ввод? б) Какая потребляемая мощность? (c) Является ли такое количество мощности приемлемым для небольшого прибора?

4.(а) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная — 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток требуется для получения выходного сигнала 4,00 А? (c) Какая потребляемая мощность?

5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим 100% эффективность. (b) Если фактический КПД меньше 100%, потребуется ли входной ток больше или меньше? Объяснять.

6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную катушку с несколькими точками, в которых может быть снято напряжение, давая на выходе 5,60, 12,0 и 480 В. (a) Входное напряжение составляет 240 В на первичную катушку с 280 витками. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходного напряжения? (b) Если максимальный входной ток составляет 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ.Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение до 335 кВ. Вторичная обмотка этого трансформатора заменяется, так что его выходная мощность может составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности на модернизированных линиях электропередачи. (а) Каково соотношение оборотов в новой вторичной системе по сравнению со старой? (b) Каково отношение нового текущего выхода к старому выходу (при 335 кВ) при той же мощности? (c) Если модернизированные линии передачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новых линиях к старым?

8.Если выходная мощность в предыдущей задаче составляет 1000 МВт, а сопротивление линии составляет 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?

9. Необоснованные результаты Электроэнергия на 335 кВ переменного тока от линии электропередачи подается в первичную обмотку трансформатора. Отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной обмотки составляет N _с / N _p = 1000. (a) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

10. Создайте свою проблему Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух этапов. Первый — это трансформатор, который выдает намного большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы вычисляете выходное напряжение последней ступени на основе входного напряжения первой ступени и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки).Также рассчитайте максимальный выходной ток последней ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

Глоссарий

трансформатор:

Устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение преобразователя:

уравнение, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках; [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

повышающий трансформатор:

трансформатор, повышающий напряжение

понижающий трансформатор:

трансформатор, понижающий напряжение

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 30.0 (б) 9.75 × 10 ⁻² A

3. (a) 20,0 мА (b) 2,40 Вт (c) Да, такая мощность вполне разумна для небольшого прибора.

5. (a) 0,063 A (b) Требуется больший входной ток.

7. (а) 2,2 (б) 0,45 (в) 0,20, или 20,0%

9. (a) 335 МВ (b) слишком высокое, намного выше напряжения пробоя воздуха на разумных расстояниях (c) входное напряжение слишком высокое

Подстройка выходного напряжения источника питания

В технических описаниях источников питания постоянного тока могут быть спецификации, касающиеся возможности регулировки выходного напряжения.Это часто вызывает вопросы, связанные с тем, почему необходимо регулировать выходное напряжение, как внешняя цепь регулирует напряжение и почему ограничен диапазон регулировки напряжения? В этом блоге будут обсуждаться некоторые основы конструкции блока питания и их связь с операцией регулировки выходного напряжения и техническими характеристиками.

Что такое обрезка и как она используется?

Подрезка выходного напряжения источника питания означает просто небольшую регулировку напряжения. По соглашению, термин «подстройка» используется для приложений, в которых источник питания имеет заданное номинальное выходное напряжение, и пользователь может изменить выходное напряжение примерно на десять процентов или меньше.Чаще всего пользователи могут регулировать выходное напряжение источника питания, добавляя внешние компоненты, регулируя потенциометр, установленный на печатной плате, или подавая аналоговый или цифровой сигнал.

Источники питания с возможностью регулировки выходного напряжения обычно используются по двум причинам:

1. Performance — Приложения, в которых небольшое изменение выходного напряжения может повысить производительность продукта
2. Нестандартные напряжения — Требуется нестандартное выходное напряжение, и изменение выходного напряжения стандартного источника питания является наиболее эффективным средством для получения требуемого выходного напряжения

Одним из примеров повышения производительности за счет подстройки является падение напряжения вдоль силовых проводов в приложении.В этом случае выходное напряжение на клеммах источника питания может быть увеличено, чтобы компенсировать падение напряжения вдоль проводников. Применение подстройки выходного напряжения в этом приложении позволит напряжению на нагрузке быть на желаемом уровне, даже если в проводниках подачи энергии произошло падение напряжения.

Рисунок 1: Выходное напряжение источника питания подстроено таким образом, что напряжение источника питания
= требуемое напряжение нагрузки + падение напряжения полного сопротивления проводника

Некоторые источники питания доступны с выходным напряжением, указанным в виде диапазона, а не номинального значения, и выходное напряжение может быть изменено. регулируется в соотношении 1: 100.Эти типы источников питания часто обозначаются как регулируемые, регулируемые или лабораторные источники питания. Метод управления выходным напряжением в этих источниках питания обычно представляет собой аналоговый или цифровой сигнал, ручку или клавиатуру, установленную на панели. Этот класс источников питания часто используется, когда пользователь желает иметь один источник питания, который можно использовать во многих различных приложениях, и они не являются предметом внимания этого сообщения в блоге.

Методы обрезки

В регулируемом источнике питания масштабированное значение выходного напряжения приводится в соответствие с опорным напряжением с помощью контура обратной связи.Выходное напряжение источника питания может быть изменено путем изменения коэффициента масштабирования напряжения обратной связи, подачи сигнала подстройки в узел обратной связи или изменения опорного напряжения. Наиболее распространенные методы подстройки выходного напряжения источников питания — это подача тока (источник напряжения с высоким выходным сопротивлением) в узел обратной связи или изменение значения элемента импеданса в цепи обратной связи. Ниже приведены методы регулировки выходного напряжения в источниках питания.

Прикладное внешнее сопротивление

Группа разработчиков источника питания предоставляет контакт для внутреннего узла обратной связи. Источник напряжения с высоким выходным импедансом может быть сконструирован пользователем, если между выходным напряжением источника питания и землей будет размещена сеть резисторов с высоким импедансом. Затем узел этой сети внешних резисторов подключается к выводу внутреннего узла обратной связи и, таким образом, вводит соответствующий ток для подстройки выходного напряжения источника питания

.

Потенциометр

Команда разработчиков источников питания размещает потенциометр, установленный на печатной плате, в цепи обратной связи.«Горшок» доступен пользователю для регулировки выходного напряжения источника питания

Прикладное внешнее напряжение

Группа разработчиков источника питания предоставляет контакт, подключенный к внутренней схеме формирования сигнала, которая управляет внутренним узлом обратной связи. Пользователь прикладывает напряжение подстройки к внешнему выводу, и схема преобразования сигнала вводит требуемый ток в узел обратной связи для подстройки выходного напряжения.

Цифровой интерфейс

Группа разработчиков источников питания предоставляет пользователю цифровой интерфейс для регулировки выходного напряжения.Внутренний ЦАП и преобразователь сигнала преобразуют код цифровой подстройки в соответствующее аналоговое напряжение или ток для подстройки выходного напряжения.

Рисунок 2: Блок-схема топологии источника питания

Ограничения обрезки

Существует множество возможных причин, по которым диапазон подстройки выходного напряжения может быть ограничен. Некоторые общие причины для ограничения диапазона подстройки включают ограничения выходной мощности, стабильность контура обратной связи и пределы рабочего цикла. Регулировка выходного напряжения также может повлиять на ограничение тока на выходе блока питания, в зависимости от топологии конструкции блока питания.Изменения выходного напряжения и выходного тока могут повлиять на требуемые характеристики входного конденсатора большой емкости, переключателя первичной стороны, изолирующих магнитов, вторичных выпрямительных полупроводников и компонентов выходного фильтра. Стоимость, размер и сложность этих компонентов в конструкции источника питания могут быть увеличены, если диапазон подстройки выходного сигнала будет больше.

Рисунок 3: Элементы преобразователя, на которые может повлиять изменение выходного напряжения или тока.

Как упоминалось ранее, источники питания имеют внутренний контур обратной связи.Изменение выходного напряжения источника питания может повлиять на стабильность контура источника питания. Нестабильный контур источника питания может колебаться или фиксироваться, а чрезмерно стабильный контур может иметь медленное время отклика и, таким образом, обеспечивать плохое регулирование выходного напряжения при наличии переходных процессов нагрузки. Почти во всех современных конструкциях источников питания используется топология переключения для снижения стоимости и размера, а также повышения производительности. Во многих архитектурах импульсных источников питания изменение выходного напряжения влияет на рабочий цикл формы сигнала переключения.Как минимальные, так и максимальные пределы рабочего цикла формы сигнала переключения могут быть обнаружены, если выходное напряжение настроено слишком сильно.

Заключение

Выходное напряжение источника питания можно регулировать, чтобы обеспечить преимущества во многих приложениях. В большинстве случаев правильная подстройка выходного напряжения источника питания не является проблемой. Однако, если есть сомнения или вопросы, команда технической поддержки CUI готова помочь нашим клиентам.

Категории: Основы , Выбор продукта

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.ком

Передача электроэнергии при высоком напряжении

От побережья к побережью электричество передается по высоковольтным линиям электропередачи, чтобы обеспечить электроэнергией наши дома. В некоторых частях сетки в США Штатам передается электричество напряжением до 500 000 вольт. Потребность в высоком напряжении передачи возникает, когда необходимо передать большое количество энергии. на большое расстояние.

Почему высокое напряжение

Основная причина того, что мощность передается при высоком напряжении, заключается в повышении эффективности. Поскольку электричество передается на большие расстояния, существуют неотъемлемые потери энергии в пути. Передача высокого напряжения сводит к минимуму потери мощности при перетекании электричества из одного места в другое. Как? Чем выше напряжение, тем меньше ток. Чем меньше ток, тем меньше потери сопротивления в проводниках. И когда сопротивление теряет низки, малы и потери энергии.Инженеры-электрики учитывают такие факторы, как передаваемая мощность. и расстояние, необходимое для передачи при определении оптимального напряжения передачи.

Есть также экономическая выгода, связанная с передачей высокого напряжения. Более низкий ток, который сопровождает передачу высокого напряжения, снижает сопротивление в проводниках, поскольку электричество течет по кабелям. Это означает, что тонкие и легкие провода можно использовать для передачи на большие расстояния. Как результат, Опоры электропередачи не должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать вес более тяжелых проводов, которые были бы связаны с большим током.Эти соображения сделать передачу высокого напряжения на большие расстояния экономичным решением.

Рынок высокого напряжения

В последние годы быстрорастущий рынок возобновляемых источников энергии сыграл особенно большую роль на рынке высокого напряжения. Как более возобновляемые источники локализованных Электроэнергетика будет запущена, спрос на передачу высокого напряжения будет продолжать расти.

По всей территории Соединенных Штатов замена и модернизация существующей инфраструктуры передачи, а также добавление новых мощностей генерации и передачи являются ключевыми драйверами для рынка высокого напряжения.

О бета-версии

Beta Engineering спроектировала и построила множество высоковольтных проектов по всей стране. Мы специализируемся на услугах EPC для подстанции с газовой изоляцией (КРУЭ), распределительные устройства и подстанции, ФАКТЫ и ЛЭП высокого напряжения. Взгляните на избранные проекты из нашего портфолио, чтобы узнать больше о решениях EPC, которые может предоставить вам бета-версия.

Что такое номинальное напряжение?

Меры предосторожности при использовании резисторов

Номинальное напряжение и макс.при использовании резистора необходимо учитывать напряжение элемента.

Здесь мы определим два связанных термина: номинальное напряжение и макс. напряжение элемента и объясните их взаимосвязь.

Мы также обсудим соответствующие термины критического сопротивления и макс. напряжение перегрузки.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение макс. Напряжение переменного или постоянного тока, которое может непрерывно подаваться при номинальной температуре окружающей среды или температуре клемм.

В случае резисторов, даже при одинаковой номинальной мощности, подаваемое напряжение будет отличаться в зависимости от значения сопротивления и может быть рассчитано на основе номинальной мощности и значения сопротивления по следующей формуле (1).

Формула для номинального напряжения (1) может быть получена из закона Ома (2) и формулы расчета мощности (3) и пропорциональна значению сопротивления.

Хотя может показаться, что чем выше значение сопротивления, тем большее напряжение может быть приложено к элементу, но это не так.

Макс. элемент напряжения

Макс. Напряжение элемента — это предельное значение напряжения, которое может подаваться непрерывно, и применяется только к значениям сопротивления в области выше указанного значения сопротивления.

・ Соотношение между номинальным напряжением и макс. элемент напряжения

Номинальное напряжение рассчитывается по формуле (1), но для высоких сопротивлений напряжение, рассчитанное по этому выражению, может стать слишком высоким, что может привести к разрушению элемента при продолжительном применении.

Следовательно, значение, вычисленное по формуле (1), сравнивается с макс. напряжение элемента, а меньшее значение определяется как номинальное напряжение.

Это макс. Напряжение элемента указано для каждой серии и размера изделия.

[Определение номинального напряжения]

Ex:
Для номинальной мощности 1 Вт, сопротивления 100 кОм и макс. напряжение элемента,
・ Номинальное напряжение = √ (номинальная мощность x сопротивление) = √ (1,0 x 100000) ≒ 316V

Однако, поскольку макс. напряжение элемента составляет 200В, напряжение выше 200В не может быть приложено. Таким образом, номинальное напряжение для этого продукта составляет 200 В.

[Заключение]

■ Образец 1

Расчетное значение √ (номинальная мощность x сопротивление) <макс.Элемент Напряжение

→ Используйте рассчитанное значение √ (номинальная мощность x сопротивление) в качестве номинального напряжения.

■ Образец 2

Расчетное значение √ (номинальная мощность x сопротивление)> Макс. Элемент Напряжение

→ Используйте значение Макс. Напряжение элемента как номинальное напряжение. <Ключевой момент>

Сравните значение, вычисленное по приведенной выше формуле, с макс. напряжение элемента и определите меньшее из двух как номинальное напряжение продукта.

критическое сопротивление

Критическое сопротивление относится к удельному сопротивлению, описанному в макс. напряжение элемента выше.

[Критическое сопротивление при макс. напряжение элемента 200В]

Макс. напряжение перегрузки

Макс. Напряжение перегрузки — это максимальное напряжение, которое может быть приложено во время испытания на перегрузку (JIS C 5201-1 4.13) [и используется только для испытания на перегрузку].

Как и макс. напряжение элемента, это значение применяется к области с высоким сопротивлением, и если напряжение перегрузки, рассчитанное по (номинальному напряжению) x (гарантированный коэффициент для каждого продукта), увеличивается, повреждение из-за перенапряжения может произойти на высоких сопротивлениях.

Следовательно, макс. Напряжение перегрузки определяется как верхний предел напряжения, который может использоваться во время испытания на перегрузку.

Семейство резисторов .