Активные и реактивные сопротивления кабелей
Сечение жилы, | Активное сопротивление при 20 °С, Ом/км, жилы | Индуктивное сопротивление, Ом/км, кабеля напряжением, кВ | ||||
| алюминиевой | медной | 1 | 6 | 10 | 20 | |
| 10 | 2,94 | 1,79 | 0,073 | 0,11 | 0,122 | |
| 16 | 1,84 | 1,12 | 0,068 | 0,102 | 0,113 | — |
| 25 | 1,17 | 0,72 | 0,066 | 0,091 | 0,099 | 0,135 |
| 35 | 0,84 | 0,51 | 0,064 | 0,087 | 0,095 | 0,129 |
| 50 | 0,59 | 0,36 | 0,063 | 0,083 | 0,09 | 0,119 |
| 70 | 0,42 | 0,256 | 0,061 | 0,08 | 0,086 | 0,116 |
| 95 | 0,31 | 0,19 | 0,06 | 0,078 | 0,083 | 0,110 |
| 120 | 0,24 | 0,15 | 0,06 | 0,076 | 0,081 | 0,107 |
| 150 | 0,2 | 0,12 | 0,059 | 0,074 | 0,079 | |
| 185 | 0,16 | 0,1 | 0,059 | 0,073 | 0,077 | 0,101 |
| 240 | 0,12 | 0,07 | 0,058 | 0,071 | 0,075 | — |
Предыдущая запись
Цифровой мультиметр Mastech M838
Следующая запись
Базовые марки силовых кабелей 0,66 — 6 кВ
Вам также могут понравиться
Практическое пособие по определению возможной причастности токов короткого замыкания к воспламенению изоляции проводников, страница 13
5.
3. так
как в таблице 2 приложения 1 не указано индуктивное сопротивление провода
ППВ2х1,5, то его значение принимаем равным 0,3мОм/м (см. раздел 2.2 Выбор
расчетных условий).
5.4. активные и индуктивные сопротивления кабелей и проводов по формулам (7, 11) равны:
6. Вычисляются суммарные активные и индуктивные сопротивления фазного участка цепи.
7. Выбираются добавочные активные сопротивления rД, и рассчитывается суммарное добавочное активное сопротивление переходных контактов.
Так как отсутствуют достоверные данные о полном числе
контактов и о переходных сопротивлениях в них, принимаем (см.
Тогда суммарное добавочное активное сопротивление переходных контактов,
8. Рассчитываются активные и индуктивные сопротивления обратной («нулевой») цепи (аналогично п. 5 расчета приведенного выше).
8.1. так
как на участках электросети, выполненных кабелями АВВГ3х70+1х35 и АВВГ3х16+1х10,
при однофазном КЗ в качестве обратного провода будут выступать их «нулевые»
жилы сечением 35 и 10 мм
Тогда активные и индуктивные сопротивления обратного провода кабелей,
8.
2. на
участках электросети, выполненных проводами АПВ2х2,5 и ППВ2х1,5 в качестве
обратного провода будет выступать такая же жила, как и фазная, т.е. сечением
2,5 и 1,5 мм
Поэтому,
8.3. активные и индуктивные сопротивления обратного провода для АПВ2х2,5 и ППВ2Х1,5,
9. Вычисляются суммарные активные и индуктивные сопротивления обратного («нулевого») участка цепи.
10. Рассчитывается величина однофазного тока КЗ.
Подставив в формулу (12) полученные значения суммарных
активных и индуктивных сопротивлений фазного и нулевого участков
рассматриваемой системы, суммарное добавочное активное сопротивление, полное
расчетное сопротивление трансформатора току короткого замыкания и учитывая, что
фазное напряжение равно 220В получим ток однофазного короткого замыкания.
11. Оценим возможность воспламенения изоляции провода ППВ2х1,5 от прохождения по нему тока КЗ, равного 172А, и защите, осуществляемой автоматом А3160 с номинальным током расцепителя на 25 А.
11.1. определим кратность тока КЗ к номинальному рабочему току автомата (коэффициент кратности сверхтока К)
11.2.
составляет 0,9 — 2,5с.
11.3. по таблице 8 приложение 1 находим допустимый длительный ток для открыто проложенного медного проводника марки ППВ, сечением 1,5 мм2.
11.4. определим кратность тока КЗ к величине длительно допустимого тока для данного проводника:
11.5. по
рисунку 21 приложение 3 определим время, через которое может произойти
воспламенение изоляции провода ППВ2х1,5 при прохождении по нему тока КЗ равному
172А.
Изоляция может воспламениться через 5-10с.
11.6. сопоставив время, через которое может воспламениться изоляция (5-10с) со временем срабатывания защиты (0,9-2,5с), можно сделать вывод о том, что воспламенение изоляции токоведущих жил в результате прохождения по ним токов КЗ невозможно, так как защита отключит участок цепи раньше, чем произойдет разогрев провода до температуры воспламенения его изоляции.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица 1.
Активное и индуктивное сопротивление проводов
АКТИВНОЕ И ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДОВ [c.197]АКТИВНОГО И ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДОВ [c.198]
Построенные в соответствии с изложенным в 4-1 электрические характеристики дуговой печи дают возможность выбрать ее наиболее рациональный электрический режим. Такие характеристики для различных напряжений и мощностей трансформаторов или для реакторов с различными индуктивными сопротивлениями дают возможность выявить влияние ряда факторов на работу установки, т.
е. не только выбрать правильный режим ее по току, но и судить о целесообразности принятого напряжения, достаточности мощности печного трансформатора и индуктивности реактора и рациональности их изменений. Поэтому значение электрических характеристик весьма велико, и для каждой крупной печной установки их, безусловно, следует строить. Такое построение осуществимо двумя путями. Первый путь опытный— по записям показаний приборов для различных токов при нескольких ступенях напряжения, позволяющий получить зависимость активной и кажущейся мощностей, а следовательно, и коэффициента мощности от тока /2. Для определения полезной мощности печи в этом случае необходимо подключать дополнительные ваттметры непосредственно к электродам, у места их входа в свод. При таком опытном снятии электрических характеристик обычно ограничиваются практически наиболее интересной областью тока, соответствующей максимуму активной мощности. Для получения качественных результатов необходимо проводить опыт при спокойном режиме печи, т.
е. в период рафинирования, когда [c.105]
Формулы (11.7) и (11.8) являются основными для расчетов трехфазных сетей по потере напряжения, учитывающих как активное, так и индуктивное сопротивление проводов. Ниже без выводов приведены формулы для определения потери напряжения в линии с несколькими нагрузками. Вывод этих формул, а также подробная методика выполнения расчетов приводятся в курсах электрических сетей. [c.199]
Гн. Хн— удельное активное и индуктивное сопротивления нулевого провода. Ом/км [c.54]
Гф, Хф — суммарные активные и индуктивные сопротивления фазных проводов [c.51]
Так как емкость линии учтена в составе расчетных нагрузок, схема замещения сети (рис. Ь.Ъ.б) будет содержать лишь активные и индуктивные сопротивления проводов, определяемые с учетом нх площади сечения и числа цепей на рассматриваемых участках. [c.
133]
К, XJ и — активное, индуктивное и емкостное сопротивление провода (кабеля). [c.88]
Характерной особенностью расчета токов в сетях до 1 кВ является необходимость учета активных сопротивлений элементов цепи КЗ, которые в кабельных и внутридомовых сетях, выполняемых проводами в трубах и каналах строительных конструкций, значительно превышают индуктивные сопротивления. Существенное влияние на суммарное сопротивление цепи в таких сетях оказывают сопротивления контактов коммутационных аппаратов, максимальных расцепи-телей автоматических выключателей, обмоток трансформаторов тока, а также переходные сопротивления контактных соединений и дуги, возникающей в месте КЗ. Все активные сопротивления шин, проводов, кабелей при КЗ увеличиваются из-за повышенного нагрева при КЗ. [c.236]
Принципиальная схема прибора приведена на рис. ХП1.33. В схеме моста плечи могут быть выполнены из сопротивлений, однако в этом случае для каждой заданной температуры необходимо уравновешивать не только активные сопротивления, но и реактивные, образованные паразитными емкостями токоподводящих проводов и др.
Если же в качестве двух плечей применить две связанные между собой индуктивности и 4 и общую точ- [c.488]
В этом случае измерения должны проводиться в однофазном режиме мостовым методом (измерение индуктивности) с помощью высокочастотного потенциометра (измерение активного сопротивления). [c.88]
Рассмотрим трехфазиую линию, питающую симметричную нагрузку. Обозначим активное и индуктивное сопротивления проводов линии R и X (рнс. 7.5, а). Зная значение активной нагрузки Ps. ее коэффициент мощности os ф н напряжение ьа нагрузке Ug. определим ток в проводах лнннн. Как известно, при снмметрнчной нагрузке достаточно рассмотреть только одну фазу лннии, так как [c.106]
В мостике переменного тока достигнуть полного равенства потенциалов в точках С и О нельзя, потому что в цепи переменного тока, кроме активного омического сопротивления Я существует реактивное сопротивление Ясь- Последнее состоит из сопротивления емкости /шС и индуктивного соЬ, где со — частота переменного тока С — емкость Ь — индуктивность 1-= — 1 — оператор, соответствующий сдвигу фаз между током и напряжением на 90°.
Полное сопротивление (импеданс) ветви 2 / с, L. Равновесие в этом случае определяется отношением не сопротивлений, а импе-дансов 2м/2л = / г. Чтобы добиться полного равенства потенциалов в точках С и О, нужно по мере возможности устранить реактивные сопротивления в отдельных ветвях измерительного контура. Для этого следует брать короткие соединительные провода, контакты тщательно зачищать и припаивать, ветви мостика экранировать, а экран заземлять. Однако все эти меры не устраняют емкостного сопротивления электрической ячейки. [c.190]Схема универсальной цепи для преобразования полною сопротивления провода (в которое входят его активное сопротивление и индуктивность) в сопротивление нужной величины (50 Ом) приведена на рис. 3.10. Два ко1щеисатора обычно помещаются внутрь датчика возле катушки и настраиваются с помощью двух длинных стержней, проходящих через весь датчик. Настройка конденсаторов требуется для компенсации изме- [c.89]
Радиусом, равным /зф, из точки О проводится четверть окружности затем от вертикальной оси О—О откладывается падение напряжения в и.
чдуктивном сопротивлении печной устатювки х. Затем от полученной на окружности точки Е вниз откладывается падение напряжения на активном сопротивлении 1г. Отрезок ОЫ на вер-тикэльтюн оси представляет напряжение на дуге б д. В предельной точке В напряжение на дуге равно нулю и все фазное напряжение компенсирует падение напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях печной установки. Чем меньше величина тока лри данных значениях фазного напряжения и сопротивлениях г и х, тем выше коэффициент мощности печи и тем большая часть напряжения [c.304]
Формула полн — -о сопротивления системы фаза — земля (3.11) отличается от формулы (3.2) тем, что для расщепленной фазы прн определении активного сопротявлення и внутреннего индуктивного учитывается пучок параллельных проводов, образующих расщепленную фазу, а При определении внешнего индуктивного сопротивления вместо радиуса провода применяется эквивалентный радиус фазы г , который в зависимости от числа проводов рассчитывают по следующим формулам [c.
44]
На рассматриваемом этапе расчета не учитывают потери в линиях питаюшей сети. Потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях линий при максимальных нагрузках почти полностью компенсируются заряд ой мощностью емкости линии. Активные потери зависят от того, какова площадь сечения проводов, н на этом этапе расчета неизвестны Онн невелики и не могут оказать заметного влияния на значение наибольшей мощности, передаваемой по рассматриваемому участку сети. Поэтому площадь сечения проводов выбирают, не учитывая потери мощности в сети. [c.132]
Определение площади сечения проводов лини и. В сетях напряжением 110 кВ и выше применяют провода с большой плои дью сечения. Поэтому активные сопротивления обычно меньше индуктивных. Как известно, индуктивное сопротивление незначительно меняется с измеи нием площади сечения прово- [c.132]
Схема индуктивной ячейки может быть изображена в виде короткозамкнутого витка проводника, взаимодействующего с катушкой индуктивности (рис.
35, а). Такой виток наряду с определенной величиной активного сопротивления Rx обладает еще и некоторой индуктивностью L. Поэтому измерительную ячейку с раствором можно описывать как два связанных контура (см. рис. 35,6), взаимная индуктивность которых М. Первичный контур L2R2 образован собственно катушкой индуктивности и сопротивлением Rs ее провода, а вторичный контур Ri — исследуемым раствором. [c.139]
В том случае, когда желательно уменьшить размеры -моделей, необходимо применять более высокие частоты. По вашему мнению, для -моделирования коротких сетей -наиболее целесообразно применение частот 2 500 и 8 ООО гц. Модели получаются небольших размеров и могут быть быстро. изготовлены, а таки смещения по сравнению с токами проводимости -остаются пренебрежимо малыми. Поскольку на частоты 2 500 и 8 000 гц выпускаются только однофазные генераторы, то либо приходится проводить измерения в однофазном режиме, измеряя сопротивления контуров, образующихся при однофазных коротких замыканиях, либо применять статическое преобразование однофазного тока в трехфаз ный.
На рис. 48,а -приведена схема такого преобразователя [Л. 3], а на рис. 48,6 — его векторная диаграмма. Нужная величина сдвига между токами в нагрузке достигается соответствующим подбором величин и С. том случае, когда фазные сопротивления -нагрузки являются активными и равными между собой, емкость -и индуктивность в схеме преобразователя должны быть такими, чтобы было —х. [c.82]
Ввиду симметрии нагрузки расчет выполняют лишь для одной фазы лнннн передачи Предположим, что параметры лнннн, т. е. активное К и индуктивное X сопротивления ее проводов и реактивная (емкостная) проводимость В= ыС, известны. Ввиду отсутствия короны и малого тока утечки по изоляторам активную проводимость С можно принять равной нулю. [c.132]
| Системы электроснабжения
Приложения
Приложение 10 Удельные активные и индуктивные сопротивления трехжильных кабелей
Примечание: Активные и индуктивные сопротивления даны для трехжильных
кабелей с поясной изоляцией.
| |||||||||
пособие в
формате: 
Расчет сопротивления нулевой последовательности линии
Величина сопротивления нулевой последовательности используется в расчетах однофазного короткого замыкания методом симметричных составляющих. Но, зачастую проблематично найти значение этой величины в справочниках для различного исполнения электрических сетей, и, следовательно, невозможно выполнить расчет. При этом значения сопротивлений фазного и нулевого проводников в справочниках присутствуют. Как же быть?
Можно использовать следующие формулы расчета сопротивления нулевой последовательности:
где R0л (X0л) – активное (индуктивное) сопротивление нулевой последовательности линии;
Rф (Xф) – активное (индуктивное) сопротивление фазного проводника;
Rн (Xн) – активное (индуктивное) сопротивление нулевого проводника.
Вывод формул смотри ниже.
Сразу следует подчеркнуть, что этими формулами следует пользоваться, если сопротивление нулевой последовательности неизвестно. Если есть выбор, использовать справочные данные, или выполнить расчет сопротивления нулевой последовательности, то, наверное, следует отдать предпочтение справочным данным.
Итак, основным документом, регламентирующим расчеты токов короткого замыкания до 1000 В, является ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ». В справочном приложении 2 этого ГОСТ, в таблицах №№ 6-14 содержатся данные о сопротивлениях прямой и нулевой последовательностей для различного исполнения кабельных линий. К сожалению, есть варианты исполнения линий, довольно распространенные, для которых нет подходящей таблицы в этом стандарте. Например, нельзя найти параметры 4-жильного кабеля с алюминиевыми жилами в непроводящей оболочке, если сечение жил одинаковое (в табл.11 сечение нулевого провода меньше, чем сечение фазного).
Также, отсутствуют аналогичные данные для кабеля с медными жилами (в табл.14 приведены данные для кабеля в стальной оболочке; да и номенклатура сечений неполная).
В то же время, в справочниках есть данные сопротивлений для любого исполнения линий. Вот только приведены эти данные в виде сопротивлений фазного и нулевого проводников (для применения в расчетах тока однофазного короткого замыкания методом петли «фаза-ноль»), а не сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей. Логично предположить, что если результаты расчета по двум разным методам:
- методу петли «фаза-ноль»;
- методу симметричных составляющих,
приравнять, то можно сделать вывод о соотношениях сопротивлений, используемых в этих методах.
Формула расчета тока однофазного КЗ методом петли «фаза-ноль» выглядит следующим образом (см. [2] и [3]):
где U – линейное напряжение сети;
Uф – фазное напряжение сети;
Zпт – полное сопротивление петли фаза-ноль от трансформатора до точки КЗ;
Zс.
т. – сопротивление системы и трансформатора току однофазного КЗ
где Х1т, Х2т, Х0т, R1т, R2т, R0т – индуктивные (Х) и активные (R) сопротивления трансформатора токам прямой (1), обратной (2) и нулевой (0) последовательностей;
Хс – индуктивное сопротивление питающей сети;
Rд – сопротивление электрической дуги.
Перепишем формулу (3) в более удобной форме, при этом:
- учтем, что сопротивления прямой и обратной последовательностей равны;
- умножим числитель и знаменатель на 3;
- в знаменателе будем складывать не модули полных сопротивлений, а отдельно их активные и индуктивные составляющие (это сделает расчет более точным).
где Rф (Rн) – активное сопротивление фазного (нулевого) проводника линии;
Xф (Xн) – индуктивное сопротивление фазного (нулевого) проводника линии.
Вот формула расчета тока однофазного КЗ методом симметричных составляющих (см. [1], п.8.2.1, формула 24):
где R1сум. (R0сум.) – суммарное активное сопротивление прямой (нулевой) последовательности;
X1сум. (X0сум.) – суммарное индуктивное сопротивление прямой (нулевой) последовательности.
Перепишем формулу (6), подставив в нее значение фазного напряжения, а также расписав более подробно суммарные величины сопротивлений прямой и обратной последовательностей:
где R1л (R0л) – суммарное активное сопротивление прямой (нулевой) последовательности линии;
X1л (X0л) – суммарное индуктивное сопротивление прямой (нулевой) последовательности линии.
После сравнения формул (5) и (7) получим следующие выражения:
Считая, что Rф=R1л, Xф=X1л, выразим из соотношений (8) и (9) величины сопротивлений нулевой последовательности:
Итак, при отсутствии справочных значений о величине сопротивления нулевой последовательности линии, эти значения можно рассчитать, используя справочные данные сопротивлений фазного и нулевого проводников линии.
Используемая литература
- ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ».
- Кужеков С. Л. Практическое пособие по электрическим сетям и электрооборудованию / С.Л. Кужеков, С. В. Гончаров. – Ростов н/Д.: Феникс, 2007.
- Тульчин И. К., Нудлер Г. И. Электрические сети и электрооборудование жилых и общественных зданий. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энерготамиздат, 1990.
Эту статью можно обсудить ниже в комментариях или на форуме.
Определение активных и индуктивных сопротивлений проводов
Доброго времени суток. В данной статье речь пойдет о расчете активных и индуктивных сопротивлений для воздушных и кабельных линий из цветных металлов, таких как медь и алюминий. Данные расчеты обычно приходится выполнять, когда нужно выполнить расчет токов короткого замыкания в распределительных сетях.
Определение активного сопротивления проводов
Активное сопротивлении проводов проще всего определять по справочным данным, составленным на основании ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблицы 1 – 4. Данные таблицы вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТ, приведу лишь не которые.
Пользоваться всеми известными формулами по определению активного сопротивления — не рекомендуется [Л1. с.18],связано это с тем, что действительное сечение отличается от номинального сечения, провода выпускались в разное время, по разным ГОСТ и ТУ и величины удельной проводимости (ρ) и удельного сопротивления (γ) у них разные:
где:
- γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
- s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
- l – длина линии, м;
- ρ – значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 1.14 [Л2. с.30].
Активные сопротивления стальных проводов математическому расчету не поддаются. Поэтому рекомендую для определения активного сопротивления использовать приложения П23 – П25 [Л1. с.80,81].
Определение индуктивного сопротивления проводов
Индуктивное сопротивление воздушных линий для стандартной частоты f = 50 Гц и относительной магнитной проницаемости для цветных металлов µ = 1, определяется по известной всем формуле [Л1.с.19]:
где:
- Dср. – среднее геометрическое расстояние между проводами, мм;
- dр – расчетный диаметр провода (мм2), определяется по ГОСТ 839-80, таблицы 1 -4;
Среднее геометрическое расстояние между проводами определяется по формуле [Л1.с.19]:
где:
- D1-2 — расстояние между проводами первой и второй фазы;
- D2-3 — расстояние между проводами второй и третей фазой;
- D1-3 — расстояние между первой и третей фазой.
Данные значения определяются по чертежам опор линий электропередачи.
Для упрощения расчетов индуктивного сопротивления проводов рекомендуется использовать приложения П28-П31 [Л1.с.83-85], предварительно определив значение Dср.
Если же нужно выполнить приближенный расчет, то можно использовать в расчетах средние значения сопротивлений:
- для линий 0,4 – 10 кВ х = 0,3 Ом/км;
- для линий 35 кВ х = 0,4 Ом/км;
- для стальных проводов использовать приложение П6 [Л1.с.70];
Индуктивное сопротивление кабелей рассчитать довольно сложно, из-за различной их конструкции. Поэтому активные и индуктивные сопротивления кабелей рекомендуется принимать по справочникам, приложение П7 [Л1.с.70].
Если же нужно выполнить приближенный расчет, можно принять индуктивные сопротивления:
- для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,06 Ом/км для напряжения до 1000 В;
- для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,08 Ом/км для напряжения 6 – 10 кВ;
- для проводов проложенных на роликах х = 0,20 Ом/км;
- для проводов проложенных на изоляторах х = 0,25 Ом/км;
Литература:
1. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35 кВ, Голубев М.Л. 1980 г.
2. Справочная книга электрика. Григорьева В.И. 2004 г.
Источник: https://raschet.info
Сопротивление переменному току — обзор
Сопротивление переменному току
Сопротивление переменному току сердечника, оболочки или брони можно рассчитать из сопротивления постоянному току по следующей формуле:
(3.104a) R (ac) = R (dc) [ 1 + y (kS + kP)] Ом / км
, где y = 1 для одножильных, двухжильных и трехжильных кабелей, но y = 1,5 для трубчатых кабелей. k S и k P — это факторы скин-эффекта и эффекта близости, соответственно. Также
(3.104b) R (dc) = 1000ρA [1 + α20 × (T-20)] Ом / км
ρ — удельное сопротивление проводника в Ом, A — номинальное поперечное сечение проводника в м 2 , T — температура проводника в ° C, а α 20 в ° C -1 — постоянный массовый температурный коэффициент при 20 ° C. В таблице 3.1 приведены типичные значения для α 20 и удельного сопротивления при 20 ° C.
Таблица 3.1. Типичные значения α 20 и удельного сопротивления проводника при 20 ° C
| Материал | Температурный коэффициент α 20 (° C −1 ) при 20 ° C | Удельное сопротивление ρ 20 (Ом · м) при 20 ° C |
|---|---|---|
| Жилы | ||
| Медь | 3.93 × 10 −3 | 1,7241 × 10 −8 |
| Алюминий | 4,03 × 10 −3 | 2,8264 × 10 −8 |
| Оболочки или броня | ||
| Свинец | 4 × 10 −3 | 21,4 × 10 −8 |
| Бронза | 3 × 10 −3 | 3,5 × 10 −8 |
| Сталь | 4.5 × 10 −3 | 13,8 × 10 −8 |
| Нержавеющая сталь | 0 | 70 × 10 −8 |
Фактор скин-эффекта — это фактор дополнительного сопротивления, производимый переменный ток в изолированном проводнике из-за скин-эффекта определяется выражением
(3,105) kS = {z40,8 × z4 + 1920
, где z = 8πfaz / (104Rdc). Для медных проводников a z = 1 для нормально скрученных круглых и секторных проводников, но a z = 0.43 для сегментных проводников или проводников Милликена. Для многожильных кольцевых проводников a z = [( r o — r i ) / ( r o + r i )] [( r o + 2 r i ) / ( r o + r i )] 2 , где r i и r o являются кондукторами. внутренний и внешний радиусы соответственно.Как правило, z меньше 2,8 для большинства практических приложений. Хотя уравнение (3.105) для скин-фактора основано на упрощенном подходе, оно содержит ошибку менее 0,5% на промышленной частоте.
Фактор эффекта близости — это коэффициент дополнительного сопротивления из-за близости других проводников с переменным током, он равен
(3,106a) кП {2,9 × F (p) (dcS) 2 для двухжильных и двухжильных проводов. кабели F (p) (dcS) 2 [0,312 (dcS) 2 + 1,18F (p) +0,27] для трехжильных и трехжильных кабелей
, где
(3.106b) F (p) = p40,8 × p4 + 192andp = 8πfap104Rdc
d c — диаметр проводника, а S — осевое расстояние между проводниками. Как для меди, так и для алюминия a p равно 0,8 для круглых, секторных и кольцевых многожильных проводников. a p равно 0,37 для круглых сегментных жил.
Значения различных коэффициентов, используемых в уравнениях (3.104), (3.105) и (3.106), обычно предоставляются производителем кабеля.
Для трехфазного подводного кабеля можно использовать уравнения промышленной частоты, приведенные для подземных кабелей. Тем не менее, море теперь будет преимущественно заменять землю в качестве обратного пути и представлено следующим образом:
(3,107) RSea = 399,63 × ρSeafm
, где R море — внешний радиус возврата в море, представленный как эквивалентный проводник. и ρ Sea — удельное сопротивление морской воды. Эта концепция получена из расчета обратного импеданса в море, когда предполагается, что кабель полностью окружен бесконечным морем, которое действует как эквивалентный обратный проводник с внешним радиусом R Sea .Например, для типичного значения удельного сопротивления морской воды ρ Sea = 0,5 Ом, R Sea ≅ 40 м при 50 Гц. Интересно отметить, что в глубокой морской воде, где фазы кабеля проложены на расстоянии от 100 до 500 м друг от друга, электромагнитная связь между фазами будет очень слабой и обычно ею можно пренебречь. Внутренний импеданс морского возврата, представленный как эквивалентный проводник с радиусом R Sea , определяется как
(3.108) ZSea = π210-4f [1 + 4πkei (α)] + j4π10-4f [loge (RSear) -ker (α)] Ом / км
, где α = 1.123 × D / R Sea , D — среднее расстояние между фазами кабеля в м, r — радиус проводника в м, а ker (α) и kei (α) — функции Кельвина с вещественный аргумент α.
Для трубчатых кабелей расчет собственного и взаимного сопротивления более сложен, чем для подземных кабелей. Расчет потокосцеплений внутри стенки стальной трубы и снаружи трубы дополнительно осложняется нелинейной проницаемостью стальной трубы, которая сама по себе изменяется в зависимости от величины тока ZPS, протекающего по трубе в условиях замыкания на землю из-за трубы. насыщенность.Эффект насыщения должен вызвать снижение эффективного сопротивления ZPS кабеля; чем больше ток ZPS, тем больше снижение импеданса ZPS. Производители кабелей обычно обязаны предоставлять такие данные сетевым компаниям. Для анализа промышленной частоты обычно предполагается, что толщина трубы больше, чем глубина проникновения в стенку трубы, и что это предположение остается приблизительно верным при увеличении тока ZPS трубы. Это означает, что, помимо оболочек трех кабелей, труба является единственным каналом возврата тока и что ток не возвращается через землю.Тогда кабели внутри трубы можно рассматривать как три автономных одножильных кабеля, но с трубой, заменяющей землю, в качестве пути возврата тока. Глубина проникновения в трубу может быть рассчитана с использованием формулы глубины скин-слоя из уравнения (3.7b) δ = 503,292 × ρp / fμp, где ρ p и μ p — удельное сопротивление и относительная проницаемость трубы соответственно. Чтобы проиллюстрировать предположение о бесконечной толщине трубы, рассмотрим стальную трубу трубчатого кабеля на 132 кВ, имеющую толщину 6.3 мм, удельное сопротивление ρ p = 3,8 × 10 −8 Ом и относительная магнитная проницаемость μ p = 400. Глубина проникновения в трубу при 50 Гц равна δ = 1,32 мм. Это меньше, чем толщина трубы, и показывает, что обратный ток будет течь к внутренней стенке трубы и что обратным током через землю можно пренебречь. На рисунке 3.23 мы предполагаем, что каждая фаза кабеля состоит из сплошного проводника с сердечником радиусом r c , изоляции жилы и проводника оболочки с внутренним и внешним радиусом r — и r os , соответственно.Из рисунка 3.23 матрица собственного сопротивления фазы k кабеля внутри трубы равна
(3.109) Zk = [Zcc-kZcs-kZcs-kZss-k] = [Z1 + Z2 + Z3 + Z4 + Z5-2Z6Z4 + Z5-Z6Z4 + Z5-Z6Z4 + Z5]
, где Z 1 соответствует уравнению (3.7), а
(3.110a) Z2 = j4πf10-4loge (ris / rc) Z3 = 1000ρm2πrisD [ Io (mris) K1 (mros) + Ko (mris) I1 (mros)]
(3.110b) Z4 = 1000ρm2πrosD [Ио (mros) K1 (mris) + Ko (mros) I1 (mris)] Z5 = j4πf10- 4loge (q2-qk2qros)
(3,110c) Z6 = 1000ρ2πrisrosDm = 2δ-1ejπ / 4D = I1 (mros) K1 (mris) -K1 (mros) I1 (mris)
где Z от 1 до Z 6 в ю / км. I i и K i — это модифицированные функции Бесселя первого и второго вида порядка i соответственно. Внутреннее сопротивление трубы с обратным каналом, являющимся внутренней стенкой трубы, определяется как
(3.111) ZP-int = j4πμp10-4 {Ko (mq) mqK1 (mq) + 2∑n = 1∞ [(diq) 2nKn (mq) nμpKn (mq) -K′n (mq)]} Ом / км
Дано взаимное сопротивление в ω / км между проводниками i и k по отношению к внутренней стенке трубы. по
(3.112) Zi-k = j4πf10-4 {μpKo (mq) mqK1 (mq) + loge [qdi2 + dk2-2didkcosθik] + ∑n = 1∞ (didkq2) ncos (nθik) [2μpKn (mq) nμpKn (mq) — mqK′n (mq) -1n]}
, где K ′ n является производной от K n .
Исследование характеристик импеданса авиационных кабелей
Снижение напряжения и потери мощности в распределительных линиях системы электроснабжения самолета вредны для нормальной работы электрического оборудования и могут даже угрожать безопасности самолета. В этом исследовании изучается, как расстояние зазора (расстояние между кабелями самолета и обшивкой самолета) и частота напряжения (источник питания с переменной частотой будет принят для самолетов следующего поколения) повлияют на импеданс кабелей самолета.Точнее, механизм формирования сопротивления и индуктивности кабеля подробно проиллюстрирован, а тенденции их изменения в зависимости от частоты и расстояния зазора проанализированы с помощью электромагнитного теоретического анализа. Имитационная модель авиационного кабеля построена с помощью Maxwell 2D, и результаты моделирования согласуются с выводами, сделанными на основе теоретического анализа. Анализируются тенденции изменения четырех основных параметров, представляющих интерес: сопротивления, индуктивности, реактивного сопротивления и импеданса.Результаты исследования могут быть использованы в качестве справочных для приложений в системе электроснабжения самолетов с переменной скоростью и частотой (VSVF).
1. Введение
Система VSVF (переменной скорости и переменной частоты) в настоящее время рассматривается для использования в системе электроснабжения современных самолетов с целью замены системы CSCF (постоянной скорости и постоянной частоты) в связи с тем, что она проще и энергоэффективнее. эффективен и имеет более высокую удельную мощность [1]. Однако использование системы VSVF также ставит новые задачи, такие как снижение напряжения и потери мощности, вызванные сопротивлением кабеля самолета.
Авиационный кабель можно представить с последовательно соединенными резистором и индуктором, когда через него протекает переменный ток. Сопротивление и индуктивность кабеля не будут постоянными, а будут изменяться в зависимости от различных факторов, среди которых наибольшее значение имеют зазор и частота напряжения.
В настоящее время в Китае данные об импедансе авиационных кабелей и допустимой нагрузке по току все еще определяются HB5795-82, выпущенным в 1982 г. [2]. Однако данные, полученные на частоте 400 Гц в то время, не так точны из-за плохого оборудования и обратного метода измерения.Более того, этот промышленный стандарт необходимо расширить, поскольку частота напряжения в системе VSVF является переменной.
Можно найти литературу, в которой анализируются или вычисляются сопротивление и индуктивность прямого проводника. В ссылках [3, 4] представлен расчет полной индуктивности прямого проводника с постоянным током (DC) с использованием закона Био-Савара. В ссылке [5] предлагается метод расчета сопротивления переменного тока прямого кабеля, но индуктивностью пренебрегают.Экспериментальное исследование скин-эффекта, который тесно связан с частотой напряжения, представлено в [6]. Экспериментальный результат правильно отражает тенденцию изменения сопротивления и индуктивности кабеля при изменении частоты, но в нем отсутствует теоретический анализ. Вкратце, проблемы все еще существуют в следующих аспектах: (1) В большинстве работ сопротивление и индуктивность кабеля рассчитывается только для условий, когда постоянный ток течет через проводник [3, 4]. В других статьях этот вопрос изучается в условиях переменного тока, но вывод не является удовлетворительным.(2) Ссылка [7] анализирует эту проблему с помощью программы анализа магнитного поля методом конечных элементов, но не решает проблемы полностью. Кроме того, необходимо популяризировать метод, с помощью которого можно изучать проблемы, путем построения имитационных моделей, потому что удобнее изменять параметры и просматривать плотность тока и плотность потока, чего нелегко достичь в практических экспериментах. (3) Нет. В приведенных выше ссылках изучается, как внешняя электромагнитная среда будет влиять на сопротивление и индуктивность линий передачи.Например, обшивка самолета оказывает большое влияние на сопротивление кабеля самолета. Этому следует уделять больше внимания.
Таким образом, возникает необходимость в дальнейшем изучении импедансной характеристики авиационных кабелей.
В этой статье были приложены большие усилия. Импедансная характеристика авиационного кабеля, когда через него протекает переменный ток, состоит из четырех соотношений: зависимость сопротивления от частоты, индуктивность от частоты, зависимость сопротивления от расстояния зазора (расстояние между кабелями самолета и обшивкой самолета) и индуктивность в зависимости от расстояния зазора.На основе электромагнитной теории проанализированы тенденции изменения сопротивления и индуктивности кабеля в зависимости от частоты и расстояния зазора. Используются некоторые выводы, основанные на фундаментальной теории. Имитационная модель авиационного кабеля построена с использованием Maxwell 2D, продукта ANSYS Corporation. Результаты моделирования представлены как в виде графиков электромагнитного поля, так и в отчетах с данными. Последовательные выводы сделаны из двух вышеупомянутых аналитических подходов. В этом исследовании частота напряжения варьируется в диапазоне от 360 Гц до 800 Гц.Согласно HB5795-82, расстояние зазора колеблется от (радиус кабеля) до 110 мм. Расстояние зазора измеряется от центра кабеля до поверхности обшивки самолета, что означает, что кабель цепляется за обшивку самолета, когда расстояние зазора равно радиусу кабеля.
2. Анализ на основе электромагнитной теории
2.1. Анализ сопротивления
Хорошо известно, что сопротивление кабеля переменному току больше, чем сопротивление постоянному току. Это связано с тремя причинами: скин-эффектом, эффектом близости и внешней электромагнитной средой [8].Эффект близости — это явление, при котором проводник, по которому проходит высокочастотный ток, вызывает потери в меди в соседнем проводнике [9]. Это означает, что для определения эффекта близости требуется как минимум два провода. Что касается одиночного кабеля, изучаемого в этой статье, эффекта близости не существует.
Скин-эффект — это явление, при котором переменный ток имеет тенденцию течь в основном по поверхности проводника, что отличается от равномерного распределения по поперечному сечению проводника в случае постоянного тока, как показано на рисунке 1.Более высокая частота приведет к меньшей глубине кожи. Скин-эффект уменьшит эффективную площадь поперечного сечения кабелей и увеличит сопротивление [10]. Следует отметить, что плотность переменного тока в центре кабеля не обязательно может быть нулевой. Фактически, плотность тока на поверхности кабеля лишь немного больше, чем в центре, поскольку частота напряжения, используемая в системе VSVF, составляет всего несколько сотен герц.
Переменный ток, протекающий по кабелю, индуцирует магнитное поле, которое создает вихревой ток в обшивке самолета, а вихревой ток вызывает потери мощности.Согласно закону сохранения энергии, эти потери должны исходить от энергосистемы. Это эквивалентно добавлению дополнительного резистора в зависимости от исходного сопротивления кабеля. Более короткий промежуток приведет к большему вихревому току. А больший вихревой ток приводит к большему дополнительному резистору. Это явление можно объяснить и с микроскопической точки зрения. Магнитное поле, индуцированное вихревым током, оказывает силу Лоренца на электроны в кабеле и, таким образом, «проталкивает» ток к верху или «тянет» ток к низу кабеля.Это также вызывает уменьшение эффективной площади поперечного сечения кабелей и увеличение сопротивления. Этот момент будет обсуждаться более подробно с результатами моделирования в следующем разделе.
2.2. Анализ индуктивности
Индуктивность связана с самоиндуктивностью и взаимной индуктивностью. Самоиндукция складывается из внешней и внутренней индуктивностей. Внешняя индуктивность возникает из-за магнитного потока вне кабеля из-за полного тока. Здесь мы называем ток в кабеле «полным током», чтобы отличить его от «порционного тока», который связан с внутренней индуктивностью.Внешняя индуктивность не меняется при изменении частоты, потому что она зависит только от геометрии кабеля. Внутренняя индуктивность связана с потоком, создаваемым только частью, а не полным, тока внутри кабеля [11]. В отличие от внешней индуктивности изменение частоты влияет на внутреннюю индуктивность. Из-за скин-эффекта более высокая частота приводит к меньшему току вблизи центра кабеля, и внутренняя индуктивность уменьшается. В крайних случаях внутренняя индуктивность кабеля исчезнет, если частота будет достаточно высокой.В этом случае в кабеле нет тока, а полный ток течет по поверхности проводника.
Далее мы проанализируем, как расстояние зазора влияет на индуктивность кабеля. Для объяснения построена простая модель, показанная на рисунке 2. В этой модели по кабелю протекает постоянный ток, а не переменный ток, поскольку частота больше не учитывается. Кабель имеет радиус и пропускает ток. Прямоугольник с пунктирной линией внизу модели представляет обшивку самолета, а расстояние между ними равно.
Следующее выражение может быть получено в соответствии с законом обхода Ампера, что магнитодвижущая сила вокруг замкнутого пути равна полному току, заключенному на пути: где — плотность потока, — проницаемость вакуума, — расстояние между кабелем и элементарной зоной шириной.
Постоянный ток индуцирует постоянное магнитное поле, поэтому существует
Элементарный поток, обозначенный как, равен где — длина кабеля.
Следовательно, общий поток равен
Тогда самоиндукция кабеля рассчитывается по
Следует отметить, что самоиндукция кабеля определяется расстоянием зазора, длиной кабеля и радиусом [12].Самоиндуктивность увеличивается натуральным логарифмически с увеличением зазора.
Вихревой ток в обшивке самолета также индуцирует магнитное поле, часть которого окружает кабель, и по этой причине существует взаимная индуктивность. Во-первых, более высокая частота приводит к более заметному скин-эффекту и большему вихревому току, который, в свою очередь, вызывает более сильное магнитное поле. Таким образом, проверить влияние частоты на взаимную индуктивность практически невозможно. Во-вторых, поток, создаваемый вихревыми токами, окружающими кабель, уменьшается с увеличением зазора.Чем больше зазор, тем меньше вихревой ток и слабее магнитное поле. Таким образом, легко сделать вывод, что взаимная индуктивность уменьшается с увеличением зазора. Плотность тока кабеля в десять раз больше плотности вихревого тока в обшивке самолета, поэтому самоиндукция преобладает над общей индуктивностью. Прежде всего, индуктивность кабеля увеличивается с увеличением зазора. Из-за сложной электромагнитной обстановки количественные расчеты затруднены или даже невозможны.Если ожидаются более точные результаты, лучше изучить с помощью моделирования.
3. Имитационная модель авиационного кабеля
В этой статье модель кабеля (как показано на рисунке 3) построена с использованием программного обеспечения для моделирования электромагнитного поля Maxwell 2D, которое использует точный анализ конечных элементов (FEA) для решения электромагнитных проблемы [13]. Желтое круглое кольцо представляет собой изолированный слой. Красные кружки обозначают жилы. Зеленая часть показывает воздушный зазор между жилами.Оранжевый прямоугольник представляет обшивку самолета (обшивка самолета не показана полностью, потому что она слишком велика по сравнению с кабелем). На рисунке 3 показано состояние, когда кабель цепляется за обшивку самолета. Поскольку в лаборатории невозможно заставить кабель самолета полностью прилегать к обшивке самолета, между кабелем и обшивкой самолета вставляется зазор длиной в среднем 2 мм с целью сравнения результатов моделирования и результатов экспериментов. оба из них будут проиллюстрированы ниже.Частоту напряжения и расстояние зазора можно изменить в настройках программного обеспечения. На рисунке 4 показано сечение сетки имитационной модели отчасти потому, что сетки слишком плотные.
4. Анализ результатов моделирования
4.1. Анализ графиков электромагнитного поля
Поскольку частота напряжения в системе питания самолета довольно низкая, а частотный диапазон относительно узкий (от 360 Гц до 800 Гц), различия настолько незначительны, что графики практически одинаковы в каждой частотной точке. интуитивно понятно при фиксированном расстоянии зазора.Таким образом, в этой части основное внимание уделяется распределению плотности тока и графикам распределения плотности магнитного потока на различных расстояниях между зазорами, а частота напряжения зафиксирована на уровне 400 Гц. На рисунках 5 и 6 показано распределение плотности тока и распределение плотности магнитного потока при зазоре 110 мм.
Из рисунка 5 видно, что текущее распределение очень похоже на ситуацию, когда возникает скин-эффект. Плотность тока увеличивается от центра к поверхности кабеля в радиальном направлении.Причина, по которой разница в плотности тока незначительна, заключается в том, что 400 Гц довольно низок по сравнению с радиочастотой, которая всегда выше 1 МГц.
Закон обмоток Ампера может быть использован для анализа рисунка 6. Магнитное поле наиболее слабое в центре кабеля, где он содержит наименьший ток, и самое сильное на поверхности, где он окружает полный ток. За пределами поверхности плотность потока уменьшается по мере увеличения пути интегрирования, в то время как ток, который проходит путь, остается прежним (полный ток).
На рисунке 7 показано распределение тока, когда кабель цепляется за обшивку самолета. Также отображается распределение вихревых токов в обшивке самолета, как показано на рисунке 8.
Из-за вихревых токов в обшивке самолета рисунок 7 явно отличается от рисунка 5. Плотность тока наибольшая в верхней части кабеля и уменьшается по вертикали к низу кабеля. Это явление неочевидно, если зазор составляет 110 мм, как показано на рисунке 5.Причина в том, что 110 мм намного больше, чем радиус кабеля, который составляет менее 3 мм, а вихревой ток в обшивке самолета настолько мал, что вихревым эффектом можно пренебречь. Фактически, на распределение тока всегда в большей или меньшей степени влияет обшивка самолета.
Минус плотность тока в обшивке самолета, как показано на рисунке 8, означает, что вихревой ток течет в противоположном направлении по сравнению с током в кабеле. Нетрудно понять, что чем ближе кабель к обшивке самолета, тем больше плотность вихревого тока.
На рисунке 9 показано, как обшивка самолета влияет на распределение тока в кабеле. Согласно настройкам программного обеспечения, ток кабеля положительный, а именно вертикальный по отношению к бумаге наружу, а это означает, что носители тока-электроны движутся вертикально по отношению к бумаге внутрь. Рисунок 8 подразумевает, что вихревой ток представляет собой отрицательное индуцирующее магнитное поле, которое оказывает прямое воздействие на электроны в соответствии с законом силы Лоренца. В результате ток течет так, как будто он «проталкивается» к верхней части кабеля.Больший зазор приводит к более слабому магнитному полю и меньшей силе Лоренца. И распределение тока в кабеле, скорее всего, будет таким же, как на рисунке 5. Различная плотность тока означает различную эффективную площадь поперечного сечения кабеля. Более короткий зазор приводит к меньшей эффективной площади поперечного сечения и большему сопротивлению.
Распределение плотности потока при этом условии показано на рисунке 10. Вихревой ток также делает распределение плотности потока несимметричным по сравнению с рисунком 6.Синяя часть больше не находится точно в центре кабеля, как если бы она также «проталкивалась» обшивкой самолета. Особое внимание следует обратить на то, чтобы максимальная плотность потока находилась в нижней части кабеля, где плотность тока самая низкая. Как показано на Рисунке 10, цвет внизу кабеля темнее, чем наверху. Из рисунков 7 и 8 видно, что разница между максимальной и минимальной плотностью тока в кабеле составляет 0,0437 × 10 7 А / м 2 , что составляет лишь половину самой большой плотности вихревого тока, равной 8.6678 × 10 5 А / м 2 , и не следует пренебрегать вихревым эффектом. И ток кабеля, и вихревой ток создают правое магнитное поле в нижней части кабеля, поэтому минимальная плотность тока соответствует максимальной плотности потока.
Необходимо пояснить два момента. Во-первых, начальная фаза возбуждения тока равна 0, и все графики моделирования строятся в этот момент, что означает, что будет получено другое распределение тока и плотности потока, если при просмотре результатов моделирования будут выбраны другие фазы.Во-вторых, как проиллюстрировано ранее, графики почти одинаковы в каждой частотной точке интуитивно, когда расстояние зазора фиксировано. Например, когда кабель цепляется за обшивку самолета и частота составляет 800 Гц, можно получить другой график распределения плотности тока. Этот график очень похож на рисунок 7, который получается, когда кабель цепляется за обшивку самолета и частота составляет 400 Гц. Единственное различие между двумя графиками заключается в том, что один и тот же цвет в легендах означает разную плотность тока.Однако эти два пункта не повлияют на результаты исследования. Например, независимо от направления вихревого тока, а именно от того, «проталкивает» ли обшивка самолета или «вытягивает» ток кабеля, эффективная площадь поперечного сечения кабеля уменьшается, а сопротивление увеличивается. Распределение тока влияет на сопротивление, а плотность потока влияет на индуктивность. Импеданс кабеля является результатом комплексного воздействия всех этих факторов, упомянутых выше.
4.2. Анализ данных моделирования
Результаты моделирования можно просмотреть более простым способом.Когда кабель цепляется за обшивку самолета, сопротивление увеличивается, а индуктивность уменьшается с более высокой частотой, как показано на рисунках 11 и 12. Данные сопротивления и индуктивности на разных расстояниях между зазорами могут быть получены путем изменения имитационной модели. Фактически, тенденции изменения сопротивления и индуктивности по мере увеличения частоты на других расстояниях зазора такие же, как и в случае, когда кабель цепляется за обшивку самолета. Все данные моделирования в разных условиях (разные частоты и разные зазоры) показаны на рисунках 13 и 14.Сопротивление и индуктивность 1000 метров кабеля вычисляются путем простого умножения 1000 на данные, полученные в результате моделирования, которое по умолчанию вычисляет один метр модели с использованием FEA.
Те же выводы можно сделать из рисунков 13 и 14. Сопротивление авиационных кабелей увеличивается в результате увеличения частоты напряжения и уменьшения зазора. Индуктивность авиационных кабелей увеличивается в результате уменьшения частоты напряжения и увеличения зазора.
5. Характеристики импеданса пучков проводов
Чтобы полностью использовать ограниченное пространство внутри кабины и упростить установку электрических проводов, провода на воздушном судне обычно укладываются вместе. Нет сомнений в том, что импеданс проводов, передающих электроэнергию, изменится, когда схема прокладки проводов изменится с одиночной и разделенной на множественную и пучковую. Чтобы обеспечить безопасную работу провода и гарантировать, что электрооборудование не будет работать некорректно из-за слишком большого падения напряжения на проводе, необходимо изучить характеристики импеданса уложенных в пучок проводов.
Базовая модель пучков уложенных проводов показана на Рисунке 15, и семь проводов отдельно названы от Т1 до Т7. Фактором, влияющим на импеданс испытуемого провода, является амплитуда и фаза тока. Различный диаметр провода означает, что амплитуда тока, протекающего через провод, отличается. Кроме того, когда несколько проводов сгруппированы вместе, основной провод T1 пучка наиболее сильно страдает от взаимной индуктивности соседних проводов и эффекта близости, и его изменение импеданса больше по сравнению с прокладкой отдельно.Таким образом, в данной статье изучается, как изменяется импеданс сердечника провода, уложенного в пучки, когда диаметр внешнего провода и фаза тока различаются.
Имеется пять основных схем укладки пучков проводов для одного главного генератора (установка частоты 400 Гц).
Первый тип: семь диаметров проводов равны друг другу, а амплитуда и фаза тока также совпадают, все амплитуды которых равны 10 В, что показано на рисунке 15.
Второй тип: диаметр от T2 до T7 меньше, чем T1, и ток, протекающий через них, составляет 5 А, тогда как ток T1 составляет 10 А, а начальная фаза каждого провода составляет 0 градусов, что показано на рисунке 16.
Третий тип: диаметр от T2 до T7 больше, чем T1, и ток, протекающий через них, равен 20 A, тогда как ток T1 равен 10 A, и начальная фаза каждого провода равна 0 градусов, что показано на рисунке 17.
Четвертый тип: T3 и T6 имеют тот же диаметр, что и T1, и ток трех проводов составляет 10 A, тогда как T2 и T5 имеют больший диаметр, чем T1, ток которого составляет 20 A, и Диаметр T4 и T7 меньше, чем у T1, через них протекает ток 5 А, как показано на рисунке 18.И начальная фаза каждого провода — 0 градусов.
Пятый тип: семь диаметров проводов равны друг другу, и ток, протекающий по ним, равен 10 В. Для максимальной симметрии электрическая фаза A подключается к T1, T2 и T5, электрическая фаза B — подключен к T3 и T6, а электрическая фаза C подключена к T4 и T7, как показано на рисунке 19.
На рисунке 20 показаны формы сигналов напряжения и тока исследуемого провода, полученные путем совместного моделирования.
Сравнивая данные импеданса первых трех типов, можно обнаружить, что значение импеданса сердечника провода увеличивается с увеличением амплитуды тока внешнего провода.Это связано с тем, что эффект близости и взаимная индукция между сердечником и внешними проводами увеличиваются, когда увеличивается амплитуда тока внешних проводов. Эффект близости увеличивает сопротивление сердечника провода, а взаимная индукция увеличивает реактивное сопротивление провода сердечника, поэтому общее значение полного сопротивления провода сердечника увеличивается.
Что касается четвертого типа, даже если средний ток на каждом проводе равен первому, диаметр провода и ток, протекающий по проводам, асимметричны, что делает падение напряжения на проводе T1 самым большим, поэтому значение импеданса составляет Т1 самый большой.
Далее исследуются плотность тока и распределение напряженности магнитного поля на проводе Т1 по первой и четвертой проложенным диаграммам.
Как видно из рисунка 21, распределение плотности тока на проводе T1 является однородным, когда ток внутри внешних проводов такой же, как ток сердечника провода, и это связано с тем, что эффекты близости от внешних проводов компенсируют друг друга. , в то время как внешние провода показывают, что плотность тока мала у стороны сердечника и большая вдали от стороны сердечника.На рисунке 22 распределение плотности тока на проводе T1 выглядит неравномерно по сравнению с показателем на рисунке 21, и это потому, что ток в T2 и T5 больше, чем ток в T1, тогда как ток в T4 и T7 меньше, чем ток в T2 и T5. в Т1; следовательно, эффект близости является значительным, когда T1 близок к T2 и T5, что приводит к уменьшению плотности тока, и эффект близости является слабым, когда T1 близок к T4 и T7, что делает плотность тока относительно большой, и эквивалентным перекрестным током. площадь сечения, через которую протекает ток в T1, уменьшается, поэтому сопротивление провода T1 увеличивается.
Распределение напряженности магнитного поля на проводе T1 такое же, как соответствующее распределение плотности тока в первом и четвертом типах по отдельности, но поток на поперечном сечении провода T1 в четвертом типе намного больше, чем у в первом типе, поэтому значение реактивного сопротивления провода T1 в четвертом типе больше, чем в первом типе.
Сравнивая данные первого типа с данными пятого типа в таблице 1, можно увидеть, что импеданс провода T1, проложенного трехфазно симметрично, намного меньше, чем сопротивление провода, проложенного вместе, когда провода проходят через тот же фазный ток, а полное сопротивление T1 в пятом типе даже меньше, чем полное сопротивление T1 во втором типе.Из приведенного выше анализа матрицы импеданса двух проводов в разделе моделирования можно понять, что если трехфазный симметричный ток течет по внешним проводам, синтетическое падение напряжения на проводе T1 будет значительно ослаблено, в результате чего значение импеданса составит сердечник провода Т1 минимум.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
Этот результат можно рассматривать как полезный справочник для авиационной техники.Чтобы обеспечить безопасную работу провода в пучках, уложенных друг на друга проводах, а также уменьшить падение напряжения и потери мощности в распределительных линиях, мы должны соблюдать следующие правила: если внешние провода можно проложить трехфазно симметрично, их нельзя прокладывать вместе, если внешние провода протекают через одинаковый фазный ток. Когда он должен быть уложен вместе, диаметр внешних проводов должен быть меньше диаметра сердечника провода, чтобы ослабить влияние эффекта близости на сердечник провода в связке проводов.А внешние провода разного диаметра избегают наложения вместе.
6. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных результатов
Эксперимент по измерению импеданса авиационных кабелей был проведен в лаборатории с использованием метода спектрального анализа [14, 15] для 30 м авиационного кабеля, на основе которого построена имитационная модель. построен. Экспериментальная установка показана на рисунке 23.
Ток последовательно проходит через контактор, датчик тока, кабели самолета, регулируемую нагрузку, обшивку самолета и землю.Конденсатор фильтра подключен параллельно кабелю самолета с целью сглаживания гармонических волн. Перегрузки по току можно избежать благодаря регулируемой нагрузке. Кабели самолета прокладываются над обшивкой самолета с расстоянием зазора от радиуса кабеля до 110 мм. Амперметр и вольтметр подразумевают, что необходимы данные как по току, так и по напряжению, включая каждую амплитуду и фазу. Данные не собираются с использованием реальных амперметра и вольтметра, которые слишком неточны. Ток измеряется с помощью преобразователя тока производства компании LEM и преобразуется в сигнал напряжения с точным сопротивлением.Как преобразованный сигнал напряжения, так и напряжение на измеряемом кабеле самолета собираются с частотой дискретизации до 200 к / с с использованием высокоскоростного оборудования для сбора данных GEN7t, HBM Corporation [16]. Затем данные обрабатываются компьютерной программой для расчета сопротивления и индуктивности кабеля самолета. Результаты были преобразованы из комнатной температуры в 20 ° C и показаны на рисунках 24 и 25.
Тот же вывод, что и в разделе 4, можно сделать из данных лабораторных испытаний.Это открытие можно рассматривать как полезный справочник для авиационной техники. Например, лучше проложить кабели самолета так, чтобы они цеплялись за обшивку самолета, чтобы уменьшить перекрестные наводки [17], но сопротивление наибольшее в этом состоянии, а это означает большие потери мощности. Даже если расстояние зазора больше не учитывается, сопротивление при 800 Гц почти на восемнадцать процентов больше, чем при 360 Гц, и это также подразумевает большие потери мощности. Однако более короткий промежуток и более высокая частота становятся преимуществами, когда дело доходит до индуктивности, потому что в этих условиях индуктивность меньше.Как всем известно, индуктивность кабеля вызывает отставание по фазе тока, и поэтому существует реактивная мощность. Меньшая индуктивность приводит к более низкой реактивной мощности, и генератор может быть спроектирован меньше и легче. При прокладке авиационных кабелей на самолетах должен быть достигнут компромисс.
Следует отметить, что, хотя тенденция данных моделирования показывает хорошее согласование с данными лабораторных испытаний, абсолютное значение индуктивности сильно отличается. Например, ошибка достигает 20%, когда кабель цепляется за обшивку самолета.Все это происходит по следующим причинам: (1) Из-за защиты коммерческой тайны и по другим причинам невозможно получить точные значения размеров и материалов кабелей и обшивки самолета, которые чрезвычайно важны в процессе моделирования. Относительная диэлектрическая проницаемость, относительная проницаемость, объемная проводимость, тангенс угла диэлектрических потерь и тангенс угла магнитных потерь — все это важные параметры. Модель, используемая в этой статье, построена на основе опыта автора и данных, найденных в Интернете.(2) Имитационная модель недостаточно точна. Например, для удобства моделирования вместо многожильных проводов используются параллельные медные жилы с никелевым покрытием. А также фактические авиационные кабели состоят из брони, оболочки, прокладок и других компонентов, за исключением проводов и изоляции, которые составляют имитационную модель примерно [17, 18]. (3) Модель имитирует сопротивление и индуктивность кабелей, которые расположены прямо, но это сложно реализовать в лаборатории с ограниченными размерами.Таким образом, данные моделирования не могут учитывать эффект близости и другие электромагнитные помехи.
7. Анализ данных
Фактически, эксперименты по измерению импеданса проводятся на шести типах кабелей, которые обозначены,,,, и, соответственно, и (- радиус кабеля). Имитационная модель, построенная в разделе 3, основана на. В этом разделе анализируются четыре интересующих параметра: сопротивление, индуктивность, реактивное сопротивление и импеданс.
Для каждого типа кабелей, как показано выше, увеличивается в результате увеличения частоты напряжения и уменьшения расстояния зазора.И чем больше, тем меньше абсолютное значение, когда частота напряжения и расстояние зазора одинаковы. увеличивается быстрее, когда кабель цепляется за обшивку самолета, по сравнению с другими зазорами.
Для каждого типа кабелей, как показано выше, увеличивается в результате уменьшения частоты напряжения и увеличения промежутка. И чем больше, тем меньше абсолютное значение, когда частота напряжения и расстояние зазора одинаковы. уменьшается быстрее, когда кабель цепляется за обшивку самолета, по сравнению с другими зазорами.
Из уравнения мы знаем, что определяется как частота напряжения, так и. Хотя индуктивность уменьшается с увеличением частоты, согласно результатам расчетов, она все же увеличивается с увеличением частоты. Это означает, что увеличение частоты имеет больший эффект, чем уменьшение. И чем больше, тем меньше абсолютное значение, когда частота напряжения и расстояние зазора одинаковы.
Из уравнения мы знаем, что определяется как и. Когда частота напряжения и зазор одинаковы, оба и становятся меньше по мере увеличения, поэтому становятся меньше по мере увеличения.И для определенного типа кабеля оба и становятся больше с увеличением частоты, поэтому становятся больше с увеличением частоты. Однако влияние расстояния разрыва на это не так просто, потому что оно следует различным тенденциям изменения по мере увеличения расстояния разрыва. Для кабелей с меньшим размером, и, намного больше, чем () и доминирует, поэтому влияние зазора зависит от того, как влияет зазор, в то время как для кабелей с большим размером, и, не намного меньше или даже больше, чем Таким образом, влияние зазора зависит от того, как зазор влияет как на, так и на.Для и увеличивается с увеличением зазора. Для « и уменьшается с увеличением зазора. Для, уменьшается по мере увеличения промежутка в низкочастотном диапазоне и увеличивается по мере увеличения промежутка в высокочастотном диапазоне.
8. Выводы
Этот вывод, сделанный в этом документе, можно рассматривать как полезный справочник для авиационной техники. Чтобы уменьшить падение напряжения и потери мощности в распределительных линиях в процессе расчета импеданса электросети самолета, кабели с большим радиусом следует размещать рядом с обшивкой самолета, а кабели с меньшим радиусом — как можно дальше от обшивки самолета. .
Приведенный выше анализ учитывает только полное сопротивление сети, и, возможно, придется принять компромиссную формулу при всестороннем рассмотрении. Например, лучше проложить кабели самолета, цепляясь за обшивку самолета, чтобы уменьшить перекрестные помехи, но в этом случае сопротивление будет наибольшим, а это означает большие потери мощности. Даже если зазор больше не учитывается, сопротивление на 800 Гц больше, чем на 360 Гц, и это также подразумевает большие потери мощности. Однако более короткий промежуток и более высокая частота становятся преимуществами, когда дело доходит до индуктивности, потому что в этих условиях индуктивность меньше.Меньшая индуктивность приводит к более низкой реактивной мощности, и генератор может быть спроектирован меньше и легче. При прокладке кабелей на самолетах необходимо достичь компромисса.
Конкурирующие интересы
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.
Выражение признательности
Эта работа поддержана Государственной ключевой лабораторией электроизоляционного и энергетического оборудования (грант № EIPE14203), Шэньсиской ключевой лабораторией малых и специальных электрических машин и приводной техники (грант №2013SSJ1001), Государственная ключевая лаборатория альтернативных электроэнергетических систем с возобновляемыми источниками энергии (грант № LAPS15018), Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов (грант № 3102015ZY052) и Национальный фонд естественных наук Китая (грант № 51407144). ).
Калькулятор импеданса индуктора • Электрические, радиочастотные и электронные калькуляторы • Онлайн-преобразователи единиц
Обратите внимание, что величина импеданса идеального индуктора равна его реактивному сопротивлению. Однако они не идентичны из-за сдвига фаз между напряжением и током в индуктивной цепи.Для расчета используется следующая формула:
где:
X L — реактивное сопротивление катушки индуктивности в Ом (Ом),
Z L — полное сопротивление катушки индуктивности в Ом (Ом). ),
ω = 2πf — угловая частота в рад / с,
f — частота в герцах (Гц),
L — индуктивность в генри (H) и
j — мнимая единица.
Для расчета введите индуктивность и частоту, выберите единицы измерения, и результат будет показан в омах.
Катушка индуктивности — это пассивный электрический компонент с двумя выводами, состоящий в основном из изолированного провода, намотанного на магнитопровод или без него (воздушный сердечник) в виде катушки. Катушки индуктивности еще называют катушками и дросселями. Магнитопровод обычно изготавливается из ферромагнитного металла, например железа или ферромагнитной керамики (феррита), и используется для увеличения магнитного поля и, таким образом, для увеличения индуктивности катушки.Как и конденсаторы, индукторы используются для хранения энергии. Однако, в отличие от конденсаторов, энергия в катушках индуктивности накапливается в магнитном поле, окружающем катушку индуктивности. Одно из применений катушек индуктивности — фильтры, используемые для устранения пульсаций на выходе постоянного тока или для предотвращения передачи радиочастотных (РЧ) помех через кабели. Индукторы широко используются в настраиваемых схемах радиопередатчиков и приемников, а также в трансформаторах.
Высокодобротный индуктор с воздушным сердечником в радиопередатчике
В отличие от конденсаторов, которые противодействуют скорости изменения напряжения на своих пластинах , индукторы противодействуют скорости изменения тока, протекающего через них, .В отличие от конденсаторов, которые не пропускают постоянный ток, индукторы легко пропускают его через себя. Индукторы сопротивляются только переменному току или изменяющемуся току, и эта способность сопротивляться току прямо пропорциональна их врожденному свойству, называемому индуктивностью, которая обозначается символом L в честь русского физика Эмиля Ленца и измеряется в генри, названной в честь американского ученого Джозефа Генри.
В отличие от резисторов, которые просто противодействуют прохождению через них электрического тока, создавая напряжение, прямо пропорциональное току, индукторы противодействуют изменениям тока , протекающего через них.Они создают падение напряжения, прямо пропорциональное скорости изменения тока через них . Полярность этого индуцированного напряжения всегда такова, что напряжение пытается поддерживать изменяющийся ток в его текущем состоянии. Например, когда ток увеличивается, напряжение имеет тенденцию противодействовать этому увеличению и поддерживать меньший ток, а когда ток уменьшается, напряжение имеет тенденцию противодействовать этому уменьшению и поддерживать более высокий ток. Более высокие скорости изменения тока всегда вызывают большее обратное напряжение.Из-за этого свойства это напряжение называется «обратной электродвижущей силой» («противо-ЭДС»). Чтобы отличить это свойство катушек от сопротивления, оно называется реактивным сопротивлением . Если на катушку подается синусоидальное напряжение, более высокие скорости изменения происходят на более высокой частоте, поэтому на более высоких частотах катушка становится более устойчивой к току, и ее реактивное сопротивление также увеличивается, как показано на графике.
График идеального реактивного сопротивления катушки индуктивности X L и тока, протекающего через катушку индуктивности I в зависимости от частоты f для данной индуктивности, показывает прямую пропорциональность частоты для реактивного сопротивления и обратную пропорциональность для тока
Как и реактивное сопротивление, полное сопротивление Z также измеряется в омах (Ом) и состоит из двух составляющих — действительной и мнимой части.Первый — это сопротивление R, которое замедляет ток из-за материала, который плохо проводит электричество, и его формы. Второй компонент — это реактивное сопротивление X, о котором говорилось выше, которое замедляет ток из-за противодействия электрического и магнитного полей.
Если реальная катушка индуктивности подключена к источнику постоянного тока , через нее протекает постоянный постоянный ток, который ограничивается только низким сопротивлением провода, из которого она сделана. Когда катушка индуктивности подключена к источнику постоянного напряжения постоянного тока, ток будет течь через катушку и медленно повышаться до своего максимального значения, которое определяется внутренним сопротивлением источника питания и внутренним сопротивлением витков катушки.Самоиндуцированная ЭДС на катушке индуктора предотвращает быстрое увеличение тока и «борется» с приложенным напряжением, пока ток не достигнет своего максимального значения.
Если источник постоянного тока отключен от индуктора, ток, протекающий через него, будет постоянно падать до нуля, и снова обратная ЭДС индуктора будет «бороться» с изменением тока и будет пытаться сохранить ток неизменным. Со временем ток постепенно упадет до нуля.
В чисто индуктивной цепи ток отстает от напряжения на π /2 или 90 °.1 — ток имеет отрицательный максимум, скорость его изменения равна нулю, а напряжение равно нулю; 2 — ток равен нулю, скорость его изменения максимальная, а напряжение положительное максимальное; 3 — ток имеет положительный максимум, скорость его изменения равна нулю, а напряжение равно нулю; 4 — ток равен нулю, его скорость изменения максимальна, а напряжение — отрицательному максимуму
Если на катушку подается переменное синусоидальное напряжение , ток будет отставать от напряжения на некоторый фазовый угол, как показано на картинке.Для чистого индуктора этот фазовый угол будет составлять 90 ° или цикла. В точке на оси времени ( ωt = π /2), в которой ток равен нулю, на катушке индуктивности имеется положительное максимальное напряжение. По прошествии времени ток постепенно увеличивается, и вокруг катушки также нарастает магнитное поле. В этом магнитном поле индуцируется ЭДС, противодействующая току. Эта ЭДС является реакцией на изменение протекающего через него тока, и она максимальна, когда ток равен нулю, потому что в этот момент скорость изменения тока максимальна.Когда ток находится на пике (положительном или отрицательном), скорость изменения синусоидального тока равна нулю, и в этих точках обратная ЭДС также равна нулю. Это приводит к тому, что волна напряжения на 90 ° или π /2 не совпадает по фазе с волной тока. То есть напряжение опережает ток или ток отстает от напряжения.
Рассмотрим аналогию: Солнце (солнечный свет — напряжение) наиболее мощно в астрономический полдень, но самая жаркая часть дня (температура — ток) обычно наступает на несколько часов позже.Или зимнее солнцестояние в северном полушарии (самый короткий день) приходится на конец декабря, но самые холодные месяцы еще впереди — в зависимости от того, где вы живете, это январь или даже февраль. Причина этого «сезонного запаздывания» или «фазового сдвига» заключается в поглощении энергии Солнца массивными океанами Земли. Позже они отпускают его медленно — точно так же, как это делают индуктивности.
Зимнее солнцестояние в северном полушарии (самый короткий день) приходится на конец декабря, но самые холодные месяцы еще впереди — так ведет себя ток в катушке индуктивности
Расчетное сопротивление является мерой индуктивности. сопротивление сигналу на определенной частоте , который проходит через него.Индуктивное реактивное сопротивление изменяется с изменением частоты приложенного переменного напряжения. Формула и график выше показывают, что реактивное сопротивление катушки индуктивности X L велико на высоких частотах и мало на низких частотах (конденсаторы ведут себя противоположным образом). На высокой частоте индуктивное сопротивление становится очень большим или полностью противоположным току. Индуктор блокирует ток высокой частоты. С другой стороны, при очень низких частотах или постоянном напряжении индуктор проводит очень хорошо — отсюда правило, которое мы усвоили в средней школе: индукторы блокируют переменный ток и пропускают постоянный ток.Если частота очень низкая, индукторы очень хорошо пропускают сигналы. Вот почему в кроссоверы вставляют катушки индуктивности, чтобы блокировать высокие частоты от драйверов сабвуфера.
Импеданс измеряется в омах, как и сопротивление. Так же, как сопротивление, импеданс показывает величину сопротивления индуктора потоку электрического тока. Но чем импеданс отличается от простого сопротивления? Разница заключается в зависимости импеданса от частоты сигнала. Сопротивление не зависит от частоты, а полное сопротивление катушек индуктивности зависит от нее.Импеданс катушек индуктивности уменьшается с увеличением частоты.
Этот калькулятор разработан для идеальных катушек индуктивности. Настоящие катушки индуктивности всегда имеют некоторое сопротивление последовательно с индуктивностью. Используйте наш калькулятор импеданса RL для расчета импеданса реальных катушек индуктивности.
Индукторы в ВЧ модуле телевизионного приемника
Эта статья написана Анатолием Золотковым
Разница между сопротивлением и реактивностью (со сравнительной таблицей)
Сопротивление и реактивное сопротивление — два основных термина, которые вместе формируют импеданс электрической цепи.Решающее различие между сопротивлением и реактивным сопротивлением состоит в том, что сопротивление препятствует прохождению электрического тока только через резистор. В отличие от реактивного сопротивления, это сопротивление изменению тока катушкой индуктивности или конденсатора.
В основном, препятствие для прохождения электрического тока в любой цепи определяется как импеданс . Импеданс — это сложный термин, представляющий собой комбинацию реальных и мнимых значений. В этом разделе мы обсудим различные факторы различия между сопротивлением и реактивным сопротивлением, используя сравнительную таблицу.
Содержание: сопротивление против реактивного сопротивления
- Сравнительная таблица
- Определение
- Ключевые отличия
- Заключение
Сравнительная таблица
| Параметр | Сопротивление | Реактивное сопротивление |
|---|---|---|
| Базовый | Это препятствие, препятствующее прохождению тока резистором. | Это противодействие изменяющемуся току в цепи с помощью катушки индуктивности или конденсатора. |
| Символьное представление | ||
| Обозначается | R | X |
| Выдается | ||
| Тип цепи | Цепь переменного и постоянного тока. | Конкретно цепь переменного тока. |
| Элемент схемы | Чистый резистор | Идеальный индуктор или конденсатор. |
| Характер значения | Действительная часть импеданса. | Мнимая часть импеданса. |
| Зависит от | Размеры, удельное сопротивление и температура проводника. | Частота переменного тока. |
| Разность фаз между V и I | V и I находятся в одной фазе. Таким образом, разность фаз составляет 0 градусов. | Существует разность фаз в 90 градусов между V и I. |
| Электроэнергия | Общая мощность рассеивается в виде тепла. | Часть потребляемой мощности накапливается. |
Определение сопротивления
Препятствие на пути тока, протекающего по цепи, называется сопротивлением. Мы знаем, что когда к электрической цепи прикладывается определенный потенциал, через цепь течет ток, пропорциональный приложенному напряжению. Однако на пути протекающего тока также существует определенное препятствие. Это свойство противодействия протекающему току известно как сопротивление .
Сопротивление — это свойство резисторов в электрических цепях. Другими словами, мы можем сказать, что соотношение подаваемого напряжения и протекающего тока в электрической цепи, имеющей резистор в качестве нагрузки, называется сопротивлением. Таким образом, сопротивление цепи определяется как:
.Сопротивление любой электрической цепи измеряется в омах и показывает зависимость от удельного сопротивления и размеров соответствующих проводников. Предлагаемое сопротивление указано как:
Здесь следует отметить, что сопротивление проводников одинаково для постоянного или переменного тока.В резистивных цепях потребляемая мощность определяется как:
.Поскольку оба термина в продукте являются действительными значениями, потребляемая мощность также будет действительным термином. Тем самым указывается, что подаваемая мощность полностью используется в резистивной цепи.
Определение реактивного сопротивления
Препятствие для прохождения переменного или изменяющегося тока в электрических цепях известно как реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление цепи — это противодействие протеканию переменного тока.
Причина, по которой реактивное сопротивление цепи таково, что его значение является фактором наличия конденсатора или индуктора в качестве нагрузки. Таким образом, можно сказать, что отношение приложенного напряжения к изменяющемуся току в электрической цепи с емкостной или индуктивной нагрузкой называется реактивным сопротивлением этой цепи.
Для индуктивной нагрузки реактивное сопротивление определяется как:
В случае емкостной нагрузки реактивное сопротивление определяется как:
Таким образом, в индуктивной цепи реактивное сопротивление прямо пропорционально частоте.Пока он обратно пропорционален емкостной схеме.
Когда переменный ток протекает через цепь с индуктивной или емкостной нагрузкой, изменяющаяся энергия сохраняется либо в электрическом поле, либо в магнитном поле. В случае индуктивной нагрузки возникает изменяющееся магнитное поле. В то время как для емкостной нагрузки есть электрическое поле.
Как мы уже обсуждали, сопротивление и реактивное сопротивление вместе образуют комплексное значение, называемое импедансом, где реактивное сопротивление действует как мнимая часть комплексного значения.Индуктивное реактивное сопротивление обычно является положительным мнимым значением, поэтому с увеличением индуктивной нагрузки реактивное сопротивление также увеличивается.
Ключевые различия между сопротивлением и реактивностью
- Сопротивление — это препятствие для прохождения тока в электрической цепи из-за резистора. В то время как реактивное сопротивление — это противодействие зарядному току из-за индуктивности или конденсатора. Сопротивление
- — это свойство , связанное с цепью как переменного, так и постоянного тока.Однако реактивное сопротивление собственности связано только с цепями переменного тока.
- Чистые резисторы создают сопротивление. В отличие от идеальных катушек индуктивности или конденсаторов возникает реактивное сопротивление в цепи.
- Сопротивление связано с действительной частью импеданса. В то время как реактивное сопротивление вносит вклад в мнимую часть значения импеданса.
- Разница по фазе между напряжением и током в чисто резистивной цепи равна 0⁰. В то время как разность фаз между напряжением и током в идеальной емкостной или индуктивной цепи составляет 90⁰.В случае индуктивной нагрузки ток отстает от напряжения на 90⁰, а для чисто емкостной нагрузки напряжение отстает от тока на 90⁰.
- Сопротивление, предлагаемое схемой , зависит от размера , удельного сопротивления и температурных условий проводника. Однако реактивное сопротивление зависит от частотной составляющей переменного тока в цепи. Он показывает пропорциональность частоты в случае индуктивной нагрузки, тогда как в случае емкостной нагрузки это соотношение является обратным.
- В резистивной цепи общая мощность , подаваемая на схему, рассеивается в виде тепла. В то время как в емкостной или индуктивной цепи устройство не полностью потребляет всю подаваемую мощность.
Заключение
Итак, из этого обсуждения можно сделать вывод, что как сопротивление, так и реактивное сопротивление отвечают за противодействие протеканию тока и, таким образом, действуют как импеданс для любой электрической цепи, когда они вместе присутствуют в ней.
РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ — прикладное промышленное электричество
Рисунок 6.1 Чисто резистивная цепь переменного тока: напряжение и ток резистора совпадают по фазе.Если бы мы изобразили ток и напряжение для очень простой цепи переменного тока, состоящей из источника и резистора (рисунок выше), это выглядело бы примерно так: (рисунок ниже)
Рисунок 6.2 Напряжение и ток «синфазны» для резистивной цепи.Поскольку резистор просто и напрямую сопротивляется протеканию тока во все периоды времени, форма волны падения напряжения на резисторе точно совпадает по фазе с формой волны тока через него.Мы можем посмотреть в любой момент времени вдоль горизонтальной оси графика и сравнить эти значения тока и напряжения друг с другом (любой «снимок», показывающий значения волны, обозначается как мгновенных значений , что означает значения при этом момент времени время). Когда мгновенное значение тока равно нулю, мгновенное напряжение на резисторе также равно нулю. Аналогично, в момент времени, когда ток через резистор достигает своего положительного пика, напряжение на резисторе также находится на своем положительном пике и так далее.В любой момент времени на волнах закон Ома справедлив для мгновенных значений напряжения и тока.
Мы также можем рассчитать мощность, рассеиваемую этим резистором, и нанести эти значения на тот же график: (рисунок ниже)
Рисунок 6.3 Мгновенная мощность переменного тока в чисто резистивной цепи всегда положительная.Резисторы и катушки индуктивности
Катушки индуктивности ведут себя иначе, чем резисторы. В то время как резисторы просто препятствуют прохождению тока через них (снижая напряжение, прямо пропорциональное току), индукторы противодействуют изменениям тока через них, понижая напряжение, прямо пропорциональное скорости изменения тока.В соответствии с законом Ленца , это индуцированное напряжение всегда имеет такую полярность, чтобы поддерживать ток на его текущем значении. То есть, если ток увеличивается по величине, индуцированное напряжение будет «противодействовать» току; если ток уменьшается, полярность изменится на противоположную и «подтолкнет» ток, чтобы противодействовать уменьшению. Это противодействие текущему изменению называется реактивным сопротивлением , а не сопротивлением. Выражаясь математически, соотношение между падением напряжения на катушке индуктивности и скоростью изменения тока через катушку индуктивности выглядит следующим образом:
[латекс] e = L \ frac {d_i} {d_t} [/ латекс]
Переменный ток в простой индуктивной цепи
Выражение di / dt получено из расчетов, означающее скорость изменения мгновенного тока (i) во времени в амперах в секунду.Индуктивность (L) измеряется в Генри, а мгновенное напряжение (е), конечно, выражается в вольтах. Иногда вы можете встретить скорость мгновенного напряжения, выраженную как «v» вместо «e» (v = L di / dt), но это означает то же самое. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую цепь индуктивности:
Рисунок 6.4 Чистая индуктивная цепь: ток индуктора отстает от напряжения индуктора на 90 °.Если бы мы изобразили ток и напряжение для этой очень простой схемы, это выглядело бы примерно так:
Рисунок 6.5 Чистая индуктивная цепь, формы сигналов.Помните, что падение напряжения на катушке индуктивности является реакцией на изменение тока через нее. Следовательно, мгновенное напряжение равно нулю всякий раз, когда мгновенный ток достигает пика (нулевое изменение или наклон уровня на синусоидальной волне тока), а мгновенное напряжение находится на пике везде, где мгновенный ток имеет максимальное изменение (точки самый крутой наклон на текущей волне, где она пересекает нулевую линию).Это приводит к появлению волны напряжения, сдвинутой по фазе на 90 ° с волной тока. Глядя на график, кажется, что волна напряжения имеет «фору» по сравнению с волной тока; напряжение «опережает» ток, а ток «отстает» от напряжения.
Ток отстает от напряжения на 90 ° в чисто индуктивной цепи.
Все становится еще интереснее, когда мы строим график мощности для этой схемы:
Рисунок 6.6 В чисто индуктивной цепи мгновенная мощность может быть положительной или отрицательной.Поскольку мгновенная мощность является произведением мгновенного напряжения и мгновенного тока (p = ie), мощность равна нулю, когда мгновенный ток или напряжение равно нулю. Если мгновенный ток и напряжение положительные (над линией), мощность положительная. Как и в случае с резистором, мощность также положительна, когда мгновенные ток и напряжение отрицательны (ниже линии). Однако, поскольку волны тока и напряжения сдвинуты по фазе на 90 °, бывают моменты, когда одна положительная, а другая отрицательная, что приводит к одинаково частым появлениям отрицательной мгновенной мощности .
Что такое отрицательная сила?
Но что означает отрицательная мощность ? Это означает, что катушка индуктивности возвращает мощность в цепь, в то время как положительная мощность означает, что она поглощает мощность из цепи. Поскольку положительные и отрицательные циклы мощности равны по величине и продолжительности с течением времени, индуктор возвращает обратно в цепь столько же мощности, сколько потребляет в течение полного цикла. В практическом смысле это означает, что реактивное сопротивление катушки индуктивности рассеивает нулевую полезную энергию, в отличие от сопротивления резистора, который рассеивает энергию в виде тепла.Имейте в виду, это только для идеальных катушек индуктивности, у которых нет сопротивления провода.
Реактивное сопротивление в зависимости от сопротивления
Противодействие катушки индуктивности изменению тока означает противодействие переменному току в целом, который по определению всегда изменяется по мгновенной величине и направлению. Это противодействие переменному току аналогично сопротивлению, но отличается тем, что всегда приводит к сдвигу фаз между током и напряжением и рассеивает нулевую мощность. Из-за различий он имеет другое название: реактивное сопротивление .Реактивное сопротивление по переменному току выражается в омах, как и сопротивление, за исключением того, что его математический символ — X вместо R. Чтобы быть конкретным, реактивное сопротивление, связанное с катушкой индуктивности, обычно обозначается заглавной буквой X с буквой L в качестве нижнего индекса, например это: X L .
Так как напряжение на катушках индуктивности падает пропорционально скорости изменения тока, они будут снижать большее напряжение при более быстром изменении тока и меньшее напряжение при более медленном изменении тока. Это означает, что реактивное сопротивление в Ом для любой катушки индуктивности прямо пропорционально частоте переменного тока.Точная формула для определения реактивного сопротивления выглядит следующим образом:
[латекс] X_L = 2πfL [/ латекс]
Если мы подвергнем индуктор 10 мГн воздействию частот 60, 120 и 2500 Гц, он проявит реактивные сопротивления, указанные в таблице ниже.
Реактивное сопротивление индуктора 10 мГн:
| Частота (Герцы) | Реактивное сопротивление (Ом) |
| 60 | 3.7699 |
| 120 | 7,5398 |
| 2500 | 157.0796 |
В уравнении реактивного сопротивления термин «2πf» (все в правой части, кроме L) имеет особое значение. Это количество радиан в секунду, на которое «вращается» переменный ток, если вы представите себе один цикл переменного тока, представляющий вращение полного круга. радиан — это единица измерения угла: в одном полном круге 2π радиана, так же как в полном круге 360 °.Если генератор переменного тока является двухполюсным, он будет производить один цикл на каждый полный оборот вала, что составляет каждые 2π радиан или 360 °. Если эту константу 2π умножить на частоту в герцах (циклов в секунду), результатом будет число в радианах в секунду, известное как угловая скорость системы переменного тока.
Угловая скорость в системах переменного тока
Угловая скорость может быть представлена выражением 2πf или ее собственным символом — строчной греческой буквой омега, которая похожа на нашу строчную римскую букву «w»: ω.Таким образом, формула реактивного сопротивления X L = 2πfL также может быть записана как X L = ωL.
Следует понимать, что эта «угловая скорость» является выражением того, насколько быстро колеблются колебания переменного тока, полный цикл равен 2π радиан. Это не обязательно отражает фактическую скорость вала генератора переменного тока. Если генератор имеет более двух полюсов, угловая скорость будет кратной скорости вала. По этой причине ω иногда выражается в единицах электрических радиан в секунду, а не в (простых) радианах в секунду, чтобы отличить его от механического движения.
Как бы мы ни выразили угловую скорость системы, очевидно, что она прямо пропорциональна реактивному сопротивлению в катушке индуктивности. По мере увеличения частоты (или скорости вала генератора переменного тока) в системе переменного тока индуктор будет оказывать большее сопротивление прохождению тока, и наоборот. Переменный ток в простой индуктивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на индуктивное реактивное сопротивление (в омах), точно так же, как переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на сопротивление (в Ом).Пример схемы показан здесь:
Индуктивное сопротивление(Индуктивное сопротивление индуктора 10 мГн при 60 Гц)
[латекс] X_L = 3,7600 Ом [/ латекс]
[латекс] I_ {X_ {L}} = \ frac {E} {X} [/ латекс]
[латекс] = \ frac {10 В} {3,7600 Ом} [/ латекс]
[латекс] \ mathbf {= 2.6526A} [/ латекс]
Фазовые углы
Однако нужно иметь в виду, что здесь напряжение и ток не совпадают по фазе. Как было показано ранее, напряжение имеет фазовый сдвиг + 90 ° по отношению к току.Если мы представим эти фазовые углы напряжения и тока математически в виде комплексных чисел, мы обнаружим, что сопротивление катушки индуктивности току также имеет фазовый угол:
[латекс] \ text {Opposition} = \ frac {\ text {Voltage}} {\ text {Current}} [/ latex]
[латекс] \ text {Opposition} = \ frac {10 V \ angle \ text {90 °}} {2.6526A \ angle \ text {90 °}} [/ латекс]
[латекс] \ begin {align} \ text {Opposition} = & 3.7699 \ Omega \ angle \ text {90 °} \\ \ text {or} & 0 + j3.7699 \ Omega \ end {align} [/ latex]
Математически мы говорим, что фазовый угол сопротивления катушки индуктивности току равен 90 °, что означает, что сопротивление катушки индуктивности току является положительной мнимой величиной. Этот фазовый угол реактивного противодействия току становится критически важным при анализе цепей, особенно для сложных цепей переменного тока, где реактивное сопротивление и сопротивление взаимодействуют. Будет полезно представить любое сопротивление компонента току в виде комплексных чисел, а не скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления.
- Индуктивное реактивное сопротивление — это противодействие, которое индуктор предлагает переменному току из-за сдвинутого по фазе накопления и высвобождения энергии в его магнитном поле. Реактивное сопротивление обозначается заглавной буквой «X» и измеряется в омах, как и сопротивление (R).
- Индуктивное реактивное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: X L = 2πfL
- Угловая скорость цепи переменного тока — это еще один способ выразить ее частоту в единицах электрических радиан в секунду вместо циклов в секунду.Его символизирует строчная греческая буква «омега» или ω.
- Индуктивное реактивное сопротивление увеличивается с увеличением частоты. Другими словами, чем выше частота, тем сильнее она противодействует потоку электронов переменного тока.
Возьмем эту схему в качестве примера для работы:
Цепь индуктивности последовательного резистора : ток отстает от приложенного напряжения от 0 ° до 90 °.
Резистор будет обеспечивать сопротивление 5 Ом переменному току независимо от частоты, а катушка индуктивности — 3.Реактивное сопротивление 7699 Ом на переменный ток при 60 Гц.
Поскольку сопротивление резистора является действительным числом (5 Ом 0 ° или 5 + j0 Ом), а реактивное сопротивление катушки индуктивности — мнимым числом (3,7699 Ом ∠ 90 ° или 0 + j3,7699 Ом), комбинированный эффект двух компонентов будет противодействовать току, равному комплексной сумме двух чисел.
Это комбинированное противодействие будет векторной комбинацией сопротивления и реактивного сопротивления. Чтобы выразить это противопоставление лаконично, нам нужен более полный термин для обозначения сопротивления току, чем просто сопротивление или реактивное сопротивление.
Этот термин называется импеданс , его символ — Z, и он также выражается в омах, как сопротивление и реактивное сопротивление. В приведенном выше примере полное сопротивление цепи составляет:
Сопротивление по закону Ома
Импеданс связан с напряжением и током, как и следовало ожидать, аналогично сопротивлению в законе Ома:
На самом деле, это гораздо более полная форма закона Ома, чем то, чему учили в электронике постоянного тока (E = IR), так же как импеданс является гораздо более полным выражением сопротивления потоку тока, чем сопротивление. Любое сопротивление и любое реактивное сопротивление, по отдельности или в комбинации (последовательно / параллельно), могут и должны быть представлены как единый импеданс в цепи переменного тока.
Чтобы рассчитать ток в приведенной выше схеме, нам сначала нужно задать опорный фазовый угол для источника напряжения, который обычно принимается равным нулю. (Фазовые углы резистивного и индуктивного импеданса равны , всегда 0 ° и + 90 °, соответственно, независимо от заданных фазовых углов для напряжения или тока).
Как и в чисто индуктивной схеме, волна тока отстает от волны напряжения (источника), хотя на этот раз запаздывание не так велико: всего 37,016 ° по сравнению с полными 90 °, как в случае чисто индуктивного схема.
Ток отстает от напряжения в последовательной цепи L-R.
Для резистора и катушки индуктивности соотношение фаз между напряжением и током не изменилось.Напряжение на резисторе синфазно (сдвиг 0 °) с током через него, а напряжение на катушке индуктивности на + 90 ° не совпадает по фазе с током, проходящим через него. Мы можем проверить это математически:
Напряжение на резисторе имеет тот же фазовый угол, что и ток через него, что говорит нам о том, что E и I находятся в фазе (только для резистора).
Напряжение на катушке индуктивности имеет фазовый угол 52.984 °, в то время как ток через катушку индуктивности имеет фазовый угол -37,016 °, разница между ними составляет ровно 90 °. Это говорит нам о том, что E и I все еще не совпадают по фазе на 90 ° (только для катушки индуктивности).
Используйте закон Кирхгофа о напряжении
Мы также можем математически доказать, что эти комплексные значения в сумме составляют общее напряжение, как и предсказывает закон напряжения Кирхгофа:
Давайте возьмем те же компоненты для нашей схемы последовательного примера и соединим их параллельно:
Рисунок 6.7 Параллельная цепь R-L.Поскольку источник питания имеет ту же частоту, что и схема последовательного примера, а резистор и катушка индуктивности имеют одинаковые значения сопротивления и индуктивности, соответственно, они также должны иметь одинаковые значения импеданса. Итак, мы можем начать нашу таблицу анализа с тех же «заданных» значений:
Таблица 6.2 Таблица анализа импеданса 1Единственная разница в нашей методике анализа на этот раз состоит в том, что мы будем применять правила для параллельных цепей вместо правил для последовательных цепей.Принцип такой же, как и для DC. Мы знаем, что напряжение распределяется равномерно между всеми компонентами в параллельной цепи, поэтому мы можем передать значение общего напряжения (10 вольт 0 °) на все столбцы компонентов:
Таблица 6.3. Таблица анализа импеданса 2Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали к двум столбцам таблицы, рассчитав ток через резистор и ток через катушку индуктивности:
Таблица 6.4. Таблица анализа импеданса 3Как и в случае цепей постоянного тока, токи ответвления в параллельной цепи переменного тока складываются в общий ток (Закон Кирхгофа по току по-прежнему остается верным для переменного тока, как и для постоянного тока):
Таблица 6.5 Таблица анализа импеданса 4Наконец, общий импеданс можно рассчитать с помощью закона Ома (Z = E / I) по вертикали в столбце «Всего». Между прочим, параллельный импеданс также можно рассчитать, используя обратную формулу, идентичную той, которая используется при вычислении параллельных сопротивлений.
[латекс] \ tag {6.1} Z_ {parallel} = \ frac {1} {\ frac {1} {Z_1} + \ frac {1} {Z_2} + \ dots \ frac {1} {Z_n}} [ / латекс]
Единственная проблема с использованием этой формулы заключается в том, что она обычно требует выполнения большого количества нажатий клавиш калькулятора.И если вы полны решимости использовать такую формулу, как эта «от руки», будьте готовы к очень большому объему работы! Но, как и в случае с цепями постоянного тока, у нас часто есть несколько вариантов расчета величин в наших таблицах анализа, и этот пример ничем не отличается. Независимо от того, каким способом вы рассчитываете полное сопротивление (закон Ома или обратная формула), вы получите одно и то же значение:
Таблица 6.6 Таблица анализа импеданса 5- Импедансом (Z) управляют так же, как и сопротивлением (R) при анализе параллельной цепи: параллельные импедансы уменьшаются, образуя общий импеданс, с использованием обратной формулы.Только обязательно выполняйте все вычисления в сложной (не скалярной) форме!
[латекс] Z_ {parallel} = \ frac {1} {(\ frac {1} {Z1} + \ frac {1} {Z2} +… \ Frac {1} {Zn})} [/ латекс]
- Закон Ома для цепей переменного тока:
[латекс] E = {I} {Z} [/ латекс]; [латекс] I = \ frac {E} {Z} [/ latex]; [латекс] Z = \ frac {E} {I} [/ latex]
- Когда резисторы и катушки индуктивности смешаны вместе в параллельных цепях (так же, как в последовательных цепях), общий импеданс будет иметь фазовый угол где-то между 0 ° и + 90 °.Ток в цепи будет иметь фазовый угол от 0 ° до -90 °.
- Параллельные цепи переменного тока обладают теми же фундаментальными свойствами, что и параллельные цепи постоянного тока: напряжение равномерно по всей цепи, токи ответвления складываются, чтобы сформировать общий ток, а импедансы уменьшаются (по обратной формуле), чтобы сформировать общий импеданс.
В идеальном случае индуктор действует как чисто реактивное устройство. То есть его противодействие переменному току строго основано на индуктивной реакции на изменения тока, а не на трении электронов, как в случае с резистивными компонентами.Однако индукторы не так чисты в своем реактивном поведении. Начнем с того, что они сделаны из проволоки, и мы знаем, что все проволоки обладают некоторой измеримой величиной сопротивления (кроме сверхпроводящей проволоки). Это встроенное сопротивление действует так, как если бы оно было подключено последовательно с идеальной индуктивностью катушки, например:
Рисунок 6.8 Катушка индуктивности Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности.
Следовательно, полное сопротивление любой реальной катушки индуктивности всегда будет представлять собой сложную комбинацию сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления.
Эту проблему усугубляет то, что называется скин-эффектом , который представляет собой тенденцию переменного тока проходить через внешние области поперечного сечения проводника, а не через середину. Когда электроны движутся в одном направлении (постоянный ток), они используют для движения всю площадь поперечного сечения проводника. С другой стороны, электроны, меняющие направление потока, стремятся избежать прохождения через самую середину проводника, ограничивая доступную эффективную площадь поперечного сечения. Скин-эффект становится более выраженным с увеличением частоты.
Кроме того, переменное магнитное поле индуктора, питаемого переменным током, может излучаться в космос как часть электромагнитной волны, особенно если переменный ток имеет высокую частоту. Эта излучаемая энергия не возвращается к катушке индуктивности и поэтому проявляется в виде сопротивления (рассеяния мощности) в цепи.
Помимо резистивных потерь в проводе и излучения, в индукторах с железным сердечником действуют и другие эффекты, которые проявляются как дополнительное сопротивление между выводами.Когда на индуктор подается переменный ток, создаваемые переменные магнитные поля имеют тенденцию индуцировать циркулирующие токи внутри железного сердечника, известные как вихревые токи . Эти электрические токи в железном сердечнике должны преодолевать электрическое сопротивление, обеспечиваемое железом, который не так хорош в качестве проводника, как медь. Вихретоковым потерям в первую очередь противодействуют, разделив железный сердечник на множество тонких листов (пластин), каждый из которых отделен от другого тонким слоем электроизоляционного лака.Поскольку поперечное сечение сердечника разделено на множество электрически изолированных участков, ток не может циркулировать в пределах этой площади поперечного сечения, и из-за этого не будет (или будет очень мало) резистивных потерь.
Как и следовало ожидать, потери на вихревые токи в металлических сердечниках индуктора проявляются в виде тепла. Эффект более выражен на более высоких частотах и может быть настолько сильным, что иногда его используют в производственных процессах для нагрева металлических предметов! Фактически, этот процесс «индукционного нагрева» часто используется при литье металлов высокой чистоты, где металлические элементы и сплавы должны нагреваться в вакууме, чтобы избежать загрязнения воздухом, и, следовательно, там, где стандартная технология нагрева сжиганием была бы бесполезной.Это «бесконтактная» технология, когда нагретое вещество не должно касаться катушки (катушек), создающей магнитное поле.
В высокочастотной среде вихревые токи могут возникать даже в пределах поперечного сечения самого провода, способствуя дополнительным резистивным эффектам. Чтобы противодействовать этой тенденции, можно использовать специальный провод, сделанный из очень тонких, индивидуально изолированных жил, который называется Litz wire (сокращенно от Litzendraht ). Изоляция, отделяющая жилы друг от друга, предотвращает циркуляцию вихревых токов по всей площади поперечного сечения провода.
Кроме того, любой магнитный гистерезис, который необходимо преодолевать при каждом изменении направления магнитного поля индуктора, представляет собой расход энергии, который проявляется как сопротивление в цепи. Некоторые материалы сердечника (например, феррит) особенно известны своим гистерезисным эффектом. Противодействовать этому эффекту лучше всего путем правильного выбора материала сердечника и ограничения пиковой напряженности магнитного поля, генерируемой в каждом цикле.
В целом паразитные резистивные свойства реального индуктора (сопротивление провода, радиационные потери, вихревые токи и гистерезисные потери) выражаются одним термином «эффективное сопротивление»:
Рисунок 6.9 Эквивалентная схема реального индуктора с потерями на скин-эффект, излучение, вихревые токи и гистерезис.
Следует отметить, что скин-эффект и потери на излучение применимы к прямым отрезкам провода в цепи переменного тока так же хорошо, как и к витому проводу. Обычно их совокупный эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить, но на радиочастотах они могут быть довольно большими. Например, антенна радиопередатчика спроектирована специально для рассеивания наибольшего количества энергии в виде электромагнитного излучения.
Конденсаторы Vs. Резисторы
Конденсаторы не ведут себя так же, как резисторы. В то время как резисторы пропускают через себя поток электронов, прямо пропорциональный падению напряжения, конденсаторы противодействуют изменениям напряжения, потребляя или подавая ток, когда они заряжаются или разряжаются до нового уровня напряжения. Поток электронов «через» конденсатор прямо пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе. Это противодействие изменению напряжения представляет собой еще одну форму реактивного сопротивления , но прямо противоположную той, которую демонстрируют индукторы.
Характеристики цепи конденсатора
Выражаясь математически, соотношение между током, протекающим через конденсатор, и скоростью изменения напряжения на конденсаторе выглядит следующим образом:
[латекс] i = C \ frac {d_e} {d_t} [/ латекс]
Выражение de / dt получено из расчетов, означающее скорость изменения мгновенного напряжения (e) во времени в вольтах в секунду. Емкость (C) выражается в фарадах, а мгновенный ток (i), конечно, выражается в амперах.Иногда скорость мгновенного изменения напряжения с течением времени выражается как dv / dt вместо de / dt: вместо напряжения используется строчная буква «v» или «e», но это означает то же самое. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую схему конденсатора:
Рисунок 6.10 Чистая емкостная цепь: напряжение конденсатора отстает от тока конденсатора на 90 °
Если бы мы изобразили ток и напряжение для этой очень простой схемы, это выглядело бы примерно так:
Рисунок 6.11 Формы сигналов чисто емкостной цепи.
Помните, что ток через конденсатор — это реакция на изменение напряжения на нем. Следовательно, мгновенный ток равен нулю всякий раз, когда мгновенное напряжение находится на пике (нулевое изменение или наклон уровня на синусоидальной волне напряжения), а мгновенный ток находится на пике везде, где мгновенное напряжение имеет максимальное изменение (точки самый крутой наклон на волне напряжения, где она пересекает нулевую линию).Это приводит к появлению волны напряжения, которая на -90 ° не совпадает по фазе с волной тока. Глядя на график, кажется, что волна тока имеет «фору» по сравнению с волной напряжения; ток «опережает» напряжение, а напряжение «отстает» от тока.
Рисунок 6.12 Напряжение отстает от тока на 90 ° в чисто емкостной цепи.
Как вы могли догадаться, та же необычная волна мощности, которую мы видели в простой цепи индуктивности, присутствует и в простой цепи конденсатора:
Рисунок 6.13 В чисто емкостной цепи мгновенная мощность может быть положительной или отрицательной.
Как и в случае с простой схемой индуктивности, сдвиг фазы на 90 градусов между напряжением и током приводит к появлению волны мощности, которая в равной степени чередуется между положительной и отрицательной полярностью. Это означает, что конденсатор не рассеивает мощность, поскольку он реагирует на изменения напряжения; он просто поочередно поглощает и высвобождает энергию.
Реактивное сопротивление конденсатора
Противодействие конденсатора изменению напряжения означает сопротивление переменному напряжению в целом, которое по определению всегда изменяется по мгновенной величине и направлению.Для любой данной величины переменного напряжения на данной частоте конденсатор данного размера будет «проводить» определенную величину переменного тока. Так же, как ток через резистор является функцией напряжения на резисторе и сопротивления, предлагаемого резистором, переменный ток через конденсатор является функцией переменного напряжения на нем и реактивного сопротивления , обеспечиваемого конденсатором. Как и в случае катушек индуктивности, реактивное сопротивление конденсатора выражается в омах и обозначается буквой X (или, если точнее, X C ).
Поскольку конденсаторы «проводят» ток пропорционально скорости изменения напряжения, они будут пропускать больше тока при более быстром изменении напряжения (поскольку они заряжаются и разряжаются до тех же пиков напряжения за меньшее время) и меньший ток при более медленном изменении напряжения. . Это означает, что реактивное сопротивление в Ом для любого конденсатора равно , обратно пропорционально частоте переменного тока.
[латекс] X_C = \ frac {1} {2πfC} [/ латекс]
Реактивное сопротивление конденсатора 100 мкФ:| Частота (Герцы) | Реактивное сопротивление (Ом) |
| 60 | 26.5258 |
| 120 | 13,2629 |
| 2500 | 0,6366 |
Обратите внимание, что отношение емкостного реактивного сопротивления к частоте прямо противоположно отношению индуктивного реактивного сопротивления. Емкостное реактивное сопротивление (в омах) уменьшается с увеличением частоты переменного тока. И наоборот, индуктивное реактивное сопротивление (в омах) увеличивается с увеличением частоты переменного тока. Индукторы противодействуют более быстрому изменению токов, создавая большие падения напряжения; Конденсаторы противодействуют более быстрому изменению падений напряжения, допуская большие токи.
Как и в случае с индукторами, член 2πf в уравнении реактивного сопротивления может быть заменен строчной греческой буквой Омега (ω), которая обозначается как угловая скорость цепи переменного тока. Таким образом, уравнение X C = 1 / (2πfC) также может быть записано как X C = 1 / (ωC), где ω приведено в единицах радиан в секунду .
Переменный ток в простой емкостной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на емкостное реактивное сопротивление (в омах), точно так же, как переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на сопротивление (в Ом).Следующая схема иллюстрирует это математическое соотношение на примере:
Емкостное реактивное сопротивление.
[латекс] X_C = 26,5258 Ом [/ латекс]
[латекс] I = \ frac {E} {X} [/ латекс]
[латекс] I = \ frac {10} {26,5258 Ом} [/ латекс]
[латекс] I = 0,3770A [/ латекс]
Однако нужно иметь в виду, что здесь напряжение и ток не совпадают по фазе. Как было показано ранее, ток имеет фазовый сдвиг + 90 ° по отношению к напряжению.Если мы математически представим эти фазовые углы напряжения и тока, мы сможем вычислить фазовый угол реактивного сопротивления конденсатора току.
Напряжение в конденсаторе отстает от тока на 90 °.
Математически мы говорим, что фазовый угол сопротивления конденсатора току равен -90 °, что означает, что сопротивление конденсатора току является отрицательной мнимой величиной. (См. Рисунок выше.) Этот фазовый угол реактивного противодействия току становится критически важным при анализе цепей, особенно для сложных цепей переменного тока, где реактивное сопротивление и сопротивление взаимодействуют.Будет полезно представить любую оппозицию компонента току в виде комплексных чисел, а не только скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления.
- Емкостное реактивное сопротивление — это противодействие, которое конденсатор предлагает переменному току из-за его сдвинутого по фазе накопления и выделения энергии в его электрическом поле. Реактивное сопротивление обозначается заглавной буквой «X» и измеряется в омах, как и сопротивление (R).
- Емкостное реактивное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: XC = 1 / (2πfC)
- Емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты.Другими словами, чем выше частота, тем меньше он противодействует (тем больше «проводит») переменному току.
Используя компоненты того же значения в нашей схеме последовательного примера, мы подключим их параллельно и посмотрим, что произойдет:
Рисунок 6.14 Параллельная цепь RC.
Параллельный резистор и конденсатор
Поскольку источник питания имеет ту же частоту, что и схема последовательного примера, а резистор и конденсатор имеют одинаковые значения сопротивления и емкости, соответственно, они также должны иметь одинаковые значения импеданса.Итак, мы можем начать нашу таблицу анализа с тех же «заданных» значений:
Таблица 6.7Теперь это параллельная схема, и мы знаем, что напряжение распределяется поровну между всеми компонентами, поэтому мы можем поместить цифру для общего напряжения (10 вольт 0 °) во все столбцы:
Таблица 6.8 Расчетс использованием закона Ома
Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали к двум столбцам в таблице, вычислив ток через резистор и ток через конденсатор:
Таблица 6.9Как и в случае цепей постоянного тока, токи ответвления в параллельной цепи переменного тока складываются в общий ток (снова Закон Кирхгофа):
Таблица 6.10Наконец, общий импеданс можно рассчитать с помощью закона Ома (Z = E / I) по вертикали в столбце «Всего». Как мы видели в главе об индуктивности переменного тока, параллельный импеданс также можно рассчитать, используя обратную формулу, идентичную той, которая используется при вычислении параллельных сопротивлений. Следует отметить, что это правило параллельного импеданса остается в силе независимо от типа импедансов, подключенных параллельно.Другими словами, не имеет значения, рассчитываем ли мы схему, состоящую из параллельных резисторов, параллельных катушек индуктивности, параллельных конденсаторов или какой-либо их комбинации: в форме импедансов (Z) все термины являются общими и могут применяться равномерно по той же формуле. И снова формула параллельного импеданса выглядит так:
[латекс] Z_ {parallel} = \ frac {1} {\ frac {1} {Z_1} + \ frac {1} {Z_2} + \ dots \ frac {1} {Z_n}} [/ латекс]
Единственным недостатком использования этого уравнения является значительный объем работы, необходимой для его вычисления, особенно без помощи калькулятора, способного манипулировать сложными величинами.Независимо от того, как мы рассчитываем полное сопротивление для нашей параллельной цепи (закон Ома или обратная формула), мы придем к той же цифре:
- Импедансом (Z) управляют так же, как и сопротивлением (R) при анализе параллельной цепи: параллельные импедансы уменьшаются, образуя общий импеданс, с использованием обратной формулы. Только не забудьте
- выполнять все вычисления в сложной (не скалярной) форме! ZTotal = 1 / (1 / Z1 + 1 / Z2 +.. 1 / Zn)
- Закон Ома для цепей переменного тока: E = IZ; I = E / Z; Z = E / I
- Когда резисторы и конденсаторы смешиваются вместе в параллельных цепях (так же, как в последовательных цепях), общий импеданс будет иметь фазовый угол где-то между 0 ° и -90 °.Ток в цепи будет иметь фазовый угол от 0 ° до + 90 °.
- Параллельные цепи переменного тока обладают теми же фундаментальными свойствами, что и параллельные цепи постоянного тока: напряжение равномерно по всей цепи, токи ответвления складываются, чтобы сформировать общий ток, а импедансы уменьшаются (по обратной формуле), чтобы сформировать общий импеданс.
(Следующий раздел был адаптирован из: Уроки электрических цепей, Том II, Глава 5 — Реактивное сопротивление и импеданс — R, L и C)
Прежде чем мы начнем исследовать влияние резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, соединенных вместе в одних и тех же цепях переменного тока, давайте кратко рассмотрим некоторые основные термины и факты.
Сопротивление
Это по существу трение против потока тока. В той или иной степени он присутствует во всех проводниках (кроме проводов super !), Особенно в резисторах. Когда переменный ток проходит через сопротивление, возникает падение напряжения, синфазное с током. Сопротивление математически обозначается буквой «R» и измеряется в омах (Ом).
Реактивное сопротивление
Это по существу инерции против тока.Он присутствует везде, где электрические или магнитные поля развиваются пропорционально приложенному напряжению или току, соответственно; но особенно в конденсаторах и катушках индуктивности. Когда переменный ток проходит через чистое реактивное сопротивление, возникает падение напряжения, которое на 90 ° не совпадает по фазе с током. Реактивное сопротивление математически обозначается буквой «X» и измеряется в омах (Ом).
Импеданс
Это исчерпывающее выражение любых форм противодействия протеканию тока, включая как сопротивление, так и реактивное сопротивление.Он присутствует во всех схемах и во всех компонентах. Когда переменный ток проходит через полное сопротивление, возникает падение напряжения, которое находится где-то между 0 ° и 90 ° не в фазе с током. Импеданс математически обозначается буквой «Z» и измеряется в единицах Ом (Ом) в сложной форме.
Идеальные резисторы обладают сопротивлением, но не реактивным сопротивлением. Идеальные катушки индуктивности и идеальные конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, но не имеют сопротивления. Все компоненты обладают импедансом, и из-за этого универсального качества имеет смысл перевести все значения компонентов (сопротивление, индуктивность, емкость) в общие термины импеданса в качестве первого шага при анализе цепи переменного тока.
Рис. 6.15. Идеальный резистор, катушка индуктивности и конденсатор.Фазовый угол импеданса для любого компонента — это фазовый сдвиг между напряжением на этом компоненте и током через этот компонент. Для идеального резистора падение напряжения и ток равны всегда в фазе друг с другом, поэтому угол импеданса резистора считается равным 0 °. Для идеального индуктора падение напряжения всегда опережает ток на 90 °, поэтому фазовый угол импеданса индуктора равен + 90 °.Для идеального конденсатора падение напряжения всегда отстает от тока на 90 °, поэтому считается, что фазовый угол импеданса конденсатора составляет -90 °.
Полные сопротивления переменного тока ведут себя аналогично сопротивлениям в цепях постоянного тока: они добавляются последовательно и уменьшаются параллельно. Пересмотренная версия закона Ома, основанная на импедансе, а не на сопротивлении, выглядит так:
Закон Ома для цепи переменного тока
[латекс] \ begin {align} \ tag {6.2} \ text {E} & = {I} {Z} \\ \ text {I} & = \ frac {E} {Z} \\ \ text {Z } & = \ frac {E} {I} \ end {align} [/ latex]
Мы можем взять те же компоненты из последовательной схемы и переставить их в параллельную конфигурацию для простого примера схемы:
Рисунок 6.16 Пример параллельной схемы R, L и C.Импеданс в параллельных компонентах
Тот факт, что эти компоненты соединены параллельно, а не последовательно, теперь абсолютно не влияет на их индивидуальные импедансы. Пока источник питания имеет ту же частоту, что и раньше, индуктивное и емкостное сопротивление вообще не изменится.
Рисунок 6.17 Пример параллельной цепи R, L и C с импедансами, заменяющими значения компонентов.Со всеми значениями компонентов, выраженными как импедансы (Z), мы можем настроить таблицу анализа и действовать, как в предыдущем примере задачи, за исключением того, что на этот раз следуя правилам параллельных цепей вместо последовательного.
Зная, что напряжение распределяется поровну между всеми компонентами в параллельной цепи, мы можем перенести значение общего напряжения во все столбцы компонентов в таблице:
Значения компонентов в таблице 6.11 выражаются в виде импеданса изображения 2Теперь мы можем применить закон Ома (I = E / Z) по вертикали в каждом столбце, чтобы определить ток через каждый компонент:
Таблица 6.12. Значения компонентов выражаются как изображение импеданса 3Расчет полного тока и полного импеданса
Существует две стратегии расчета полного тока и полного сопротивления.Во-первых, мы могли рассчитать общий импеданс из всех отдельных параллельных сопротивлений (Z Total = 1 / (1 / Z R + 1 / Z L + 1 / Z C ), а затем вычислить общий ток путем деления напряжения источника на полное сопротивление (I = E / Z).
Тем не менее, работа с уравнением параллельного импеданса с комплексными числами — непростая задача, учитывая все взаимные колебания (1 / Z). Это особенно верно, если вам не повезло, что у вас нет калькулятора, который обрабатывает комплексные числа, и вы вынуждены делать все это вручную (преобразовать индивидуальные импедансы в полярную форму, затем преобразовать их все в прямоугольную форму для сложения, а затем преобразовать обратно в полярную форму для окончательной инверсии, затем инвертировать).Второй способ вычисления общего тока и полного импеданса — это сложить все токи ответвления, чтобы получить общий ток (полный ток в параллельной цепи — переменного или постоянного тока — равен сумме токов ответвления), а затем использовать закон Ома. для определения полного сопротивления по общему напряжению и общему току (Z = E / I).
Таблица 6.13 Расчет общего тока и полного импедансаЛюбой из методов, выполненный должным образом, даст правильные ответы.
За заметным исключением расчетов мощности (P), все расчеты цепей переменного тока основаны на тех же общих принципах, что и расчеты для цепей постоянного тока.Единственное существенное отличие состоит в том, что в расчетах переменного тока используются комплексные величины, в то время как в расчетах постоянного тока используются скалярные величины. Закон Ома, законы Кирхгофа и даже сетевые теоремы, изученные на постоянном токе, остаются верными для переменного тока, когда напряжение, ток и импеданс выражаются комплексными числами. Те же стратегии поиска и устранения неисправностей, которые применяются в цепях постоянного тока, справедливы и для переменного тока, хотя с переменным током, безусловно, может быть труднее работать из-за фазовых углов, которые не регистрируются портативным мультиметром.
Power — это отдельная тема, которая будет рассмотрена в отдельной главе этой книги. Поскольку мощность в реактивной цепи одновременно поглощается и высвобождается, а не просто рассеивается, как в случае с резисторами, ее математическая обработка требует более прямого применения тригонометрии для решения.
При анализе цепи переменного тока первым шагом в анализе является преобразование всех значений компонентов резистора, катушки индуктивности и конденсатора в импедансы (Z) в зависимости от частоты источника питания.После этого выполните те же шаги и стратегии, которые были изучены для анализа цепей постоянного тока, используя новую форму закона Ома: E = IZ; I = E / Z; и Z = E / I
Помните, что только расчетные значения, выраженные в полярной форме , применимы непосредственно к эмпирическим измерениям напряжения и тока. Прямоугольные обозначения — это просто полезный инструмент для сложения и вычитания сложных величин. Полярная запись, где величина (длина вектора) напрямую связана с величиной измеряемого напряжения или тока, а угол напрямую связан с фазовым сдвигом в градусах, является наиболее практичным способом выражения сложных величин для анализа схем.
Как работают электронные компоненты
Электронные гаджеты стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они сделали нашу жизнь комфортнее и удобнее. Электронные гаджеты находят широкое применение в современном мире, от авиации до медицины и здравоохранения. Фактически, революция в электронике и революция в компьютерах идут рука об руку.
Большинство гаджетов имеют крошечные электронные схемы, которые могут управлять машинами и обрабатывать информацию.Проще говоря, электронные схемы — это линия жизни различных электроприборов. В этом руководстве подробно рассказывается об общих электронных компонентах, используемых в электронных схемах, и о том, как они работают.
В этой статье я дам обзор электронных схем. Затем я предоставлю дополнительную информацию о 7 различных типах компонентов. Для каждого типа я буду обсуждать состав, принцип работы, а также функцию и значение компонента.
- Конденсатор
- Резистор
- Диод
- Транзистор
- Катушка индуктивности
- Реле
- Кристалл кварца
Обзор электронной схемы
Электронная схема — это структура, которая направляет и управляет электрическим током для выполнения различных функций, включая усиление сигнала, вычисление и передачу данных.Он состоит из нескольких различных компонентов, таких как резисторы, транзисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и диоды. Для соединения компонентов друг с другом используются токопроводящие провода или дорожки. Однако цепь считается завершенной, только если она начинается и заканчивается в одной и той же точке, образуя цикл.
Элементы электронной схемы
Сложность и количество компонентов в электронной схеме может изменяться в зависимости от ее применения. Однако простейшая схема состоит из трех элементов, включая токопроводящую дорожку, источник напряжения и нагрузку.
Элемент 1: токопроводящий путьЭлектрический ток течет по токопроводящей дорожке. Хотя медные провода используются в простых цепях, они быстро заменяются токопроводящими дорожками. Проводящие дорожки — это не что иное, как медные листы, наклеенные на непроводящую основу. Они часто используются в небольших и сложных схемах, таких как печатные платы (PCB).
Элемент 2: Источник напряженияОсновная функция цепи — обеспечить безопасное прохождение электрического тока через нее.Итак, первый ключевой элемент — это источник напряжения. Это двухконтактное устройство, такое как аккумулятор, генераторы или энергосистемы, которые обеспечивают разность потенциалов (напряжение) между двумя точками в цепи, так что ток может течь через них.
Элемент 3: НагрузкаНагрузка — это элемент в цепи, который потребляет мощность для выполнения определенной функции. Лампочка — простейшая нагрузка. Однако сложные схемы имеют разные нагрузки, такие как резисторы, конденсаторы, транзисторы и транзисторы.
Факты об электронных схемах
Факт 1: Обрыв цепиКак упоминалось ранее, цепь всегда должна образовывать петлю, чтобы через нее протекал ток. Однако, когда дело доходит до разомкнутой цепи, ток не может протекать, поскольку один или несколько компонентов отключены намеренно (с помощью переключателя) или случайно (сломанные части). Другими словами, любая цепь, не образующая петли, является разомкнутой.
Факт 2: Замкнутый контурЗамкнутый контур — это контур, который образует контур без каких-либо прерываний.Таким образом, это полная противоположность разомкнутой цепи. Однако полная цепь, которая не выполняет никаких функций, остается замкнутой цепью. Например, цепь, подключенная к разряженной батарее, может не выполнять никакой работы, но это все еще замкнутая цепь.
Факт 3: Короткое замыканиеВ случае короткого замыкания между двумя точками электрической цепи образуется соединение с низким сопротивлением. В результате ток имеет тенденцию течь через это вновь образованное соединение, а не по намеченному пути.Например, если есть прямое соединение между отрицательной и положительной клеммами батареи, ток будет проходить через нее, а не через цепь.
Однако короткое замыкание обычно приводит к серьезным несчастным случаям, поскольку ток может протекать с опасно высоким уровнем. Следовательно, короткое замыкание может повредить электронное оборудование, вызвать взрыв батарей и даже вызвать пожар в коммерческих и жилых зданиях.
Факт 4: Печатные платы (PCB)Для большинства электронных приборов требуются сложные электронные схемы.Вот почему разработчикам приходится размещать крошечные электронные компоненты на печатной плате. Он состоит из пластиковой платы с соединительными медными дорожками с одной стороны и множества отверстий для крепления компонентов. Когда макет печатной платы наносится химическим способом на пластиковую плату, она называется печатной платой или печатной платой.
Рисунок 1: Печатная плата . [Источник изображения] Факт 5: Интегральные схемы (ИС)Хотя печатные платы могут предложить множество преимуществ, для большинства современных приборов, таких как компьютеры и мобильные телефоны, требуются сложные схемы, состоящие из тысяч и даже миллионов компонентов.Вот тут-то и пригодятся интегральные схемы. Это крошечные электронные схемы, которые могут поместиться внутри небольшого кремниевого чипа. Джек Килби изобрел первую интегральную схему в 1958 году в компании Texas Instruments. Единственная цель ИС — повысить эффективность электронных устройств при уменьшении их размера и стоимости производства. С годами интегральные схемы становились все более сложными, поскольку технологии продолжают развиваться. Вот почему персональные компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны и другая бытовая электроника с каждым днем становятся все дешевле и лучше.
Рисунок 2: Интегральные схемы. [Источник изображения]Электронные компоненты
Благодаря современным технологиям процесс сборки электронных схем был полностью автоматизирован, особенно это касается изготовления микросхем и печатных плат. Количество и расположение компонентов в схеме может варьироваться в зависимости от ее сложности. Однако он построен с использованием небольшого количества стандартных компонентов.
Следующие компоненты используются для создания электронных схем.
Компонент 1: Конденсатор
Конденсаторышироко используются для построения различных типов электронных схем.Конденсатор — это пассивный двухконтактный электрический компонент, который может электростатически накапливать энергию в электрическом поле. Проще говоря, он работает как небольшая аккумуляторная батарея, накапливающая электричество. Однако, в отличие от аккумулятора, он может заряжаться и разряжаться за доли секунды.
Рисунок 3: Конденсаторы [Источник изображения] A. Состав Конденсаторыбывают всех форм и размеров, но обычно они состоят из одинаковых основных компонентов. Между ними уложены два электрических проводника или пластины, разделенные диэлектриком или изолятором.Пластины состоят из проводящего материала, такого как тонкие пленки из металла или алюминиевой фольги. С другой стороны, диэлектрик — это непроводящий материал, такой как стекло, керамика, пластиковая пленка, воздух, бумага или слюда. Вы можете вставить два электрических соединения, выступающих из пластин, чтобы зафиксировать конденсатор в цепи.
B. Как это работает?Когда вы прикладываете напряжение к двум пластинам или подключаете их к источнику, на изоляторе возникает электрическое поле, в результате чего на одной пластине накапливается положительный заряд, а на другой накапливается отрицательный заряд.Конденсатор продолжает сохранять заряд, даже если вы отключите его от источника. В тот момент, когда вы подключаете его к нагрузке, накопленная энергия перетекает от конденсатора к нагрузке.
Емкость — это количество энергии, хранящейся в конденсаторе. Чем выше емкость, тем больше энергии он может хранить. Увеличить емкость можно, сдвинув пластины ближе друг к другу или увеличив их размер. В качестве альтернативы вы также можете улучшить изоляционные качества, чтобы увеличить емкость.
C. Функция и значениеХотя конденсаторы выглядят как батареи, они могут выполнять различные типы функций в цепи, такие как блокировка постоянного тока, позволяя переменному току проходить или сглаживать выходную мощность от источника питания. Они также используются в системах передачи электроэнергии для стабилизации напряжения и потока мощности. Одной из наиболее важных функций конденсатора в системах переменного тока является коррекция коэффициента мощности, без которой вы не сможете обеспечить достаточный пусковой момент для однофазных двигателей.
Фильтры для конденсаторов
Если вы используете микроконтроллер в цепи для запуска определенной программы, вы не хотите, чтобы его напряжение упало, поскольку это приведет к сбросу контроллера. Вот почему дизайнеры используют конденсатор. Он может обеспечить микроконтроллер необходимой мощностью на долю секунды, чтобы избежать перезапуска. Другими словами, он отфильтровывает шумы в линии питания и стабилизирует источник питания.
Применения удерживающего конденсатораВ отличие от батареи, конденсатор быстро разряжается.Вот почему он используется для кратковременного питания цепи. Батареи вашей камеры заряжают конденсатор, прикрепленный к вспышке. Когда вы делаете снимок со вспышкой, конденсатор высвобождает свой заряд за доли секунды, генерируя вспышку света.
Применение конденсатора таймераВ резонансной или зависящей от времени схеме конденсаторы используются вместе с резистором или катушкой индуктивности в качестве элемента синхронизации. Время, необходимое для зарядки и разрядки конденсатора, определяет работу схемы.
Компонент 2: резистор
Резистор — это пассивное двухконтактное электрическое устройство, которое препятствует прохождению тока. Это, наверное, самый простой элемент в электронной схеме. Это также один из наиболее распространенных компонентов, поскольку сопротивление является неотъемлемым элементом почти всех электронных схем. Обычно они имеют цветовую маркировку.
Рисунок 4: Резисторы [Источник изображения] A. СоставРезистор — это совсем не модное устройство, потому что сопротивление — это естественное свойство, которым обладают почти все проводники.Итак, конденсатор состоит из медной проволоки, обернутой вокруг изоляционного материала, такого как керамический стержень. Количество витков и толщина медной проволоки прямо пропорциональны сопротивлению. Чем больше количество витков и чем тоньше провод, тем выше сопротивление.
Также можно встретить резисторы, изготовленные по спирали из углеродной пленки. Отсюда и название резисторы с углеродной пленкой. Они предназначены для схем с низким энергопотреблением, потому что резисторы с углеродной пленкой не так точны, как их аналоги с проволочной обмоткой.Однако они дешевле проводных резисторов. К обоим концам прикреплены клеммы проводов. Поскольку резисторы не учитывают полярность в цепи, ток может протекать в любом направлении. Таким образом, не нужно беспокоиться о том, чтобы прикрепить их вперед или назад.
B. Как это работает?Резистор может показаться не очень большим. Можно подумать, что он ничего не делает, кроме потребления энергии. Однако он выполняет жизненно важную функцию: контролирует напряжение и ток в вашей цепи.Другими словами, резисторы дают вам контроль над конструкцией вашей схемы.
Когда электрический ток начинает течь по проводу, все электроны начинают двигаться в одном направлении. Это похоже на воду, текущую по трубе. По тонкой трубе будет течь меньше воды, потому что у нее меньше места для ее движения.
Точно так же, когда ток проходит через тонкий провод в резисторе, электронам становится все труднее двигаться через него. Короче говоря, количество электронов, проходящих через резистор, уменьшается по мере увеличения длины и толщины провода.
C. Функция и значение У резисторовесть множество применений, но три наиболее распространенных — это управление током, деление напряжения и цепи резистор-конденсатор.
Ограничение потока токаЕсли вы не добавите резисторы в цепь, ток будет опасно высоким. Это может привести к перегреву других компонентов и их повреждению. Например, если вы подключите светодиод напрямую к батарее, он все равно будет работать.Однако через некоторое время светодиод нагреется, как огненный шар. В конечном итоге он сгорит, поскольку светодиоды менее устойчивы к нагреву.
Но, если ввести в схему резистор, он снизит протекание тока до оптимального уровня. Таким образом, вы можете дольше держать светодиод включенным, не перегревая его.
Делительное напряжение Также используются резисторыдля понижения напряжения до нужного уровня. Иногда для определенной части схемы, такой как микроконтроллер, может потребоваться более низкое напряжение, чем для самой схемы.Здесь на помощь приходит резистор.
Допустим, ваша схема работает от аккумулятора 12 В. Однако для микроконтроллера требуется только питание 6 В. Итак, чтобы разделить напряжение пополам, все, что вам нужно сделать, это подключить последовательно два резистора с равным сопротивлением. Проволока между двумя резисторами снизит наполовину напряжение вашей цепи, к которой может быть подключен микроконтроллер. Используя соответствующие резисторы, вы можете снизить напряжение в цепи до любого уровня.
Резисторно-конденсаторные сети Резисторытакже используются в сочетании с конденсаторами для создания интегральных схем, которые содержат массивы резистор-конденсатор в одной микросхеме.Они также известны как RC-фильтры или RC-сети. Они часто используются для подавления электромагнитных помех (EMI) или радиочастотных помех (RFI) в различных инструментах, включая порты ввода / вывода компьютеров и ноутбуков, локальные сети (LAN) и глобальные сети (WAN), среди прочего. Они также используются в станках, распределительных устройствах, контроллерах двигателей, автоматизированном оборудовании, промышленных приборах, лифтах и эскалаторах.
Компонент 3: Диод
Диод — это устройство с двумя выводами, которое позволяет электрическому току течь только в одном направлении.Таким образом, это электронный эквивалент обратного клапана или улицы с односторонним движением. Он обычно используется для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Он изготовлен либо из полупроводникового материала (полупроводниковый диод), либо из вакуумной трубки (вакуумный ламповый диод). Однако сегодня большинство диодов изготовлено из полупроводникового материала, особенно из кремния.
Рисунок 5: Диод [Источник изображения] A. СоставКак упоминалось ранее, существует два типа диодов: вакуумные диоды и полупроводниковые диоды.Вакуумный диод состоит из двух электродов (катода и анода), помещенных внутри герметичной вакуумной стеклянной трубки. Полупроводниковый диод состоит из полупроводников p-типа и n-типа. Поэтому он известен как диод с p-n переходом. Обычно он изготавливается из кремния, но также можно использовать германий или селен.
B. Как это работает? Вакуумный диодКогда катод нагревается нитью накала, в вакууме образуется невидимое облако электронов, называемое пространственным зарядом.Хотя электроны испускаются катодом, отрицательный объемный заряд отталкивает их. Поскольку электроны не могут достичь анода, через цепь не протекает ток. Однако, когда анод становится положительным, объемный заряд исчезает. В результате ток начинает течь от катода к аноду. Таким образом, электрический ток внутри диода течет только от катода к аноду и никогда от анода к катоду.
P-N переходной диодДиод с p-n переходом состоит из кремниевых полупроводников p-типа и n-типа.Полупроводник p-типа обычно легируется бором, оставляя в нем дырки (положительный заряд). С другой стороны, полупроводник n-типа легирован сурьмой, добавляя в него несколько дополнительных электронов (отрицательный заряд). Таким образом, электрический ток может протекать через оба полупроводника.
Когда вы складываете блоки p-типа и n-типа вместе, лишние электроны n-типа объединяются с дырками p-типа, создавая зону обеднения без каких-либо свободных электронов или дырок. Короче, ток через диод больше не может проходить.
Когда вы подключаете отрицательную клемму батареи к кремнию n-типа, а положительную клемму к p-типу (прямое смещение), ток начинает течь, поскольку электроны и дырки теперь могут перемещаться по переходу. Однако, если вы перевернете клеммы (обратное смещение), ток через диод не будет протекать, потому что дырки и электроны отталкиваются друг от друга, расширяя зону обеднения. Таким образом, как и вакуумный диод, переходной диод может пропускать ток только в одном направлении.
С.Функция и значениеХотя диоды являются одними из простейших компонентов электронной схемы, они находят уникальное применение в различных отраслях промышленности.
Преобразование переменного тока в постоянныйНаиболее распространенное и важное применение диодов — преобразование переменного тока в постоянный. Обычно полуволновой (один диод) или двухполупериодный (четыре диода) выпрямитель используется для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, особенно в бытовых источниках питания. Когда вы пропускаете источник питания переменного тока через диод, через него проходит только половина формы волны переменного тока.Поскольку этот импульс напряжения используется для зарядки конденсатора, он создает устойчивые и непрерывные постоянные токи без каких-либо пульсаций. Различные комбинации диодов и конденсаторов также используются для создания различных типов умножителей напряжения для умножения небольшого переменного напряжения на высокие выходы постоянного тока.
Обходные диодыОбходные диоды часто используются для защиты солнечных батарей. Когда ток от остальных элементов проходит через поврежденный или пыльный солнечный элемент, это вызывает перегрев.В результате общая выходная мощность снижается, создавая горячие точки. Диоды подключаются параллельно солнечным элементам, чтобы защитить их от проблемы перегрева. Эта простая конструкция ограничивает напряжение на неисправном солнечном элементе, позволяя току проходить через неповрежденные элементы во внешнюю цепь.
Защита от скачков напряженияКогда источник питания внезапно прерывается, в большинстве индуктивных нагрузок возникает высокое напряжение.Этот неожиданный скачок напряжения может повредить нагрузку. Однако вы можете защитить дорогое оборудование, подключив диод к индуктивным нагрузкам. В зависимости от типа безопасности эти диоды известны под разными названиями, включая демпферный диод, обратный диод, подавляющий диод и диод свободного хода, среди других.
Демодуляция сигналаОни также используются в процессе модуляции сигнала, поскольку диоды могут эффективно удалять отрицательный элемент сигнала переменного тока.Диод выпрямляет несущую волну, превращая ее в постоянный ток. Звуковой сигнал извлекается из несущей волны, этот процесс называется звуковой частотной модуляцией. Вы можете слышать звук после некоторой фильтрации и усиления. Следовательно, диоды обычно используются в радиоприемниках для извлечения сигнала из несущей волны.
Защита от обратного токаИзменение полярности источника постоянного тока или неправильное подключение батареи может привести к протеканию значительного тока через цепь.Такое обратное подключение может повредить подключенную нагрузку. Вот почему защитный диод включен последовательно с положительной стороной клеммы аккумулятора. В случае правильной полярности диод становится смещенным в прямом направлении, и ток течет по цепи. Однако в случае неправильного подключения он становится смещенным в обратном направлении, блокируя ток. Таким образом, это может защитить ваше оборудование от возможных повреждений.
Компонент 4: Транзистор
Один из важнейших компонентов электронной схемы, транзисторы произвели революцию в области электроники.Эти крошечные полупроводниковые устройства с тремя выводами существуют уже более пяти десятилетий. Их часто используют как усилители и переключающие устройства. Вы можете думать о них как о реле без каких-либо движущихся частей, потому что они могут включать или выключать что-то без какого-либо движения.
Рисунок 6: Транзисторы [Источник изображения] A. СоставВначале германий использовался для создания транзисторов, которые были чрезвычайно чувствительны к температуре. Однако сегодня они изготавливаются из кремния, полупроводникового материала, обнаруженного в песке, потому что кремниевые транзисторы гораздо более устойчивы к температуре и дешевле в производстве.Есть два разных типа биполярных переходных транзисторов (BJT), NPN и PNP. Каждый транзистор имеет три контакта, которые называются базой (b), коллектором (c) и эмиттером (e). NPN и PNP относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор.
B. Как это работает?Когда вы помещаете кремниевую пластину p-типа между двумя стержнями n-типа, вы получаете NPN-транзистор. Эмиттер присоединен к одному n-типу, а коллектор — к другому.База прикреплена к р-образному типу. Избыточные дырки в кремнии p-типа действуют как барьеры, блокирующие прохождение тока. Однако, если вы приложите положительное напряжение к базе и коллектору и отрицательно зарядите эмиттер, электроны начнут течь от эмиттера к коллектору.
Расположение и количество блоков p-типа и n-типа остаются инвертированными в транзисторе PNP. В этом типе транзистора один n-тип находится между двумя блоками p-типа. Поскольку распределение напряжения отличается, транзистор PNP работает иначе.Транзистор NPN требует положительного напряжения на базу, в то время как PNP требует отрицательного напряжения. Короче говоря, ток должен течь от базы, чтобы включить PNP-транзистор.
C. Функция и значениеТранзисторы работают как переключатели и усилители в большинстве электронных схем. Дизайнеры часто используют транзистор в качестве переключателя, потому что, в отличие от простого переключателя, он может превратить небольшой ток в гораздо больший. Хотя вы можете использовать простой переключатель в обычной цепи, для усовершенствованной схемы может потребоваться различное количество токов на разных этапах.
Транзисторы в слуховых аппаратахОдно из самых известных применений транзисторов — слуховой аппарат. Обычно небольшой микрофон в слуховом аппарате улавливает звуковые волны, преобразовывая их в колеблющиеся электрические импульсы или токи. Когда эти токи проходят через транзистор, они усиливаются. Затем усиленные импульсы проходят через динамик, снова преобразуя их в звуковые волны. Таким образом, вы можете слышать значительно более громкую версию окружающего шума.
Транзисторы в компьютерах и калькуляторахВсе мы знаем, что компьютеры хранят и обрабатывают информацию, используя двоичный язык «ноль» и «единица». Однако большинство людей не знают, что транзисторы играют решающую роль в создании чего-то, что называется логическими вентилями, которые являются основой компьютерных программ. Транзисторы часто соединяются с логическими вентилями, чтобы создать уникальный элемент устройства, называемый триггером. В этой системе транзистор остается включенным, даже если вы уберете ток базы.Теперь он переключается или выключается всякий раз, когда через него проходит новый ток. Таким образом, транзистор может хранить ноль, когда он выключен, или единицу, когда он включен, что является принципом работы компьютеров.
Транзисторы ДарлингтонаТранзистор Дарлингтона состоит из двух соединенных вместе транзисторов с полярным соединением PNP или NPN. Он назван в честь своего изобретателя Сидни Дарлингтона. Единственное назначение транзистора Дарлингтона — обеспечить высокий коэффициент усиления по току при низком базовом токе.Вы можете найти эти транзисторы в приборах, которым требуется высокий коэффициент усиления по току на низкой частоте, таких как регуляторы мощности, драйверы дисплея, контроллеры двигателей, световые и сенсорные датчики, системы сигнализации и усилители звука.
IGBT и MOSFET транзисторыБиполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) часто используются в качестве усилителей и переключателей в различных инструментах, включая электромобили, поезда, холодильники, кондиционеры и даже стереосистемы.С другой стороны, полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) обычно используются в интегральных схемах для управления уровнями мощности устройства или для хранения данных.
Компонент 5: Индуктор
Катушка индуктивности, также известная как реактор, представляет собой пассивный компонент цепи, имеющей два вывода. Это устройство хранит энергию в своем магнитном поле, возвращая ее в цепь при необходимости. Было обнаружено, что когда две катушки индуктивности помещаются рядом, не касаясь друг друга, магнитное поле, создаваемое первой катушкой индуктивности, воздействует на вторую катушку индуктивности.Это был решающий прорыв, который привел к изобретению первых трансформаторов.
Рисунок 7: Катушки индуктивности [Источник изображения] A. СоставВероятно, это простейший компонент, состоящий только из мотка медной проволоки. Индуктивность прямо пропорциональна количеству витков в катушке. Однако иногда катушка наматывается на ферромагнитный материал, такой как железо, слоистое железо и порошковое железо, для увеличения индуктивности. Форма этого сердечника также может увеличить индуктивность.Тороидальные (в форме бублика) сердечники обеспечивают лучшую индуктивность по сравнению с соленоидными (стержневыми) сердечниками на такое же количество витков. К сожалению, соединить индукторы в интегральную схему сложно, поэтому их обычно заменяют резисторами.
B. Как это работает?Когда ток проходит по проводу, он создает магнитное поле. Однако уникальная форма индуктора приводит к созданию гораздо более сильного магнитного поля. Это мощное магнитное поле, в свою очередь, сопротивляется переменному току, но пропускает через него постоянный ток.Это магнитное поле также хранит энергию.
Возьмем простую схему, состоящую из батареи, переключателя и лампочки. Лампа загорится ярко, как только вы включите выключатель. Добавьте в эту цепь индуктивность. Как только вы включаете выключатель, лампочка переключается с яркой на тусклую. С другой стороны, когда переключатель выключен, он становится очень ярким, всего на долю секунды до полного выключения.
Когда вы включаете переключатель, индуктор начинает использовать электричество для создания магнитного поля, временно блокируя прохождение тока.Но только постоянный ток проходит через индуктор, как только магнитное поле заполнено. Вот почему лампочка переключается с яркой на тусклую. Все это время индуктор накапливает некоторую электрическую энергию в виде магнитного поля. Итак, когда вы выключаете выключатель, магнитное поле поддерживает постоянный ток в катушке. Таким образом, лампочка некоторое время горит ярко перед тем, как погаснуть.
C. Функция и значениеХотя индукторы полезны, их трудно включить в электронные схемы из-за их размера.Поскольку они более громоздкие по сравнению с другими компонентами, они увеличивают вес и занимают много места. Следовательно, их обычно заменяют резисторами в интегральных схемах (ИС). Тем не менее, индукторы имеют широкий спектр промышленных применений.
Фильтры в настроенных схемахОдним из наиболее распространенных применений индукторов является выбор желаемой частоты в настроенных схемах. Они широко используются с конденсаторами и резисторами, подключенными параллельно или последовательно, для создания фильтров.Импеданс катушки индуктивности увеличивается с увеличением частоты сигнала. Таким образом, автономная катушка индуктивности может действовать только как фильтр нижних частот. Однако, когда вы объединяете его с конденсатором, вы можете создать режекторный фильтр, потому что сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты сигнала. Таким образом, вы можете использовать различные комбинации конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов для создания различных типов фильтров. Они встречаются в большинстве электронных устройств, включая телевизоры, настольные компьютеры и радио.
Дроссели как дросселиЕсли через дроссель протекает переменный ток, он создает противоположный ток. Таким образом, он может преобразовывать источник переменного тока в постоянный. Другими словами, он подавляет подачу переменного тока, но позволяет постоянному току проходить через него, отсюда и название «дроссель». Обычно они встречаются в цепях питания, которым необходимо преобразовать подачу переменного тока в подачу постоянного тока.
Ферритовые бусиныФерритовый шарик или ферритовый дроссель используется для подавления высокочастотного шума в электронных схемах.Некоторые из распространенных применений ферритовых шариков включают компьютерные кабели, телевизионные кабели и кабели для зарядки мобильных устройств. Эти кабели иногда могут действовать как антенны, взаимодействуя с аудио- и видеовыходами вашего телевизора и компьютера. Таким образом, индукторы используются в ферритовых шариках, чтобы уменьшить такие радиочастотные помехи.
Индукторы в датчиках приближенияБольшинство датчиков приближения работают по принципу индуктивности. Индуктивный датчик приближения состоит из четырех частей, включая индуктор или катушку, генератор, схему обнаружения и выходную схему.Осциллятор генерирует флуктуирующее магнитное поле. Когда объект приближается к этому магнитному полю, начинают накапливаться вихревые токи, уменьшая магнитное поле датчика.
Схема обнаружения определяет силу датчика, в то время как выходная схема вызывает соответствующий ответ. Индуктивные датчики приближения, также называемые бесконтактными датчиками, ценятся за их надежность. Они используются на светофорах для определения плотности движения, а также в качестве датчиков парковки легковых и грузовых автомобилей.
Асинхронные двигателиАсинхронный двигатель, вероятно, является наиболее распространенным примером применения индукторов. Обычно в асинхронном двигателе индукторы устанавливаются в фиксированном положении. Другими словами, им не разрешается выравниваться с близлежащим магнитным полем. Источник питания переменного тока используется для создания вращающегося магнитного поля, которое затем вращает вал. Потребляемая мощность регулирует скорость вращения. Следовательно, асинхронные двигатели часто используются в приложениях с фиксированной скоростью.Асинхронные двигатели очень надежны и прочны, поскольку нет прямого контакта между двигателем и ротором.
ТрансформаторыКак упоминалось ранее, открытие индукторов привело к изобретению трансформаторов, одного из основных компонентов систем передачи энергии. Вы можете создать трансформатор, объединив индукторы общего магнитного поля. Обычно они используются для повышения или понижения напряжения в линиях электропередач до желаемого уровня.
Накопитель энергииКатушка индуктивности, как и конденсатор, также может накапливать энергию. Однако, в отличие от конденсатора, он может накапливать энергию в течение ограниченного времени. Поскольку энергия хранится в магнитном поле, она схлопывается, как только отключается источник питания. Тем не менее, индукторы функционируют как надежные накопители энергии в импульсных источниках питания, например, в настольных компьютерах.
Компонент 6: реле
Реле — это электромагнитный переключатель, который может размыкать и замыкать цепи электромеханическим или электронным способом.Для работы реле необходим относительно небольшой ток. Обычно они используются для регулирования малых токов в цепи управления. Однако вы также можете использовать реле для управления большими электрическими токами. Реле — это электрический эквивалент рычага. Вы можете включить его небольшим током, чтобы включить (или усилить) другую цепь, использующую большой ток. Реле могут быть либо электромеханическими, либо твердотельными.
Рисунок 8: Реле [Источник изображения] A. СоставЭлектромеханическое реле (ЭМИ) состоит из корпуса, катушки, якоря, пружины и контактов.Рама поддерживает различные части реле. Якорь — это подвижная часть релейного переключателя. Катушка (в основном из медной проволоки), намотанная на металлический стержень, создает магнитное поле, которое перемещает якорь. Контакты — это токопроводящие части, которые размыкают и замыкают цепь.
Твердотельное реле (SSR) состоит из входной цепи, цепи управления и выходной цепи. Входная цепь эквивалентна катушке электромеханического реле. Схема управления действует как связующее устройство между входными и выходными цепями, в то время как выходная цепь выполняет ту же функцию, что и контакты в ЭМИ.Твердотельные реле становятся все более популярными, поскольку они дешевле, быстрее и надежнее электромеханических реле.
B. Как это работает?Используете ли вы электромеханическое реле или твердотельное реле, это нормально замкнутое (NC) или нормально разомкнутое (NO) реле. В случае реле NC контакты остаются замкнутыми при отсутствии питания. Однако в нормально разомкнутом реле контакты остаются разомкнутыми при отсутствии питания.Короче говоря, всякий раз, когда через реле протекает ток, контакты либо размыкаются, либо замыкаются.
В ЭМИ источник питания возбуждает катушку реле, создавая магнитное поле. Магнитная катушка притягивает металлическую пластину, установленную на якоре. Когда ток прекращается, якорь возвращается в исходное положение под действием пружины. EMR также может иметь один или несколько контактов в одном пакете. Если в цепи используется только один контакт, она называется цепью с одиночным разрывом (SB). С другой стороны, цепь двойного размыкания (DB) идет с буксировочными контактами.Обычно реле с одинарным размыканием используются для управления маломощными устройствами, такими как индикаторные лампы, в то время как контакты с двойным размыканием используются для управления мощными устройствами, такими как соленоиды.
Когда дело доходит до работы SSR, вам необходимо подать напряжение выше, чем указанное напряжение срабатывания реле, чтобы активировать входную цепь. Вы должны подать напряжение ниже установленного минимального напряжения падения реле, чтобы деактивировать входную цепь. Схема управления передает сигнал от входной цепи к выходной цепи.Выходная цепь включает нагрузку или выполняет желаемое действие.
C. Функция и значениеПоскольку они могут управлять сильноточной цепью с помощью слаботочного сигнала, в большинстве процессов управления используются реле в качестве первичных устройств защиты и переключения. Они также могут обнаруживать неисправности и нарушения, возникающие в системах распределения электроэнергии. Типичные приложения включают телекоммуникации, автомобили, системы управления дорожным движением, бытовую технику и компьютеры.
Защитные релеЗащитные реле используются для отключения или отключения цепи при обнаружении каких-либо нарушений. Иногда они также могут подавать сигналы тревоги при обнаружении неисправности. Типы реле защиты зависят от их функции. Например, реле максимального тока предназначено для определения тока, превышающего заданное значение. При обнаружении такого тока реле срабатывает, отключая автоматический выключатель, чтобы защитить оборудование от возможного повреждения.
Дистанционное реле или реле импеданса, с другой стороны, может обнаруживать отклонения в соотношении тока и напряжения, а не контролировать их величину независимо. Он срабатывает, когда отношение V / I падает ниже заданного значения. Обычно защитные реле используются для защиты оборудования, такого как двигатели, генераторы, трансформаторы и т. Д.
Реле автоматического повторного включенияРеле автоматического повторного включения предназначено для многократного повторного включения автоматического выключателя, который уже отключен с помощью защитного реле.Например, при резком падении напряжения в электрической цепи вашего дома может наблюдаться несколько кратковременных перебоев в подаче электроэнергии. Эти сбои происходят из-за того, что реле повторного включения пытается автоматически включить защитное реле. В случае успеха питание будет восстановлено. В противном случае произойдет полное отключение электроэнергии.
Тепловые релеТепловое воздействие электрической энергии — принцип работы теплового реле. Короче говоря, он может обнаруживать повышение температуры окружающей среды и соответственно включать или выключать цепь.Он состоит из биметаллической полосы, которая нагревается при прохождении через нее сверхтока. Нагретая полоса изгибается и замыкает замыкающий контакт, отключая автоматический выключатель. Наиболее распространенное применение теплового реле — защита электродвигателя от перегрузки.
Компонент 7. Кристалл кварца
Кристаллы кварца находят несколько применений в электронной промышленности. Однако в основном они используются в качестве резонаторов в электронных схемах. Кварц — это встречающаяся в природе форма кремния.Однако теперь его производят синтетически, чтобы удовлетворить растущий спрос. Проявляет пьезоэлектрический эффект. Если вы приложите физическое давление к одной стороне, возникающие в результате вибрации создадут переменное напряжение на кристалле. Резонаторы на кварцевом кристалле доступны во многих размерах в зависимости от требуемых применений.
Рисунок 9: Кристалл кварца [Источник изображения] A. СоставКак упоминалось ранее, кристаллы кварца либо производятся синтетическим путем, либо встречаются в природе.Их часто используют для создания кварцевых генераторов для создания электрического сигнала с точной частотой. Обычно форма кристаллов кварца гексагональная с пирамидами на концах. Однако для практических целей их разрезают на прямоугольные плиты. К наиболее распространенным типам форматов резки относятся X, Y и AT. Эта плита помещается между двумя металлическими пластинами, называемыми удерживающими пластинами. Внешняя форма кварцевого кристалла или кварцевого генератора может быть цилиндрической, прямоугольной или квадратной.
Б.Как это работает?Если подать на кристалл переменное напряжение, он вызовет механические колебания. Огранка и размер кристалла кварца определяют резонансную частоту этих колебаний или колебаний. Таким образом, он генерирует постоянный сигнал. Кварцевые генераторы дешевы и просты в изготовлении синтетическим способом. Они доступны в диапазоне от нескольких кГц до нескольких МГц. Поскольку кварцевые генераторы имеют более высокую добротность или добротность, они очень стабильны во времени и температуре.
C. Функция и значениеИсключительно высокая добротность позволяет использовать кристаллы кварца и резонансный элемент в генераторах, а также в фильтрах в электронных схемах. Вы можете найти этот высоконадежный компонент в радиочастотных приложениях, в качестве тактовых схем генератора в платах микропроцессоров, а также в качестве элемента синхронизации в цифровых часах.
Кварцевые часыПроблема традиционных часов с винтовой пружиной заключается в том, что вам нужно периодически заводить катушку.С другой стороны, маятниковые часы зависят от силы тяжести. Таким образом, они по-разному показывают время на разных уровнях моря и высотах из-за изменений силы тяжести. Однако на характеристики кварцевых часов не влияет ни один из этих факторов. Кварцевые часы питаются от батареек. Обычно крошечный кристалл кварца регулирует шестеренки, которые управляют секундной, минутной и часовой стрелками. Поскольку кварцевые часы потребляют очень мало энергии, батарея часто может работать дольше.
ФильтрыВы также можете использовать кристаллы кварца в электронных схемах в качестве фильтров.Они часто используются для фильтрации нежелательных сигналов в радиоприемниках и микроконтроллерах. Большинство основных фильтров состоят из одного кристалла кварца. Однако усовершенствованные фильтры могут содержать более одного кристалла, чтобы соответствовать требованиям к рабочим характеристикам. Эти кварцевые фильтры намного превосходят фильтры, изготовленные с использованием ЖК-компонентов.
Заключение
От общения с близкими, живущими на разных континентах, до приготовления горячей чашки кофе — электронные гаджеты затрагивают практически все аспекты нашей жизни.Однако что заставляет эти электронные устройства выполнять, казалось бы, трудоемкие задачи всего за несколько минут? Крошечные электронные схемы — основа всего электронного оборудования. Чтение о различных компонентах электронной схемы поможет вам понять их функции и значение. Поделитесь своими предложениями и мнениями по этому поводу в разделе комментариев ниже.
// Эта статья изначально была опубликована на ICRFQ.
видов электрических нагрузок | Активная, индуктивная и емкостная нагрузка
Если мы посмотрим на природу электрических нагрузок, мы можем разделить их на 3 типа.В этом руководстве вы подробно разберетесь с резистивной, индуктивной и емкостной нагрузкой. Также я выделю одно из очень распространенных заблуждений о конкретном типе нагрузки. Итак, начнем.
Рекомендуем прочитать перед тем, как переходить на
Активная, реактивная и полная мощность
Что такое электрическая нагрузка?
Во-первых, давайте разберемся, что такое электрическая нагрузка? Проще говоря, все, что потребляет электроэнергию, называется электрической нагрузкой .Это включает в себя лампочки, компьютеры, холодильник и т. Д., Все они потребляют электроэнергию, и, следовательно, мы можем назвать их электрической нагрузкой. Теперь, если мы посмотрим на природу такой нагрузки, мы можем классифицировать их по трем различным типам. И это так.
- Активная нагрузка
- Индуктивная нагрузка и
- Емкостная нагрузка
Активная нагрузка
Давайте сначала разберемся с резистивной нагрузкой. Нагрузка, потребляющая только активную мощность, называется резистивной нагрузкой. И если вы посмотрите на формы сигналов напряжения и тока такой нагрузки, вы обнаружите, что напряжение и ток идеально совпадают по фазе друг с другом.
Теперь, когда я говорю, что они идеально совпадают по фазе, это означает, что обе формы волны достигают своего пикового значения одновременно. Они также одновременно достигают нулевого значения. Один пример показан выше.
Поскольку такой тип нагрузки потребляет только активную мощность, мощность передается только от источника к нагрузке. От нагрузки к источнику не будет передаваться мощность.Да, в некоторых случаях мощность также течет от нагрузки к источнику, что я объяснил в моем видео об активной реактивной и полной мощности.
Поскольку такие нагрузки потребляют только активную мощность, коэффициент мощности таких нагрузок равен единице! И это очень хороший знак. Если вы хотите узнать коэффициент мощности подробно, вы можете просмотреть мой полный список воспроизведения по коэффициенту мощности.
Пример резистивной нагрузки
Пример резистивной нагрузки
- Освещение
- Нагреватели
Или любые другие нагрузки, состоящие только из нагревательных элементов.Это примеры резистивной нагрузки.
Свойства резистивной нагрузки
Посмотрим, каковы свойства резистивной нагрузки
- Эта нагрузка потребляет только активную мощность.
- Форма кривой напряжения и тока таких нагрузок идеально совпадает по фазе друг с другом.
- Коэффициент мощности такой нагрузки равен единице
- Мощность всегда течет от источника к нагрузке
Индуктивная нагрузка
Теперь давайте разберемся с индуктивными нагрузками.
Нагрузка, потребляющая только реактивную мощность, называется индуктивной нагрузкой . И если вы посмотрите на формы сигналов напряжения и тока такой нагрузки, вы обнаружите, что напряжение и ток не совпадают по фазе друг с другом на 90 градусов.
Теперь, когда я говорю, что они не совпадают по фазе, это означает, что обе формы волны достигают своего пикового значения в разное время. Они также достигают нулевого значения в разное время. Если вы посмотрите на осциллограмму, вы обнаружите, что напряжение имеет преимущество перед током.Мы также можем сказать, что ток отстает от напряжения.
Поскольку такой тип нагрузки потребляет только реактивную мощность, мощность может течь от источника к нагрузке или даже от нагрузки к источнику. Далее, коэффициент мощности таких нагрузок — это не Unity! Коэффициент мощности таких нагрузок носит отстающий характер. И это не очень хороший знак.
Пример индуктивной нагрузки
Давайте посмотрим на несколько примеров индуктивной нагрузки.
Электродвигатель
Вентиляторы
Стиральная машина или все, что имеет двигатель внутри.
Кроме того, реакторы, используемые в энергосистеме, являются примером индуктивной нагрузки.
Свойства индуктивных нагрузок
Посмотрим, каковы свойства индуктивной нагрузки
- Эта нагрузка потребляет только реактивную мощность.
- Форма кривой напряжения и тока таких нагрузок не совпадает по фазе друг с другом на 90 градусов.
- Коэффициент мощности такой нагрузки отстает.
- Мощность перетекает от источника к нагрузке и от нагрузки к источнику
Этот тип нагрузки не является простой нагрузкой, как резистивная нагрузка.Они создают множество проблем в системе. Но, конечно, они не менее важны. Поскольку в таких нагрузках ток отстает от напряжения на 90 градусов, переключение такой нагрузки затруднено. Как известно, автоматический выключатель размыкается при текущем нулевом состоянии. Если вы посмотрите на кривые тока и напряжения такой нагрузки, вы обнаружите, что, когда ток равен нулю, напряжение является максимальным.
Следовательно, когда автоматический выключатель размыкается при нулевом токе, напряжение на контакте выключателя является максимальным.В то время как в случае резистивной нагрузки и ток, и напряжение одновременно становятся равными нулю. Поэтому переключение индуктивных нагрузок такого типа крайне важно.
Нагрузка такого типа также сильно влияет на коэффициент мощности системы. Следовательно, счета за электроэнергию растут.
Емкостная нагрузка
Емкостная нагрузка аналогична индуктивной нагрузке. В емкостных нагрузках ток и напряжение не совпадают по фазе друг с другом. Единственное отличие состоит в том, что в емкостной нагрузке ток опережает напряжение на 90 град.А в индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на 90 град.
Заблуждение о емкостной нагрузке
Теперь давайте поговорим о заблуждении, о котором я говорил в начале этого видео.
Как правило, емкостные нагрузки не существуют в автономном формате. Конденсаторные батареи устанавливаются для повышения коэффициента мощности нагрузки или системы. Их работа — обеспечивать реактивную мощность. Поэтому мы не можем назвать конденсаторные батареи емкостной нагрузкой.Потому что нагрузка — это то, что поглощает энергию. Я видел во многих местах в Интернете, что люди называют батарею конденсаторов емкостной нагрузкой. Ну, я думаю, конденсаторная батарея обеспечивает реактивную мощность и, следовательно, ее нельзя классифицировать как емкостную нагрузку. /
Например, у меня есть генератор переменного тока 230 В и к нему подключена конденсаторная батарея.