Почему в автомобилях используется именно постоянный ток при 12 В, а не выше или ниже
Для работы проектов iXBT.com нужны файлы cookie и сервисы аналитики. Продолжая посещать сайты проектов вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie
Возможно и вас мучал вопрос почему в современном автомобиле используется именно постоянное 12-вольтовое напряжение, хотя есть возможность использовать и другие.
Содержание
- Почему именно постоянный ток
- Почему именно 12 v
- Вывод
На этот вопрос довольно легко ответить, потому как установленный генератор на автомобиль вырабатывает переменный ток, и благодаря диодному мосту он становится постоянным. При переводе механической энергии в электрическую вращая двигатель генератора получается довольно высокий КПД.
Постоянный ток при низком напряжении менее опасен в экстренных ситуациях, в том числе и при обслуживании автомобиля. В автомобильных аккумуляторах используется именно постоянный постоянный ток.
Несмотря на то, что более высокое напряжение более эффективно, почему же тогда используют именно 12 v. На самом деле 12v является результатом химических процессов образуемых в автомобильном аккумуляторе, ну и плюс мировое соглашение среди автомобильных магнатов.
До пятидесятых годов во многих странах в автомобилях использовалась шестивольтовое напряжение, но после почти все сделали упор на 12 v в аккумуляторе. Потому как, 6 v стало слишком мало для питания увеличивающегося количества электроники в автомобиле.
Почему же тогда не было перехода на более высоковольтный аккумуляторы, ведь их преимущество на лицо. Повышенное напряжение позволяет уменьшить сечение проводов автомобиля снизить нагрузку на токовырабатываемые детали, уменьшить контакты реле и щёток электродвигателей, при этом и служить они будут дольше.
Но не стоит забывать, что увеличение напряжения может быть опасно для здоровья человека. Ты почему же мы не используем к примеру 36 или 48 вольтовый аккумулятор.
Пожалуй первая причина, которую можно сразу же назвать, это будет общий устоявшийся стандарт. Для изменения которого потребовалась бы веская причина и изменения всей инфраструктуры автомобиля, а это от генераторов до всей электроники.
Вторая причина связана с эрозией контактов при высоких напряжениях на постоянном токе. И данная причина не менее серьёзная, чем первая.
При использовании постоянного тока на малых значениях эрозия контактов менее подвержена к разрушению, а само разрушение может возникать не в середине, а ближе к месту соприкосновения.При более высоких напряжениях в пределах 35-40 v на постоянном токе может наблюдаться дуга и соответственно повышенная пожароопасность. Механическое соединение проводов в автомобиле более подвержено окислению, во время работы сухой и влажной среде. При этом электрический контакт окисляется и в этом месте происходит отгорание. При этом вместе потери контакта будет образовываться дуга с увеличением нагрузки. Установленная в автомобиле защита, скорее всего не сработает на перегрузку в сети что вызовет пожароопасное состояние проводки.
Переход на 12 v в автомобилестроение позволило автопроизводителем сократить затраты на проводку и не на радость автолюбителям, сократить срок службы аккумуляторной батареи. Потому как, глубокий разряд батареи в большинстве случаев приведёт к тому, что одна из банок обязательно начнёт сыпаться. При этом она начнёт перезаряжаться за счёт живых банок аккумулятора.
Сложившийся устои уже скорее всего не позволят уйти от 12 v батарей, так как придётся полностью изменять всю конструкцию автомобильной начинки. Увеличение напряжения и переход на увеличенная по напряжению аккумуляторы, поставят автовладельцев перед проблемой в использовании кислотных аккумуляторов и опасностью взрыва или поражением электрическим током.
Новости
Публикации
Думаю, что очень многие сталкивались с такой ситуацией, когда в магазинах самообслуживания (супермаркетах, гипермаркетах, сетевых торговых точках) представители магазина или охрана требуют чтобы…
Главная
особенность музыкальной колонки ELTRONIC 20-34 DANCE BOX 300 – работа в двух
положениях.
У бумбокса два комплекта ножек и он может быть установлен не только
в горизонтальное положение, но…
Всем привет. Сегодня посмотри на беспроводной пылесос Prettycare P2. Он выполнен в стиле Proscenic и практически ни чем не уступает ему по качеству сборки, пластика и мощности. Prettycare P2…
Наряду с летающими автомобилями и армиями роботов управляемых искусственным интеллектом, наше коллективное видение идеального будущего не будет полным без телесных улучшений с помощью различных…
Многие автомобилисты, а особенно те, кто достаточно часто меняет автомобили, подъезжая к заправке, начинают мучительно вспоминать с какой стороны располагается люк заливной горловины бензобака….
Путешествие – это невероятный опыт, который позволяет вам изучать новые культуры и места, знакомиться с новыми людьми и создавать незабываемые воспоминания. Однако это также может быть…
Каким образом происходит выпрямление переменного тока
Переменный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
Как известно, электростанции вырабатывают переменный ток. Переменный ток легко преобразуется с помощью трансформаторов, он передается по проводам с минимальными потерями, на переменном токе работают многие электродвигатели, в конце концов, все промышленные и бытовые сети работают сегодня именно на переменном токе.
Однако для некоторых применений переменный ток принципиально не годится. Заряжать аккумуляторы необходимо постоянным током, электролизные установки питаются постоянным током, светодиоды требуют постоянного тока, и много где еще просто не обойтись без постоянного тока, не говоря уже о гаджетах, где изначально используются аккумуляторы. Так или иначе, иногда приходится добывать постоянный ток из переменного путем его преобразования, для решения этой задачи и прибегают к выпрямлению переменного тока.
Для выпрямления переменного тока используют диодные выпрямители. Простейшая схема выпрямителя, содержащая всего один полупроводниковый диод, называется однополупериодным выпрямителем.
Переменный ток здесь проходит через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого одним своим выводом соединена с анодом диода, а другим — с цепью нагрузки, которая в свою очередь, будучи присоединена к катоду диода, замыкает вторичную цепь трансформатора.
Рассмотрим, что происходит в первый момент времени, когда к аноду диода приложено положительное, относительно его катода, напряжение, действующее в течение первого полупериода переменного тока.
В этот момент электроны движутся от катода к аноду диода, через провод вторичной обмотки трансформатора, через дроссель и далее через нагрузку, – так замыкается цепь. Когда начинается противоположный полупериод, электроны от анода к катоду проникнуть не могут, поэтому тока в цепи во время этого полупериода нет. С наступлением следующего полупериода процесс повторяется.
Итак, поскольку ток в цепи течет лишь во время одного из полупериодов, такой тип выпрямления называется однополупериодным выпрямлением. А по причине того, что во время отрицательных полупериодов ток в цепь нагрузки не попадает, форма его получается пульсирующей, ведь действует он в одном направлении, хотя и изменяется по величине.
Сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя (катушки индуктивности) и конденсаторов, применяется в данной схеме для того, чтобы снизить уровень пульсаций на нагрузке, и сделать ток почти идеально постоянным. Практически переменную составляющую схема фильтра в нагрузку не пропускает, пропускает лишь постоянную составляющую.
Катушка обладает индуктивным сопротивлением, которое зависит от частоты тока, и чем выше частота — тем больше индуктивное сопротивление катушки, поэтому переменной составляющей пульсирующего тока катушка сопротивляется. Постоянную составляющую катушка пропускает легко.
Конденсатор же пропускает переменную составляющую, но не пропускает постоянную, и чем выше частота тока, тем сильнее конденсатор ее пропускает. В общем и целом чем больше емкость конденсатора и чем выше индуктивность катушки дросселя — тем меньше ненужной переменой составляющей в постоянном токе, текущем конкретно через нагрузку.
Итак, когда в цепи действует положительная полуволна тока, первый конденсатор заряжается до амплитудной величины переменного напряжения вторичной обмотки (минус падение напряжения на диоде).
Когда действует отрицательная полуволна, электричество в конденсатор не поступает, и он, разряжаясь на нагрузку, поддерживает в ней постоянный ток.
Если бы не было дросселя, то поскольку напряжение на конденсаторе в ходе данного процесса уменьшалось бы, ток на нагрузке так или иначе имел бы сильные пульсации. Чтобы пульсации понизить, в цепь и добавляется дроссель (катушка), да еще и с дополнительным конденсатором, расположенным за ним. Второй конденсатор принимает на себя ток, идущий через дроссель, который уже почти не содержит пульсаций.
Чтобы пульсации сгладить еще лучше, применяют двухполупериодный выпрямитель. Двухполупериодный выпрямитель может быть реализован одним из двух способов. Он может быть выполнен по мостовой схеме (состоящей из четырех диодов), либо включать в себя всего два диода, но тогда вторичная обмотка трансформатора должна иметь удвоенное количество витков и вывод посередине между половинами обмоток.
Двухполупериодный выпрямитель работает следующим образом.
В течение одного из полупериодов (допустим, положительного) ток направлен от анода к катоду верхнего по схеме диода, а нижний по схеме диод ток в это время не пропускает, он заперт (так же ведет себя единственный диод в однополупериодном выпрямителе во время отрицательной полуволны тока).
Ток замыкается через фильтр, нагрузку, и далее — через средний вывод на обмотку трансформатора. Когда наступает второй полупериод, полярность тока такова, что нижний по схеме диод пропускает ток через фильтр и через нагрузку, а верхний диод заперт. Далее процессы повторяются.
Поскольку ток здесь подается к нагрузке в течение каждого из двух периодов, такое выпрямление называется двухполупериодным выпрямлением, а выпрямитель — двухполупериодным выпрямителем. Пульсации на выходе здесь вдовое меньше, чем у однополупериодного выпрямления, поскольку частота выпрямленных импульсов вдвое больше, индуктивное сопротивление дросселя получается вдвое большим, а конденсаторы не успевают значительно разряжаться.
Ранее ЭлектроВести писали о переменном и постоянном токе в индустрии красоты.
По материалам electrik.info.
Преимущества систем передачи постоянного тока высокого напряжения
Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предлагает несколько преимуществ по сравнению с системами передачи переменного тока. Например, он обеспечивает более эффективную передачу мощности на большие расстояния. Однако стоимость является важной переменной в уравнении. После установки системы передачи HVDC становятся неотъемлемой частью системы электроснабжения, повышая стабильность, надежность и пропускную способность.
Типичные электростанции коммунального масштаба вырабатывают электроэнергию переменного тока (AC), и большинство электрических нагрузок питаются от сети переменного тока. Таким образом, большинство линий электропередачи по всему миру относятся к типу переменного тока. Однако бывают случаи, когда системы передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предлагают значительные преимущества.
«Одним из больших преимуществ HVDC является эффективность передачи энергии на большие расстояния», — сказал Джордж Калбертсон, вице-президент по рынкам энергоснабжения HDR.0003 МОЩНОСТЬ . «Если маршрут линии электропередачи длиннее примерно 300 миль, постоянный ток является лучшим вариантом, потому что линии переменного тока имеют больше потерь в линии, чем постоянный ток для передачи большой мощности».
Преобразование переменного тока в постоянный
Проблема, однако, заключается в том, что для передачи через HVDC необходимы две преобразовательные станции. Во-первых, мощность переменного тока должна быть преобразована в постоянный ток, чтобы начать процесс передачи, а затем, когда он достигает желаемого пункта назначения, мощность постоянного тока должна быть преобразована обратно в переменный ток для использования в сети.
Технология преобразования хорошо известна. Пионеры в области электротехники работали над строительными блоками для линий постоянного тока высокого напряжения еще в конце 1800-х годов.
Традиционная технология преобразования HVDC основана на использовании преобразователей с линейной или фазовой коммутацией. В 1954 году компания ASEA, предшественница ABB, использовала эту классическую технологию с использованием ртутных дуговых клапанов для строительства первой в мире коммерческой линии высокого напряжения постоянного тока между Вестервиком на восточном побережье Швеции и Игне на острове Готланд в Балтийском море. Первоначальная линия Готланда могла передавать 20 МВт по 9Подводный кабель длиной 8 километров (км) напряжением 100 кВ. Служба была модернизирована в 1970 году, увеличив мощность до 30 МВт при напряжении 150 кВ за счет добавления тиристорного вентильного моста.
В последующие десятилетия ASEA продолжала расширять границы, разрабатывая новые системы HVDC. В 1997 году компания АББ запустила первый в мире демонстрационный проект HVDC с использованием преобразователей источников напряжения (VSC). В технологии VSC для выполнения преобразования используются переключающие устройства с затвором, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
Высокая частота переключения IGBT обеспечивает более точное управление VSC и менее сложную конфигурацию схемы за счет использования методов широтно-импульсной модуляции. ABB назвала свой новый продукт на основе VSC HVDC Light.
Технология VSC была усовершенствована, когда компания Siemens представила модульный многоуровневый преобразователь (MMC). Проект Trans Bay Cable, который проходит между Сан-Франциско и Питтсбургом, штат Калифорния, был завершен в 2010 году с использованием системы Siemens HVDC Plus. Технология MMC предлагает отличные гармонические характеристики и меньшие потери мощности по сравнению с предыдущими VSC. Сегодня все производители HVDC применяют технологию MMC в VSC.
Платформа к берегу
Винс Курчи, руководитель проекта подземной передачи HDR, сказал, что одним из преимуществ технологии VSC является ее очень компактность. «Они занимают примерно 30% площади обычного преобразователя и около 50% веса», — сказал Курчи. Это делает их хорошим выбором для морских ветровых электростанций.
Одним из таких примеров является проект DolWin2 (рис. 1). TenneT, европейскому оператору системы передачи, работающему в Нидерландах и Германии, потребовалась линия постоянного тока высокого напряжения мощностью 916 МВт для подключения ветряных электростанций Nordsee One, Gode Wind I и Gode Wind II к береговой сети электропередачи. Компания АББ спроектировала, поставила, установила и ввела в эксплуатацию компактные морские и наземные преобразовательные станции, а также подводные и подземные кабельные системы.
1. Оффшорная связь. DolWin2, завершенный в 2017 году, связывает три ветряные электростанции в Северном море с электросетью Германии через линию передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) мощностью 916 МВт.
|
Ветряные электростанции подключены кабелями переменного тока к преобразовательной станции высокого напряжения постоянного тока, установленной на морской платформе в Северном море. Затем электроэнергия постоянного тока передается по морской кабельной системе длиной 45 км (рис. 2) и дополнительно по наземному кабелю длиной 90 км к береговой станции высокого напряжения постоянного тока в точке подключения к сети Dörpen West. Проект был завершен компанией ABB и передан TenneT в июне 2017 г.
| 2. Подводные кабели. Энергия, вырабатываемая морскими ветряными электростанциями Nordsee One, Gode Wind I и Gode Wind II, передается на землю по подводным кабелям постоянного тока высокого напряжения, показанным здесь во время установки. Предоставлено: TenneT
|
«HVDC — это технология выбора для надежной и эффективной передачи больших объемов энергии на большие расстояния с минимальными потерями.
Анализ вариантов
Одним из факторов, который часто ставит крест на проекте HVDC, является стоимость. Преобразовательные станции стоят дорого. «VSC для крупного проекта передачи HVDC может стоить более 100 миллионов долларов и зависит от напряжения и номинальной мощности», — сказал Курчи. Поэтому целесообразно завершить изучение доступных альтернатив. Необходимо учитывать три основных фактора.
«Это зависит от расстояния, от напряжения и от передачи энергии», — сказал Курчи. «Обычно проводятся исследования безубыточности, которые включают стоимость жизненного цикла, а затем вы достигаете точки, когда система HVDC становится более экономичной на основе этих факторов.
«Системы переменного тока требуют меньших капитальных затрат, но имеют гораздо более крутой наклон линии по мере увеличения расстояния.
По длине они нуждаются в компенсации, особенно при высоких напряжениях, потому что им требуется то, что мы называем вольт-амперной реактивной поддержкой», — продолжил Курчи. «Системы HVDC имеют гораздо более высокие капитальные затраты, но по мере увеличения расстояния наклон линии становится более пологим. Итак, есть точка, где эти две линии пересекаются, и это ваша точка безубыточности — это функция расстояния, напряжения и передачи энергии».
Калбертсон вспомнил об исследовании, которым он занимался в начале своей карьеры. Он был выполнен для газовой компании, которая пыталась определить, что было бы более рентабельным: построить газопровод или линию электропередачи высокого напряжения постоянного тока из Туркменистана, где газа было много, в Пакистан, где требовалась электроэнергия, через Афганистан. . Оба варианта стоили очень дорого. В конечном итоге проект так и не был реализован во многом из-за политических волнений в регионе.
Но есть много проектов, которые продвигаются вперед.
В марте 2017 года консорциум Siemens и Sumitomo Electric Industries Ltd. получил заказ на HVDC от индийского оператора электропередач Power Grid Corp. of India. Команда построит 200-километровую линию высокого напряжения постоянного тока, используя как подземные кабельные, так и воздушные линии, между Пугалуром, Тамил Наду, и Тричуром, Керала. Это будет первая в Индии линия HVDC с технологией VSC. Siemens поставляет две преобразовательные подстанции с двумя параллельными преобразователями мощностью 1000 МВт, а Sumitomo Electric отвечает за кабельную систему HVDC из сшитого полиэтилена в цепи постоянного тока. Общий объем заказов для двух компаний составляет около 520 миллионов долларов. Техприсоединение планируется в первом полугодии 2020 года.
Siemens также участвует в нескольких проектах в Великобритании. Nemo Link соединит национальные сети Великобритании и Бельгии с помощью подводного кабеля. «Сименс» отвечает за установку «под ключ» преобразовательной подстанции на участке площадью 8 гектаров на юго-востоке Англии, ранее занимаемом электростанцией Ричборо, и аналогичной преобразовательной подстанции в промышленной зоне Хердерсбруг в Брюгге, Бельгия.
| 3. Преобразовательная станция постоянного тока. Показанный здесь конверторный зал является частью линии электропередач высокого напряжения постоянного тока между Францией и Испанией. В нем используются модули преобразователя на биполярных транзисторах с изолированным затвором HVDC Plus от Siemens для обеспечения мощности 1000 МВт с напряжением 320 кВ, что в настоящее время является самой мощной линией связи в мире с использованием технологии преобразователя источника напряжения. Предоставлено: Сименс
|
АББ также работает над проектом, который соединит рынки Англии и Франции.
Линия мощностью 1000 МВт будет проходить от Чиллинга, графство Хэмпшир, на южном побережье Англии, до Турба на севере Франции — расстояние 240 км через Ла-Манш. Кроме того, в начале июля компания ABB получила заказ на модернизацию линии постоянного тока высокого напряжения, которая соединяет северный и южный острова Новой Зеландии.
Разрешения и стоимость
«С моей точки зрения, одной из самых больших проблем для любого проекта является получение разрешений, особенно когда речь идет о линии протяженностью 500 или 1000 миль», — сказал Калбертсон. «Вы будете пересекать разные юрисдикции — города, округа, штаты или даже страны».
Однако эта проблема не ограничивается проектами HVDC. Любой проект передачи может столкнуться с трудностями при получении необходимых разрешений. Часто наблюдается негативная общественная реакция со стороны пострадавших жителей, которые не хотят видеть башни, проходящие через их районы или их землю. На западе США есть много федеральных земель, которые, возможно, придется пересечь, что усложняет получение разрешений от таких агентств, как Бюро управления земельными ресурсами.
Почти все проекты требуют той или иной формы исследования воздействия на окружающую среду для учета временных и постоянных воздействий, и этот процесс может занимать много времени, а иногда и годы. Кроме того, существуют требования к полосе отвода, которые необходимо соблюдать в отношении ширины для установки, эксплуатации и обслуживания, в зависимости от напряжения и количества линий. Существуют также обязательства по горизонтальному и вертикальному зазору — на самом деле ничего не оставлено на волю случая.
Хотя преобразовательные станции стоят дорого, проекты HVDC имеют некоторые преимущества по стоимости по сравнению с системами переменного тока. «Линии постоянного тока на самом деле могут быть дешевле из расчета на милю из-за конфигурации проводников», — сказал Калбертсон. «У вас должны быть три отдельные фазы для переменного тока, поэтому для большой линии у вас есть три набора проводов, обычно это несколько пучков проводов — очень тяжелых — и опоры должны быть довольно массивными, чтобы выдержать весь этот вес.
Эта дополнительная сталь и алюминий также усиливают визуальный эффект.
«Линия постоянного тока может передавать сравнимое количество или даже большее количество энергии, используя только два набора проводников, а не три, поэтому опоры не должны быть такими большими, что приводит к гораздо меньшим затратам на установку передачи. Часть этого. Вы также можете проложить более длинные линии постоянного тока под землей. Таким образом, округ Колумбия может иметь большое преимущество там, где важны разрешение и визуальное воздействие», — сказал Калбертсон. ■
— Аарон Ларсон — исполнительный редактор POWER.
3.5 Переменный ток в сравнении с постоянным током
Цели обученияПеременный токЗачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
- Объясните различия и сходства между переменным и постоянным током
- Расчет среднеквадратичного значения напряжения, тока и средней мощности
- Объясните, почему переменный ток используется для передачи энергии
Переменный ток
Большинство примеров, рассмотренных до сих пор, и особенно те, в которых используются батареи, имеют источники постоянного напряжения.
Как только ток установлен, он, таким образом, также является постоянным. Постоянный ток (DC) представляет собой поток электрического заряда только в одном направлении. Это устойчивое состояние цепи постоянного напряжения. Однако в большинстве известных приложений используется источник переменного напряжения. Переменный ток (AC) — это поток электрического заряда, который периодически меняет направление. Если источник периодически меняется, особенно синусоидально, цепь известна как цепь переменного тока. Примеры включают коммерческую и жилую энергию, которая удовлетворяет многие из наших потребностей. Рисунок 3.19показывает графики зависимости напряжения и тока от времени для типичной мощности постоянного и переменного тока. Напряжение и частота переменного тока, обычно используемые в домах и на предприятиях, различаются по всему миру.
Рисунок 3.19 (a) Напряжение постоянного тока и ток постоянны во времени, как только ток установится. (b) График зависимости напряжения и тока от времени для сети переменного тока с частотой 60 Гц.
Напряжение и ток синусоидальны и находятся в фазе для простой цепи сопротивления. Частоты и пиковые напряжения источников переменного тока сильно различаются.
Рисунок 3.20 Разность потенциалов VV между клеммами источника переменного напряжения колеблется, как показано. Математическое выражение для VV имеет вид V=V0sin 2 πft.V=V0sin 2 πft. size 12{V = V rSub { size 8{0} } “sin”” 2″π ital “ft”} {}
На рис. 3.20 показана схема простой цепи с источником переменного напряжения. Напряжение между клеммами колеблется, как показано, с напряжением переменного тока, заданным
.3,38 V=V0sin 2πft,V=V0sin 2πft, размер 12{V = V rSub { размер 8{0} } “sin”” 2″π ital “ft”} {}
где VV размер 12{V} {} — напряжение в момент времени t,t, размер 12{t} {} V0V0 размер 12{V rSub { размер 8{0} } } {} — пиковое напряжение, и ff size 12{f} {} — частота в герцах. Для этой простой цепи сопротивления I=V/R,I=V/R, размер 12{I = ital “V/R”} {}, поэтому переменный ток равен
.
3.39 I=I0 sin 2πft,I=I0 sin 2πft, размер 12{I = I rSub { размер 8{0} } ” sin 2″π ital “ft”} {}
где II размер 12{I} { } — текущий момент времени t,t, размер 12{t} {} и I0=V0/RI0=V0/R размер 12{I rSub { размер 8{0} } = V rSub { размер 8{0} } итал. “/R”} {} — пиковый ток. В этом примере говорят, что напряжение и ток совпадают по фазе, как показано на рис. 3.19.(б).
Ток в резисторе колеблется туда-сюда точно так же, как управляющее напряжение, поскольку I=V/R.I=V/R. size 12{I = ital “V/R”} {} Если резистор представляет собой, например, люминесцентную лампочку, она становится ярче и тускнеет 120 раз в секунду, когда ток многократно проходит через нуль. Мерцание с частотой 120 Гц слишком быстрое для ваших глаз, но если вы помахаете рукой между лицом и флуоресцентным светом, вы увидите стробоскопический эффект, свидетельствующий о переменном токе. Тот факт, что светоотдача колеблется, означает, что мощность колеблется. Подаваемая мощность равна P=IV.P=IV. size 12{P = ital “IV”} {} Используя выражения для II размера 12{I} {} и VV размера 12{V} {} выше, мы видим, что зависимость мощности от времени P=I0V0sin2 2πftP=I0V0sin2 2πft size 12{P= I rSub { size 8{0} } V rSub { size 8{0} } “sin” rSup { size 8{2} } “2”π ital “ft”} {}, как показано на рис.
Рисунок 3.21.
Установление связей: домашний эксперимент — освещение переменного/постоянного тока
Проводите рукой вперед-назад между лицом и флуоресцентной лампочкой. Наблюдаете ли вы то же самое с фарами на вашем автомобиле? Объясните, что вы наблюдаете. Предупреждение. Не смотрите прямо на очень яркий свет .
Рисунок 3.21 Мощность переменного тока как функция времени. Поскольку напряжение и ток здесь совпадают по фазе, их произведение неотрицательно и колеблется между нулем и I0V0I0V0 size 12{I rSub { size 8{0} } V rSub { size 8{0} } } {}. Средняя мощность составляет (1/2)I0V0.(1/2)I0V0. размер 12{ \( 1/2 \) I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0} } } {}
Чаще всего нас интересует средняя мощность, а не ее колебания — например, 60-ваттная лампочка в вашей настольной лампе потребляет в среднем 60 Вт. Как показано на рис. 3.21, средняя мощность PavePave size 12{P rSub { size 8{“ave”} } } {} равна
. 3.
40 Уложить=12I0V0.Уложить=12I0V0. size 12{P rSub { size 8{“ave”} } = {{1} over {2} } I rSub { size 8{0} } V rSub { size 8{0} } } {}
Это очевидно из графика, поскольку области выше и ниже (1/2)I0V0(1/2)I0V0 размера 12{ \( 1/2 \) I rSub { размера 8{0} } V rSub { размера 8{0} } } {} равны, но это также можно доказать с помощью тригонометрических тождеств. Точно так же мы определяем средний или среднеквадратический ток IrmsIrms size 12{I rSub { size 8{“rms”} } } {} и среднее или среднеквадратичное напряжение VrmsVrms size 12{V rSub { size 8{“rms”} } } {} быть,
3.41 Irms =I02Irms =I02 размер 12{I rSub {размер 8{“rms”} } = {{I rSub {размер 8{0} } } более { sqrt {2} } } } {}
и
3,42 Vrms =V02, Vrms =V02, размер 12{V rSub {размер 8{“rms”} } = { {V rSub {размер 8{0} } } более { sqrt {2} } } } {}
где rms означает среднеквадратичное значение, особый вид среднего значения. В общем, для получения среднеквадратичного корня конкретную величину возводят в квадрат, находят ее среднее (или среднее) и извлекают квадратный корень.
Это полезно для переменного тока, так как среднее значение равно нулю. Сейчас
3.43 Pave=IrmsVrms,Pave=IrmsVrms, size 12{P rSub { size 8{“ave”} } = I rSub { size 8{“rms”} } V rSub { size 8{“rms”} } } { }
, что дает
3.44 Pave=I02⋅V02=12I0V0,Pave=I02⋅V02=12I0V0, размер 12{P rSub { размер 8{“ave”} } = { {I rSub { размер 8{0} } } над { sqrt {2 } } } cdot { {V rSub { размер 8{0} } } более { sqrt {2} } } = { {1} более {2} } I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0 } } } {}
, как указано выше. Стандартной практикой является указывать размер IrmsIrms 12{I rSub { размер 8{“rms”} } } {}, размер VrmsVrms 12{V rSub { размер 8{“rms”} } } {} и размер PavePave 12{P rSub { size 8{“ave”} } } {} , а не пиковые значения. Например, в большинстве бытовых электросетей используется переменное напряжение 120 В, что означает, что VrmsVrms size 12{V rSub { size 8{“rms”} } } {} соответствует напряжению 120 В. Общий автоматический выключатель на 10 А отключит постоянный IrmsIrms размера 12{I rSub { размер 8{“среднеквадратичное значение”} } } {} больше 10 А.
Ваша микроволновая печь мощностью 1,0 кВт потребляет Pave=1,0 кВт, Pave=1,0 кВт, размер 12{P rSub { размер 8{“ave”} } =1 “.” 0`”кВт”} {} и так далее. Вы можете думать об этих среднеквадратичных и средних значениях как об эквивалентных значениях постоянного тока для простой резистивной цепи.
Подводя итог, можно сказать, что при работе с переменным током закон Ома и уравнения для мощности полностью аналогичны уравнениям для постоянного тока, но для переменного тока используются среднеквадратические и средние значения. Таким образом, для переменного тока закон Ома записывается
3,45 Irms=VrmsR.Irms=VrmsR. размер 12{I rSub { размер 8{“среднеквадратичное значение”} } = { {V rSub { размер 8{“среднеквадратичное значение”} } } свыше {R} } } {}
Различные выражения для мощности переменного тока PavePave размера 12{P rSub { size 8 {“ave”} } } {} is
3.46 Pave=IrmsVrms, Pave=IrmsVrms, size 12{P rSub { size 8{“ave”} } = I rSub { size 8{“rms”} } V rSub {размер 8{“rms”} } } {}
3.
47 Pave=Vrms2R,Pave=Vrms2R, размер 12{P rSub { размер 8{“ave”} } = {{V rSub {размер 8{” rms”} } rSup { размер 8{2} } } больше {R} } } {}
и
3.48 Pave=Irms2R.Pave=Irms2R. size 12{P rSub { size 8{“ave”} } = I rSub { size 8{“rms”} } rSup { size 8{2} } R} {}
Пример 3.9 Пиковое напряжение и мощность переменного тока
(a) Каково значение пикового напряжения для сети переменного тока 120 В? (b) Какова пиковая мощность, потребляемая лампочкой переменного тока мощностью 60,0 Вт?
Стратегия
Нам говорят, что VrmsVrms размера 12{V rSub {размер 8{“rms”} } } {} составляет 120 В, а PavePave размера 12{P rSub {размер 8{“ave”} } } {} составляет 60,0 Вт. Мы можем использовать Vrms = V02Vrms = V02 size 12{V rSub { size 8{“rms “} } = { {V rSub { size 8{0} } } over { sqrt {2} } } } {}, чтобы найти пик напряжения, и мы можем манипулировать определением мощности, чтобы найти пиковую мощность из заданной средней мощности.
Раствор для (а)
Решение уравнения Vrms =V02Vrms =V02 размер 12{V rSub { размер 8{“rms”} } = { {V rSub { размер 8{0} } } над { sqrt {2} } } } {} для пиковое напряжение V0V0 размер 12{V rSub { размер 8{0} } } {} и подстановка известного значения VrmsVrms размер 12{V rSub { размер 8{“rms”} } } {} дает
3,49 V0=2Vrms= 1,414 (120 В) = 170 В.
V0 = 2 Вэфф = 1,414 (120 В) = 170 В =” 1″ “.” «414» \( «120» «В» \) =” 170 В”} {}
Обсуждение для (а)
Это означает, что переменное напряжение колеблется от 170 В до –170–170 В и обратно 60 раз в секунду. Эквивалентное постоянное напряжение равно постоянным 120 В.
Решение для (б)
Пиковая мощность равна пиковому току, умноженному на пиковое напряжение. Таким образом,
3,50 P0=I0V0= 212I0V0= 2Pave.P0=I0V0= 212I0V0= 2Pave. размер 12{P rSub { размер 8{0} } = I rSub { размер 8{0} } V rSub { размер 8{0} } =” 2″ слева ( {{1} более {2} } I rSub { размер 8{0} } V rSub {размер 8{0} } справа ) =” 2″P rSub { размер 8{“ave”} } } {}
Мы знаем, что средняя мощность равна 60,0 Вт, поэтому
3,51 P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт.P0= 2(60,0 Вт)= 120 Вт. size 12{P rSub { size 8{0} } =” 2″ \( “60” “.” “0 Вт” \) =” 120 Вт”} {}
Обсуждение
Итак, мощность колеблется от нуля до 120 Вт сто двадцать раз в секунду (дважды за цикл), а средняя мощность составляет 60 Вт.
Зачем использовать переменный ток для распределения электроэнергии?
Большинство крупных систем распределения электроэнергии работают на переменном токе. Кроме того, мощность передается при гораздо более высоких напряжениях, чем 120 В переменного тока (240 В в большинстве стран мира), которые мы используем дома и на работе. Экономия за счет масштаба делает строительство нескольких очень крупных электростанций дешевле, чем строительство множества мелких. Это требует передачи энергии на большие расстояния, и, очевидно, важно, чтобы потери энергии в пути были сведены к минимуму. Как мы увидим, высокое напряжение может передаваться с гораздо меньшими потерями мощности, чем низкое напряжение. (См. рис. 3.22.) Из соображений безопасности напряжение у пользователя снижено до привычных значений. Решающим фактором является то, что переменное напряжение намного проще увеличивать и уменьшать, чем постоянное, поэтому переменный ток используется в большинстве крупных систем распределения электроэнергии.
Рисунок 3.22 Энергия распределяется на большие расстояния при высоком напряжении для снижения потерь мощности в линиях передачи. Напряжения, генерируемые на электростанции, повышаются пассивными устройствами, называемыми трансформаторами (см. Трансформаторы), до 330 000 вольт (или более в некоторых местах по всему миру). В месте использования трансформаторы снижают передаваемое напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования. (GeorgHH, Wikimedia Commons)
Пример 3.10 Потери мощности меньше при передаче высокого напряжения
(a) Какой ток необходим для передачи 100 МВт мощности при напряжении 200 кВ? (b) Какова мощность, рассеиваемая линиями передачи, если они имеют сопротивление 1,00 Ом?1,00 Ом? в) Какой процент мощности теряется в линиях электропередачи?
Стратегия
Имеем Pave=100 МВт, Pave=100 МВт, Vrms=200 кВ, Vrms=200 кВ, сопротивление линий R=1,00 Ом. R=1,00 Ом. Используя эти данные, мы можем найти ток (из P=IVP=IV размер 12{P = итал.
“IV”} {}), а затем мощность, рассеиваемую в линиях (P=I2R),(P=I2R), размер 12{P = I rSup { size 8{2} } R} {} и берем отношение к общей передаваемой мощности.
Решение
Чтобы найти ток, мы изменяем соотношение Pave=IrmsVrmsPave=IrmsVrms size 12{P rSub { size 8{“ave”} } = I rSub { size 8{“rms”} } V rSub { size 8{“rms”} } } {} и замените известные значения. Это дает
3,52 Irms=PaveVrms=100×106 W200×103 В= 500 A. Irms=PaveVrms=100×106 W200×103 В= 500 A. размер 12{I rSub {размер 8{“rms”} } = { {P rSub {размер 8{“среднее”} } } свыше {V rSub {размер 8{“среднеквадратичное значение”} } } } = {{“100 ” раз ” 10″ rSup {размер 8{6} } ” W” } более {“200 ” раз ” 10″ rSup {размер 8{3} } “V”} } =” 500 A”} {}
Решение
Зная ток и учитывая сопротивление линий, мощность, рассеиваемую в них, находим из Pave=Irms2RPave=Irms2R размер 12{P rSub { размер 8{“ave”} } = I rSub { размер 8{“rms”} } rSup {размер 8{2} } R} {}. Подстановка известных значений дает
3,53 Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт.
Pave=Irms2R=(500 А)2(1,00 Ом)= 250 кВт. размер 12 {P rSub { размер 8 {“ср.”} } = I rSub { размер 8 {“rms”} } rSup { размер 8 {2} } R = \ (“500 A” \) rSup { размер 8 {2 } } \( 1 “.” “00 ” %OMEGA \) =” 250 кВт”} {}
Решение
Потери в процентах представляют собой отношение этой потерянной мощности к общей или входной мощности, умноженное на 100. =0,250 % размер 12{%” loss=” {{“250″” кВт”} свыше {“100″” МВт”} } ´”100″=0 “.” “250 %”} {}
Обсуждение
Одна четвертая процента является приемлемой потерей. Заметим, что если бы передавалось 100 МВт мощности при напряжении 25 кВ, то понадобился бы ток 4000 А. Это приведет к потере мощности в линиях 16,0 МВт, или 16 процентов, а не 0,250 процента. Чем ниже напряжение, тем больше требуется тока и тем больше потери мощности в линиях передачи с фиксированным сопротивлением. Конечно, можно построить линии с меньшим сопротивлением, но для этого нужны более крупные и дорогие провода. Если бы сверхпроводящие линии можно было производить экономично, то в линиях передачи вообще не было бы потерь.
Но, как мы увидим в одной из последующих глав, в сверхпроводниках также существует предел тока. Короче говоря, высокое напряжение более экономично для передачи мощности, а напряжение переменного тока гораздо легче повышать и понижать, поэтому переменный ток используется в большинстве крупномасштабных систем распределения электроэнергии.
Широко признано, что высокое напряжение представляет большую опасность, чем низкое напряжение. Но на самом деле некоторые высокие напряжения, например, связанные с обычным статическим электричеством, могут быть безвредны. Так что не только напряжение определяет опасность. Не так широко признано, что разряды переменного тока часто более вредны, чем аналогичные разряды постоянного тока. Томас Эдисон считал, что удары переменного тока более вредны, и в конце 1800-х годов создал систему распределения электроэнергии постоянного тока в Нью-Йорке. Были ожесточенные споры, в частности, между Эдисоном и Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой, которые выступали за использование переменного тока в первых системах распределения электроэнергии.