АЙНЫМАЛЫ ТОК

Айнымалы ток

Айнымалы ток, кең мағынасында - бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы. Ал техникада айнымалы ток деп ток күші мен кернеудің период ішіндегі орташа мәні нөлге тең болатын периодты ток түсініледі. Айнымалы ток байланыс құрылғыларында (радио, теледидар, телефон т. б. ) кеңінен қолданылады.

Өндірілуі

Айнымалы ток айнымалы кернеу арқылы өндіріледі. Ток жүріп тұрған сым төңірегінде пайда болатын айнымалы электрлі магниттік өріс айнымалы ток тізбегінде энергия тербелісін тудырады, яғни энергия магнит немесе электр өрісінде периодты түрде бірде жиналып, бірде электр энергиясы көзіне қайтып отырады. Энергияның тербелуі айнымалы ток тізбектерінде реактивті ток тудырады, ол сым мен ток көзіне артық ауырлық түсіреді және қосымша энергия шығынын жасайды. Бұл - айнымалы ток энергиясын берудегі кемшілік. Айнымалы ток күші сипаттамасының негізіне айнымалы токтың орташа жылулық әсерін, осындай ток күші бар тұрақты токтың жылулық әсерімен салыстыру алынған. Айнымалы ток күшінің осындай жолмен алынған мәні әсерлік мән (немесе эффективтік) деп аталады әрі ол период ішіндегі ток күші мәнінің математикалық орташа квадратын көрсетеді. Айнымалы токтың әсерлік кернеу (U) мәні де осы сияқты анықталады. Ток күші мен кернеудің осындай әсерлік мәндері айнымалы токтың амперметрлері және вольтметрлері арқылы өлшенеді.

Таралуы, түрленуі

Айнымалы токтың үш фазалық жүйесі жиі қолданылады. Тұрақты токқа қарағанда айнымалы токтың генераторлары мен қозғалтқыштарының құрылымы қарапайым, жұмысы сенімді, мөлшері шағын әрі арзан. Айнымалы ток әуелі шала өткізгіштер арқылы, ал одан кейін шала өткізгішті инверторлар көмегімен жиілігі реттелмелі басқа айнымалы токқа түрлендіріледі. Бұл жағдай жылдамдығын бірте-бірте реттеуді талап ететін электр жетектерінің барлық түрі үшін қарапайым әрі арзан қозғалтқыштарын ( асинхронды және синхронды) пайдалануға мүмкіндік береді.

Сипаттамалар

Периодты i(t) айнымалы токтың графигі

Ток күші (және кернеу) өзгерісі қайталанатын уақыттың (секундтпен берілген) ең қысқа аралығы период (Т) деп аталады (1-сурет) . Айнымалы токтың тағы бір маңызды сипаттамасы - жиілік (ƒ) . Дүние жүзі елдерінің көпшілігіндегі және Қазақстандағы электр энергетикалық жүйелерде пайдаланылатын стандартты жиілік - 50 Гц, ал АҚШ-та 60 Гц. Байланыс техникасында жиілігі жоғары (100 кГц-тен 30 ГГц-ке дейін) айнымалы ток пайдаланылады. Арнайы мақсат үшін өндіріс орындарында, медицинада және ғылым мен техниканың басқа салаларында әр түрлі жиіліктегі айнымалы ток, сондай-ақ импульстік ток қолданылады. Ток кернеуін кемітпей түрлендіруге болатындықтан іс жүзінде айнымалы токты электр энергиясын жеткізуде және таратуда кеңінен пайдаланады.

Айнымалы ток тізбегіндегі индуктивтік

Тізбектегі индуктивтік айнымалы ток күшіне әсер етеді. Мұны тәжірибемен оңай дәлелдеуге болады. Индуктивтігі үлкен катушкадан және қыздыру электр шамынан тұратын тізбек құрайық. Осы тізбекті ажыратып-қосқыштың көмегімен не тұрақты кернеу көзіне, не айналмалы кернеу көзіне жалғауға болады. Мұнда тұрақты кернеу мен айнымалы кернеудің әсерлік мәні өзара тең болуы тиіс. Кернеу тұрақты болғанда шам жарығырақ жанатынын тәжірибе көрсетеді. Ендеше, осы қараытырып отырған тізбекте айнымалы ток күшінің әсерлік мәні тұрақты ток күшінен аз екен. Бұл өзіндік индукйия құбылысымен түсіндіріледі. Тұрақты ток көзіне катушканы тіркегенде тізбектегі ток күшінің біртіндеп артатынын 1 тараудың 8 параграфында айтылады. Ток күші көбее бастағанда өнетін құйынды элекрт өрісі электрондардың қозғалысын тежейді. Тек бірсыпыра уақыт өткенен кейін ғана ток күші (қалыптасқан) берілген тұрақты кернеуге сәйкес ең үлкен мәніне жетеді.

Егер кернеу тез өзгерсе, онда айнымалы ток күші тұрақты кернеу кезінде тиісті мәндеріне жетіп үлгермейді. Ендеше, айнымалы ток күшінің максимал мәні (оның амплитудасы) тізбектің индуктивтігімен шектеледі де, индуктивтік және берілген кернеудің жиілігі неғұрлым көп болса, ол соғұрлым аз болады.

Электро токтың және кернеу тізбегі мына заң бойынша өзгереді.

V=60 Sin(314t+0, 25) мВ

i=15 Sin(314t) мА. Тізбек импенданс және кернеу токтың арасындағы фазаны

анықтаңыз.

Берілгені:

Айнымалы ток

u=60 Sin(314t+0, 25) мВ

i=15 Sin(314t) мА.

Z=? T-? W-?XL

Шешуі:Осы есепті шығару үшін айнымалы

кернеу және токтың өзгерісті заңын жазайық

Актив кедергісі ескерілмейтін, тек қана катушка бар тізбектегі ток күшін анықтаймыз . Ол үшін алдын ала катушкадағы кернеу мен ондағы өзіндік индукцияның ЭҚК-і арасындағы байланысты табамыз. Егер катушканың кедергісі нөлге тең болса, онда кез келген уақыт мезетінде өткізгіш ішіндегі электр өрісінің кернеулігі де нөлге тең болуы тиіс. Ом заңы бойынша ток күші шексіз үлкен болар еді. Өріс кернеулігі нөлге тең болуы мүмкін, себебі айнымалы магнит өрісі тудыратын

Қорытынды

Синусоидалы айнымалы ток тізбегіндегі есепті шешу векторлық диаграмма арқылы жеңілдетіледі. Квазистационар айнымалы токтың күрделі тізбектегі есептерін шешуге Кирхгоф ережесі қолданылады. Мұндайда комплексті шамалар әдісі (белгілер әдісі) пайдаланылады. Ол әдіс геометриялық операцияларды алгебралық формада айнымалы токтың векторы арқылы өрнектеуге және айнымалы ток тізбектері есептеріне тұрақты ток тізбектерінің барлық әдістерін қолдануға мүмкіндік береді. Электр энергетикалық жүйелердегі айнымалы ток әдетте синусоидалы болып келеді. Керісінше болған жағдайда оны азайту шаралары жасалады. Бірақ электрлік байланыс тізбектерінде, шала өткізгіштер мен электрондық құрылғылардағы айнымалы токтың синусоидалы болмайтындығы жұмыс процесінің өзінің әсерінен болады

Айнымалы ток.

Айнымалы ток генераторының құрылысының принциптік сұлбасы:

Айнымалы ток тізбегіндегі активті кедергі. Айнымалы ток тізбегіндегі сыйымдылық кедергі.

Резистор мен жалғағыш сымдардан

тұратын қарапайым тізбектің

қысқыштарындағы кернеу

заңымен өзегереді.

R кедергіні актив кедергі деп атайды.

Ток күші мен кернеу тербелістерінің графиктері:

Тек қана сыйымдылық кедергісі бар тізбектегі айнымалы ток күші мен кернеудің уақытқа тәуелділік графиктері мен векторлық диаграммасы

1-сурет. Периодты і(т) айнымалы токтың графигі

Тәжірибеде жай және неғұрлым маңызды жағдайда айнымалы ток күшінің лездік мәні (i) синусоидалық заңға сәйкес белгілі бір уақыт t ішінде мынадай заң бойынша өзгереді:

, мұндағы - ток амплитудасы, - токтың бұрыштық жиілігі, - бастапқы фаза.

Сондай жиіліктегі кернеу де синусоидалық заң бойынша өзгереді:

, мұндағы - кернеу амплитудасы, - бастапқы фаза

Мұндай айнымалы токтың әсерлік мәндері мынаған тең болады:

Айнымалы ток тізбегінде индуктивтілік не сыйымдылықтың болуына байланысты ток күші (i) мен кернеу (u) арасында фаза ығысуы пайда болады. Фаза ығысуы салдарынан ваттметрмен өлшенетін айнымалы токтың орташа қуаты (P) әсерлік ток мәні мен әсерлік кернеу мәнінің көбейтіндісінен кем болады:

Индуктивтілік те, сыйымдылық та болмайтын тізбекте ток фаза бойынша кернеумен сәйкес келеді (3-сурет) . Токтың әсерлік мәндеріне арналған Ом заңы мұндай тізбекте тұрақты ток тізбегіндегідей пішінде болады:

мұндағы r - тізбектегі актив қуат (P) бойынша анықталатын тізбектің актив кедергісі

Тізбекте индуктивтілік (L) болған жағдайда айнымалы ток сол тізбекте өздік индукцияның ЭҚК-н ( электр қозғаушы күші) индукциялайды

Өздік индукцияның ЭҚК-і ток өзгерісіне кері әсер етеді, сондықтан тек индуктивтілік бар тізбекте ток фаза бойынша кернеуден ширек периодқа, яғни -ге қалыс қалады

Егер айнымалы ток тізбегі тізбектей жалғастырылған, r. L және C-тен тұрса, онда оның толық кедергісі мынаған тең болады:

-тізбектегі индуктивтік кедергі.

- тізбектің сыйымдылық кедергісі.

толық кедергісі

Айнымалы ток тізбегіндегі реактивті кедергі. Осыған сәйкес, Ом заңы мына түрде өрнектеледі:

Ал ток пен кернеу арасындағы фаза ығысуы тізбектегі реактивті кедергінің актив кедергіге қатынасымен анықталады:

Айнымалы токтың толық тізбегі үшін Ом заңы.

Электр тізбегіндегі кернеулер резонансы.

Айнымалы ток тізбегінің толық кедергісі

өрнегімен анықталатыны белгілі болды. Бұл формуладағы индуктивтік кедергі мен сыйымдылық кедергі бір-біріне тең болса, толық кедергі L ең аз мәнге ие болатынын көреміз.

Сонымен, егер

болса, Z=R Мұндай жағдайда ток пен кернеудің тербеліс фазаларының айырымы:

Бұл өрнектен, егер активті кедергі аз болса, ток күшінің амплитудасы өте үлкен мәнге ие болатынын көреміз. Жоғарыда сипатталған құбылыс электр тізбегіндегі резонанс деп аталады

Айнымалы ток тізбегіндегі қуат.

Айнымалы ток тізбегінде берілген уақыт мезетіндегі қуат ток күші мен кернеудің лездік мәндерінің көбейтіндісіне тең.

Бұл теңдеуге ток пен кернеудің әсерлік мәндерін қойып, ыңғайлы болу үшін әсерлік мәндердің индексін жазбай және I, U деп белгілесек,

Айнымалы ток генераторы.

Ток генераторы деп энергияның қандай да бір түрін электр энергиясына айналдыратын қондырғыны айтады. Индукциялық ток генераторының негізгі бөліктері:

Индуктор - магнит өрісін тудыратын қондырғы;

Якорь - ЭҚК индукцияланатын орама;

Щеткалар мен сақиналар - айналып тұрған бөліктерден индукциялық токты шығарып алатын немесе электромагниттерге қоректенетін ток беретін қондырғылар.

Тұрақты токтың генераторы. Электрқозғалтқыштар.

Тұрақты ток айнымалы токты түзету арқылы немесе тұрақты токтың генераторынан алынады. Тұрақты ток генераторлары айнымалы ток генераторлар сияқты жұмыс істейді. Бірақ бір айырмашылығы - тұрақты ток генераторларында коллектор деп аталатын қондырғы бар. Якорьдың ұштарын оңашаланған сақиналарға емес, изоляциялаушы материалдармен бөлінген екі жарты сақинаға жалғайды. Олар ортақы бір цилиндрге кигізіліп, якорьмен бір осьтен айналады.

Жарты сақиналарға жабысып тұрған щеткалар арқылы ток сыртқы тізбекке шығарылады. Рам әрбір жарты айналым жасаған сайын токтың бағыты қарама-қарсы бағытқа өзгереді. Ал, бірақ жарты сақиналарға дәнекерленген раманың ұштары әрбір жарты айналым сайын бір щекткадан екінші щеткаға ауысып отырады. Осының нәтижесінде щеткалардың бірі үнемі генератордың оң полюсі болса, екіншісі теріс полюсі болып табылады. Сыртқы тізбектегі ток өзінің бағытын өзгертпейді, бірақ оның шамасы периодты түрде нөлден максимумға дейін өзгеріп отырады. Мұны тура лүпілдеуші ток деп аталады. осыған сәйкес генератордың қысқыштарындағы кернеу де лүпілдеп өзгеріп отырады