Obwód prądu przemiennego: 5 ważnych czynników z nim związanych

Punkty do dyskusji

Wprowadzenie do obwodu prądu przemiennego

AC oznacza prąd przemienny. Jeśli przepływ ładunku ze źródła energii zmienia się okresowo, obwód będzie określany jako obwód prądu przemiennego. Napięcie i prąd (zarówno wielkość, jak i kierunek) obwodu prądu przemiennego zmienia się w czasie.

Obwód prądu przemiennego ma dodatkową rezystancję w kierunku przepływu prądu, ponieważ impedancja i reaktancja występują również w obwodach prądu przemiennego. W tym artykule omówimy trzy podstawowe, ale ważne i fundamentalne obwody prądu przemiennego. Znajdziemy dla nich równania napięcia i prądu, wykresy wskazowe, formaty mocy. Z tych obwodów można wyprowadzić bardziej skomplikowane, ale podstawowe obwody, takie jak - obwody serii RC, obwody serii LC, obwody serii RLC itp.

Co to jest obwód prądu stałego? Dowiedz się o KCL, KVL! Kliknij tutaj!

Ważne terminologie związane z obwodem prądu przemiennego

Analiza i badanie obwodu prądu przemiennego wymaga podstawowej wiedzy z zakresu elektrotechniki. Poniżej zanotowano niektóre z często używanych terminologii w celach informacyjnych. Przestudiuj je krótko przed zapoznaniem się z rodziną obwodów prądu przemiennego.

  • Amplituda: Moc płynie w obwodzie prądu przemiennego w postaci fal sinusoidalnych. Amplituda odnosi się do maksymalnej wielkości fali, którą można osiągnąć zarówno w domenie dodatniej, jak i ujemnej. Maksymalna wielkość jest reprezentowana jako Vm i Im (odpowiednio dla napięcia i prądu).
  • Alternacja: Sygnały sinusoidalne mają okres 360o. Oznacza to, że fala powtarza się po 360o okres czasu. Połowa tego cyklu to przemiana.
  • Wartość chwilowa: Wielkość napięcia i prądu podawanego w dowolnym momencie nazywana jest wartością chwilową.
  • Częstotliwość: Częstotliwość jest podana jako liczba cykli utworzonych przez falę w czasie co sekundę. Jednostką częstotliwości jest herc (Hz).
  • Okres czasu: Okres czasu można zdefiniować jako przedział czasu potrzebny fali do zakończenia jednego pełnego cyklu.
  • Kształt fali: Forma fali jest graficzną reprezentacją propagacji fal.
  • Wartości RMS: Wartość RMS oznacza „średnią kwadratową”. Wartość RMS dowolnych składników prądu przemiennego reprezentuje wartość równoważną DC danej wielkości.

Czysty rezystancyjny obwód prądu przemiennego

Jeśli obwód prądu przemiennego składa się tylko z czystej rezystancji, wówczas obwód ten będzie nazywany obwodem prądu przemiennego z czystym rezystancją. W tym typie nie ma cewki indukcyjnej ani kondensatora Obwód prądu przemiennego. W tym obwodzie moc generowana przez rezystancję i składniki energii, napięcie i prądy, pozostają w identycznej fazie. Dzięki temu wzrost napięcia i prądu do wartości szczytowej lub maksymalnej występuje w tym samym czasie.

Czysty rezystancyjny obwód prądu przemiennego
Czysty rezystancyjny obwód prądu przemiennego

Załóżmy, że napięcie źródła wynosi V, wartość rezystancji R, prąd przepływający przez obwód I. Opór jest połączony szeregowo. Poniższe równanie podaje napięcie obwodu.

V = Vm grzech

Teraz, z prawa Ohma, wiemy, że V = IR lub I = V / R

Więc obecny będę,

ja = (Vm / R) Sinωt

Albo ja = jam Sinωt; jam = Vm / R

Prąd i napięcie będą miały maksymalną wartość dla ωt = 90o.

Schemat wskazowy obwodu czysto rezystancyjnego

Obserwując równania, możemy stwierdzić, że nie ma różnicy faz między prądem a napięciem obwodu. Oznacza to, że różnica kątów fazowych między dwoma składnikami energii będzie wynosić zero. Tak więc nie ma opóźnienia ani ołowiu między napięciem a prądem czystego rezystancyjnego obwodu prądu przemiennego.

wskazówka R
Schemat wskazowy czystego obwodu rezystancyjnego

Moc w obwodzie czysto rezystancyjnym

Jak wspomniano wcześniej, prąd i napięcie pozostają w tej samej fazie w obwodzie. ten moc jest podawana jako iloczyn napięcia i prąd. Proponowane dla obwodów prądu przemiennego, wartości chwilowe napięć i prądów są uwzględniane w obliczeniach mocy.

Tak więc moc można zapisać jako - P = Vm Sinωt * Im grzech.

Lub P = (Vm * JAm / 2) * 2 Sinω2t

Lub P = (Vm / √2) * (Im/ √2) * (1 - Cos2ωt)

Lub P = (Vm / √2) * (Im/ √2) - (Vm / √2) * (Im/ √2) * Cos2ωt

Teraz dla średniej mocy w obwodzie prądu przemiennego,

P = średnia z [(Vm / √2) * (Im/ √2)] - Średnia z [(Vm / √2) * (Im/ √2) * Cos2ωt]

Teraz Cos2ωt wynosi zero.

Tak więc moc jest taka - P = Vrms *Irms.

Tutaj P oznacza średnią moc, Vrms oznacza średnie kwadratowe napięcie, a jarms oznacza średnią kwadratową wartości prądu.

Czysty obwód pojemnościowy AC

 Jeśli obwód prądu przemiennego składa się tylko z czystego kondensatora, wówczas obwód ten będzie nazywany obwodem prądu przemiennego z czystym pojemnością. W tej formie nie ma żadnego rezystora ani cewki indukcyjnej Obwód prądu przemiennego. Typowy kondensator to pasywne urządzenie elektryczne, które przechowuje energię elektryczną w polu elektrycznym. Jest to urządzenie z dwoma terminalami. Pojemność jest znana jako efekt kondensatora. Pojemność ma jednostkę – Farad(F).

1 1
Czysty obwód pojemnościowy

Kiedy napięcie jest przyłożone do kondensatora, kondensator zostaje naładowany, a po pewnym czasie zaczyna się rozładowywać, gdy źródło napięcia zostanie odebrane.

Załóżmy, że napięcie źródła wynosi V; ten kondensator ma pojemność C, prąd płynący przez obwód to I.

Poniższe równanie podaje napięcie obwodu.

V = Vm grzech

Ładunek kondensatora jest określony przez Q = CV, ja = dQ / dt podaje prąd wewnątrz obwodu.

Więc, I = C dV / dt; jako I = dQ / dt.

Lub, I = Cd (Vm Sinωt) / dt

Albo ja = Vm C d (Sinωt) / dt

Albo I = ω Vm C Koszt.

Albo ja = [Vm / (1 / ωC)] sin (ωt + π / 2)

Albo ja = (Vm / Xc) * sin (ωt + π / 2)

Xc jest znany jako reaktancja obwodu prądu przemiennego (w szczególności reaktancja pojemnościowa). Maksymalny prąd zostanie zaobserwowany, gdy (ωt + π / 2) = 90o.

Tak więc, Im = Vm / Xc

Schemat wskazowy czystego obwodu pojemnościowego

Obserwując równania możemy stwierdzić, że napięcie w obwodzie przewyższa wartość prądu o kąt 90 stopni. Schemat wskazowy obwodu podano poniżej.

2
Schemat wskazowy obwodu pojemnościowego

Moc w obwodzie czysto pojemnościowym

Jak wspomniano wcześniej, faza napięcia ma przewagę nad prądem o 90 stopni w obwodzie. Moc jest podawana jako iloczyn napięcia i prądu. W obliczeniach obwodów prądu przemiennego uwzględniane są chwilowe wartości napięcia i prądu przeznaczone do obliczenia mocy.

Tak więc moc tego obwodu można zapisać jako - P = Vm Sinωt * Im Grzech (ωt + π / 2)

Lub P = (Vm * JAm * Sinωt * Koszt)

Lub P = (Vm / √2) * (Im/ √2) * Sin2ωt

Lub P = 0

Zatem z wyprowadzeń możemy powiedzieć, że średnia moc obwodu pojemnościowego wynosi zero.

Czysty obwód indukcyjny AC

 Jeśli obwód prądu przemiennego składa się tylko z czystej cewki indukcyjnej, wówczas obwód ten będzie nazywany czysto indukcyjnym obwodem prądu przemiennego. W ogóle nie ma rezystorów lub kondensatory są zaangażowane w tego typu obwód prądu przemiennego. Typowa cewka indukcyjna to pasywne urządzenie elektryczne, które przechowuje energię elektryczną w polach magnetycznych. Jest to urządzenie z dwoma terminalami. Indukcyjność jest znana jako efekt cewki indukcyjnej. Indukcyjność ma jednostkę – Henry(H). Zmagazynowana energia może również zostać zwrócona do obwodu jako prąd.

AC 3
Czysty obwód indukcyjny

Załóżmy, że napięcie źródła wynosi V; cewka ma indukcyjność L, prąd płynący przez obwód to I.

Poniższe równanie podaje napięcie obwodu.

V = Vm grzech

Indukowane napięcie jest określone przez - E = - L dI / dt

Więc, V = - E.

Lub V = - (- L dI / dt)

Lub Vm Sinωt = L dI / dt

Lub dI = (Vm / L) Sinωt dt

Teraz, stosując integrację po obu stronach, możemy pisać.

Lub ∫ dI = ∫ (Vm / L) Sinωt dt

Lub I = (Vm / ωL) * (- Cosωt)

Albo I = (Vm / ωL) sin (ωt - π / 2)

Albo I = (Vm / XL) sin (ωt - π / 2)

Tutaj, XL = ωL i jest znany jako reaktancja indukcyjna obwodu.

Maksymalny prąd będzie obserwowany, gdy (ωt - π / 2) = 90o.

Tak więc, Im = Vm / XL

Schemat wskazowy czystego obwodu indukcyjnego

Obserwując równania, możemy stwierdzić, że prąd w obwodzie przewyższa wartość napięcia o kąt 90 stopni. Schemat wskazowy obwodu podano poniżej.

3
Wykres wskazowy dla obwodu indukcyjnego

Moc w obwodzie wyłącznie indukcyjnym

Jak wspomniano wcześniej, faza prądu ma przewagę nad napięciem o 90 stopni w obwodzie. Moc jest podawana jako iloczyn napięcia i prądu. W przypadku obwodów prądu zmiennego chwilowe wartości napięcia i prądu są brane pod uwagę przy obliczaniu mocy.

Tak więc moc tego obwodu można zapisać jako - P = Vm Sinωt * Im Grzech (ωt - π / 2)

Lub P = (Vm * JAm * Sinωt * Koszt)

Lub P = (Vm / √2) * (Im/ √2) * Sin2ωt

Lub P = 0

Zatem na podstawie wyprowadzeń możemy powiedzieć, że średnia moc obwodu indukcyjnego wynosi zero.

Zostaw komentarz