Использование переменного тока для обработки пищевых продуктов

где L - индуктивность катушки.

Величину индуктивного сопротивления можно рассчитать по формуле XL = U/I, предварительно измерив напряжение на катушке U и силу тока в цепи I.

Отметим, что значение XL больше, чем сопротивление катушки в цепи постоянного тока. Это связано с тем, что при протекании переменного тока через катушку индуктивности благодаря явлению самоиндукции в последней возникает индукционное электрическое поле, противодействующее полю, создаваемому генератором переменного напряжения. Это индукционное поле и является причиной индукционного сопротивления XL.

Связь индуктивности и явления самоиндукции можно проследить, исходя из следующего соотношения:

ec = - dФ/dt = - L*dI/dt,

где ec - ЭДС самоиндукции.

L = ec, если скорость изменения тока самоиндукции равна dI/dt = 1 A/c.

В цепи, содержащей катушку индуктивности, колебания напряжения в цепи опережают по фазе колебания силы тока на p/2. Если напряжение меняется по закону U = Umsin(wt), то сила тока - I = Imsin(wt - p/2). Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе приведена на рис. 5.

рис.6

В цепи, содержащей катушку индуктивности, происходит периодический обмен энергией между генератором и катушкой без необратимого преобразования электромагнитной энергии, т.е. среднее значение мощности переменного тока в данном случае равно нулю Pср. = 0.

5.Однофазные электрические цепи переменного тока

Большинство потребителей электрической энергии работает на переменном токе. В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока. Это объясняется преимуществом производства и распределения этой энергии. Переменный ток получают на электростанциях, преобразуя с помощью генераторов механическую энергию в электрическую. Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным заключается в возможности с помощью трансформаторов повышать или понижать напряжение, с минимальными потерями передавать электрическую энергию на большие расстояния, в трехфазных источниках питания получать сразу два напряжения: линейное и фазное. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.

В электрических цепях переменного тока наиболее часто используют синусоидальную форму, характеризующуюся тем, что все токи и напряжения являются синусоидальными функциями времени. В генераторах переменного тока получают ЭДС, изменяющуюся во времени по закону синуса, и тем самым обеспечивают наиболее выгодный эксплуатационный режим работы электрических установок. Кроме того, синусоидальная форма тока и напряжения позволяет производить точный расчет электрических цепей с использованием метода комплексных чисел и приближенный расчет на основе метода векторных диаграмм. При этом для расчета используются законы Ома и Кирхгофа, но записанные в векторной или комплексной форме.

6.Способы представления синусоидальных токов, напряжений, ЭДС

В современной технике широко используют разнообразные по форме переменные токи и напряжения: синусоидальные, прямоугольные, треугольные и др. Значение тока, напряжения, ЭДС в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается малыми строчными буквами, соответственно

i = i(t); u = u(t); e = e(t).

Токи, напряжения и ЭДС, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени, называют периодическими, а наименьший промежуток времени, через который эти повторения происходят, называют периодом Т.

Если кривая изменения периодического тока описывается синусоидой, то ток называют синусоидальным. Если кривая отличается от синусоиды, то ток несинусоидальный.

В промышленных масштабах электрическая энергия производится, передается и расходуется потребителями в виде синусоидальных токов, напряжений и ЭДС,

При расчете и анализе электрических цепей применяют несколько способов представления синусоидальных электрических величин.

1. Аналитический способ

Для тока

i(t) = Im sin(ωt + ψi),

для напряжения

u(t) = Um sin (ωt +ψu),

для ЭДС

e(t) = Em sin (ωt +ψe),

В уравнениях обозначено:

Im, Um, Em – амплитуды тока, напряжения, ЭДС;
значение в скобках – фаза (полная фаза);
ψi, ψu, ψe – начальная фаза тока, напряжения, ЭДС;
ω – циклическая частота, ω = 2πf;
f – частота, f = 1 / T; Т – период.

Величины i, Im – измеряются в амперах, величины U, Um, e, Em – в вольтах; величина Т (период) измеряется в секундах (с); частота f – в герцах (Гц), циклическая частота ω имеет размерность рад/с. Значения начальных фаз ψi, ψu, ψe могут измеряться в радианах или градусах. Величина ψi, ψu, ψe зависит от начала отсчета времени t = 0. Положительное значение откладывается влево, отрицательное – вправо.

2. Временная диаграмма

Временная диаграмма представляет графическое изображение синусоидальной величины в заданном масштабе в зависимости от времени (рис. 7).

i(t) = Im sin(ωt - ψi).

3. Графоаналитический способ

Рис. 8

Графически синусоидальные величины изображаются в виде вращающегося вектора (рис. 8). Предполагается вращение против часовой стрелки с частотой вращения ω. Величина вектора в заданном масштабе представляет амплитудное значение. Проекция на вертикальную ось есть мгновенное значение величины.

Совокупность векторов, изображающих синусоидальные величины (ток, напряжение, ЭДС) одной и той же частоты называют векторной диаграммой.

Векторные величины отмечаются точкой над соответствующими переменными.

Использование векторных диаграмм позволяет существенно упросить анализ цепей переменного тока, сделать его простым и наглядным.

В основе графоаналитического способа анализа цепей переменного тока лежит построение векторных диаграмм.

4. Аналитический метод с использованием комплексных чисел

Рис. 9

Синусоидальный ток i(t) = Im sin(ωt + ψ) можно представить комплексным числом Ím на комплексной плоскости (рис. 9)

Ím = Imejψ,

где амплитуда тока Im – модуль, а угол ψ, являющийся начальной фазой, – аргумент комплексного тока.

Использование комплексной формы представления позволяет заменить геометрические операции над векторами алгебраическими операциями над комплексными числами. В результате этого к анализу цепей переменного тока могут быть применены все методы анализа цепей постоянного тока. Подробнее этот метод будет рассмотрен ниже.

7. Действующее значение переменного тока и напряжения

Для сравнения действий постоянного и переменного токов вводят понятие действующее значение переменного тока.

Действующее значение переменного тока численно равно такому постоянному току, при котором за время равное одному периоду в проводнике с сопротивлением R выделяется такое же количество тепловой энергии, как и при переменном токе.

Определим количество энергии, выделяемой за период в проводнике с сопротивлением R для каждого из токов и приравняем их.

(1)

Из (1) следует:

Для любой из синусоидальных величин получаем

; .

Условились, что все измерительные приборы показывают действующие значения. Например, 220 В – действующее значение, тогда .

8.Элементы электрической цепи синусоидального тока

Индуктивность

Вокруг всякого проводника с током образуется магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции В и магнитным потоком Ф:

.

Если поле образуют несколько (w) проводников с одинаковым током, то используют понятие потокосцепления ψ

(2)

ψ = w Ф.

Отношение потокосцепления к току, который его создает называют индуктивностью катушки

(3)

L = ψ / i.

При изменении во времени потокосцепления согласно закону Фарадея возникает ЭДС самоиндукции

eL = - dψ / dt.

С учетом соотношения (2) для eL получаем

(3)

eL = - L · di / dt.

Эта ЭДС всегда препятствует изменению тока (закон Ленца). Поэтому, чтобы через проводники все время тек ток, необходимо к проводникам прикладывать компенсирующее напряжение

(4)

uL = -eL.

Сопоставляя уравнения (3) и (4) получаем

(5)

uL = L · di / dt

Это соотношение является аналогом закона Ома для индуктивности. Конструктивно индуктивность выполняется в виде катушки с проводом.

Условное обозначение индуктивности

Катушка с проводом кроме свойства создавать магнитное поле обладает активным сопротивлением R.

Условное обозначение реальной индуктивности.

Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Часто используют дробные единицы

1 мкГн = 10–6 Гн; 1 мкГн = 10–3 Гн.

Емкость

Все проводники с электрическим зарядом создают электрическое поле. Характеристикой этого поля является разность потенциалов (напряжение). Электрическую емкость определяют отношением заряда проводника к напряжению

C = Q / UC.

С учетом соотношения

i = dQ / dt

получаем формулу связи тока с напряжением

i = C · duC / dt.

Для удобства ее интегрируют и получают

(6)

uC = 1 / C · ∫ i dt.

Это соотношение является аналогом закона Ома для емкости.

Конструктивно емкость выполняется в виде двух проводников разделенных слоем диэлектрика. Форма проводников может быть плоской, трубчатой, шарообразной и др.

Единицей измерения емкости является фарада:

1Ф = 1Кл / 1В = 1Кулон / 1Вольт.

Оказалось, что фарада является большой единицей, например, емкость земного шара равна ≈ 0,7 Ф. Поэтому чаще всего используют дробные значения

1 пФ = 10–12 Ф, (пФ – пикофарада);
1 нФ = 10–9 Ф, (нФ – нанофарада);
1 мкФ = 10–6 Ф, (мкФ – микрофарада).

Условным обозначением емкости является символ

9.Основные свойства простейших цепей переменного тока

Простейшие цепи – цепи, содержащие один элемент.

1. Участок цепи, содержащий активное сопротивление (рис. 10).

Рис. 10

Зададимся изменением тока в резисторе по синусоидальному закону

i(t) = ImR sin(ωt + ψi).

Воспользуемся законом Ома для мгновенных значений тока и напряжения

u(t) = R i(t)

и получим

(7)      u(t) = R ImR sin(ωt + ψi).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(8)     u(t) = UmR sin(ωt + ψu)

Соотношения (7) и (8) будут равны если будут выполнены условия равенства амплитуд и фаз

(9)

UmR = R ImR,

(10)

ψu = ψi.

Соотношение (9) может быть записано для действующих значений

(11)

UR = R IR.

Соотношение (10) показывает, что фазы напряжения и тока в резисторе совпадают. Графически это представлено на временной диаграмме (рис. 11) и на комплексной плоскости (рис. 12).

Рис. 11 и 12

2. Участок цепи, содержащий идеальную индуктивность (рис 13)

Рис. 13

Зададим изменение тока в индуктивности по синусоидальному закону

i(t) = ImL sin(ωt + ψi).

Используем уравнение связи между током и напряжением в индуктивности

uL = L · di / dt

и получим

uL(t) = ωL · ImL cos(ωt + ψi).

Заменим cos на sin и получим

(12)

uL(t) = ωL · ImL sin(ωt + ψi + 90°).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(13)

uL(t) = UmL sin(ωt + ψu).

Соотношения (12) и (13) будут равны если выполняется условие равенства амплитуд и фаз

(14)

UmL = ωL · ImL,

(15)

ψu = ψi + 90°.

Уравнение (14) можно переписать для действующих значений

(16)

UL = ωL · IL.

Уравнение (15) показывает, что фаза тока в индуктивности отстает от фазы напряжения на 90°. Величину XL = ωL в уравнении (14) называют индуктивным сопротивлением. Единицей его измерения является Ом. Графически электрические процессы в индуктивности представлены на рис. 14, 15.

Рис. 14 и 15

3. Участок цепи, содержащий ёмкость (рис. 16)

Рис. 16

Зададим изменение тока в емкости по синусоидальному закону

i(t) = ImC sin(ωt + ψi).

Используем уравнением связи между током и напряжением в емкости

uC = 1 / C · ∫ i dt,

и получим

uC = 1 / (ωC) · ImC (-cos(ωt + ψi)).

Заменим –cos на sin

(17)

uC = 1 / (ωC) · ImC sin(ωt + ψi - 90°).

Формальная запись синусоидального напряжения имеет вид

(18)

uC = UmC sin(ωt + ψu).

Соотношения (17) и (18) будут равны если выполняется условие равенства амплитуд и фаз

(19)

UmC = 1 / (ωC) · ImC,

(20)

ψu = ψi - 90°.

Уравнение (19) можно переписать для действующих значений

(21)

UC = 1 / (ωC) · IC.

Уравнение (20) показывает, что фаза напряжения в емкости отстает от фазы тока на 90°. Величину XC = 1 / (ωC) в уравнении (20) называют емкостным сопротивлением цепи и измеряют его в Омах. Графически электрические процессы в емкости представлены на рис. 17,18

Рис. 17 и 18

10.Сопротивления в цепи переменного тока

В цепях переменного тока выделяют следующие виды сопротивлений.

Активное. Активным называют сопротивление резистора. Условное обозначение

Единицей измерения сопротивления является Ом. Сопротивление резистора не зависит от частоты.

Реактивное. В разделе реактивные выделяют три вида сопротивлений: индуктивное xL и емкостное хс и собственно реактивное. Для индуктивного сопротивления выше была получена формула XL = ωL. Единицей измерения индуктивного сопротивления также является Ом. Величина xL линейно зависит от частоты.

Для емкостного сопротивления выше была получена формула XC = 1 / ωC. Единицей измерения емкостного сопротивления является Ом. Величина хс зависит от частоты по обратно-пропорциональному закону. Просто реактивным сопротивлением цепи называют величину X = XL - XC.

Полное сопротивление. Полным сопротивлением цепи называют величину