Читаем Посвящение в радиоэлектронику полностью

Мне кажется, теперь вы легко сможете ответить на вопрос, почему переменное напряжение в электросети синусоидально. Ведь якорь генератора на электростанции вращается равномерно. А магнитное поле, нужное для генерирования тока, направлено перпендикулярно оси якоря. Оно задает ту самую ось, на которую проектируется вращение якоря. Впрочем, гораздо лучше устройство генератора описано в школьном учебнике физики. Итак, в нашей электрической розетке имеется напряжение

u = A·sin ωt.

Названия параметров, входящих в формулу, стали несколько другими: А — амплитуда напряжения, ω — угловая частота, t — это по-прежнему текущее время. Если известно, что сетевое напряжение 220 В, это не значит, что А = 220 В. В электротехнике, если нет специальной оговорки, пользуются действующими значениями напряжения или тока. Действующие значения соответствуют значениям постоянного тока, развивающего ту же мощность. Амплитудное значение напряжения или тока в √2 раз больше действующего. Поэтому при действующем напряжении в сети 220 В мгновенное напряжение изменяется от нуля до 311 В по закону синуса и А = 311 В.

Давайте обсудим, почему синусоидальная форма напряжения или тока является простейшей, в некотором смысле наилучшей формой. Как мы уже установили такую форму тока дает равномерно вращающийся якорь генератора. Но если какими-либо техническими ухищрениями сделать форму тока другой, например прямоугольной? Даст ли это какие-нибудь преимущества при передаче электроэнергии? Оказывается, нет!

Спектры

Синусоидальные колебания.

Прямоугольную волну тока можно представить как сумму простейших синусоидальных волн. На рисунке показано, как это делается. Сверху изображено синусоидальное колебание с частотой f0. Напомним, что угловая частота связана с обычной, циклической частотой простым соотношением ω = 2π·f. Частота тока электрических сетей в СССР выбрана равной 50 Гц, в США 60 Гц. Это соответствует частоте вращения якоря генератора 3000 и 3600 об/мин соответственно. Если к изображенному на рисунке основному колебанию с частотой f0 добавить еще одно колебание с частотой 3f0 (третью гармонику основного колебания), то форма суммарного колебания изменится. Добавим еще и пятую гармонику-колебание с частотой 5f0. Относительные амплитуды гармоник должны уменьшаться обратно пропорционально частоте. Результат суммирования трех колебаний с частотами f0, 3f0 и 5f0 и с амплитудами 1, 1/3 и 1/5 изображен на нижнем графике. Здесь мы видим поразительное приближение к прямоугольному колебанию.

Прямоугольное колебание можно представить суммой синусоидальных гармоник с амплитудами Аn = A1/n (где n = 1, 3, 5…)

Великий французский математик Ж. Фурье доказал, что любое периодическое колебание можно представить суммой простейших, синусоидальных колебаний с кратными частотами. Их набор называется спектром исходного колебания. Спектр можно изобразить графически, отложив по горизонтали частоты, а по вертикали относительные амплитуды гармоник. Точное приближение к исходной форме колебания дает чаще всего лишь бесконечный ряд гармоник. Например, для точного воссоздания симметричного прямоугольного колебания нужен бесконечный ряд нечетных гармоник основной частоты. Разумеется, передать такой сложный спектр по проводам электрической сети намного труднее, чем одну-единственную спектральную гармонику синусоидального колебания. Высшие гармоники неизбежно будут ослабляться по амплитуде, да и фаза их изменится, что приведет к искажению передаваемого прямоугольного колебания. Только синусоидальное колебание меньше всего подвержено искажениям при передаче.

Чем реже происходят колебания, тем больше их период (т. е. время совершения одного полного колебания) и тем ниже основная частота спектра этих колебаний. Спектральные линии на оси частот при этом располагаются гуще. Непериодический процесс тоже можно представить спектром, но спектр окажется уже не состоящим из отдельных спектральных линий, а сплошным. Соответствующая математическая операция называется интегральным преобразованием Фурье. Оно используется главным образом для импульсных сигналов. Характерна следующая закономерность: чем короче импульс, тем шире его спектр. Наивысшая частота спектра приблизительно обратно пропорциональна длительности импульса. Например, импульс длительностью 0,01 с имеет ширину спектра около 100 Гц, а импульс длительностью 1 мкс (10-6) — 1 МГц. Особый интерес представляют бесконечно короткие или, как их еще называют, дельта-импульсы (δ-импульсы). Оли обладают бесконечно протяженным равномерным спектром (см. рисунок).

Перейти на страницу:

Все книги серии Массовая радиобиблиотека

Похожие книги

102 способа хищения электроэнергии
102 способа хищения электроэнергии

Рассмотрена проблема хищений электроэнергии и снижения коммерческих потерь в электрических сетях потребителей. Приведены законодательно–правовые основы для привлечения к ответственности виновных в хищении электроэнергии. Изложены вопросы определения расчетных параметров средств учета электроэнергии, показаны схемы подключения счетчиков электрической энергии. Описаны расчетные и технологические способы хищения электроэнергии. Обсуждаются организационные и технические мероприятия по обнаружению, предотвращению и устранению хищений.Для работников энергоснабжающих организаций и инспекторского состава органов Ростехнадзора. Материалы книги могут быть использованы руководителями и специалистами энергослужб предприятий (организаций) для правильного определения расчетных параметров средств учета и потерь электроэнергии в электрических сетях.Если потенциальные расхитители электроэнергии надеются найти в книге «полезные советы», они должны отдавать себе отчет, что контролирующие структуры информированы в не меньшей степени и, следовательно, вооружены для эффективной борьбы с противоправной деятельностью.Настоящая книга является переработанным и дополненным изданием выпущенной в 2005 г. книги «101 способ хищения электроэнергии».

Валентин Викторович Красник

Технические науки / Образование и наука
Электроника для начинающих (2-е издание)
Электроника для начинающих (2-е издание)

В ходе практических экспериментов рассмотрены основы электроники и показано, как проектировать, отлаживать и изготавливать электронные устройства в домашних условиях. Материал излагается последовательно от простого к сложному, начиная с простых опытов с электрическим током и заканчивая созданием сложных устройств с использованием транзисторов и микроконтроллеров. Описаны основные законы электроники, а также принципы функционирования различных электронных компонентов. Показано, как изготовить охранную сигнализацию, елочные огни, электронные украшения, устройство преобразования звука, кодовый замок и др. Приведены пошаговые инструкции и более 500 наглядных рисунков и фотографий. Во втором издании существенно переработан текст книги, в экспериментах используются более доступные электронные компоненты, добавлены новые проекты, в том числе с контроллером Arduino.

Чарльз Платт

Радиоэлектроника / Технические науки
100 великих чудес инженерной мысли
100 великих чудес инженерной мысли

За два последних столетия научно-технический прогресс совершил ошеломляющий рывок. На что ранее человечество затрачивало века, теперь уходят десятилетия или всего лишь годы. При таких темпах развития науки и техники сегодня удивить мир чем-то особенным очень трудно. Но в прежние времена появление нового творения инженерной мысли зачастую означало преодоление очередного рубежа, решение той или иной крайне актуальной задачи. Человечество «брало очередную высоту», и эта «высота» служила отправной точкой для новых свершений. Довольно много сооружений и изделий, даже утративших утилитарное значение, тем не менее остались в памяти людей как чудеса науки и техники. Новая книга серии «Популярная коллекция «100 великих» рассказывает о чудесах инженерной мысли разных стран и эпох: от изобретений и построек Древнего Востока и Античности до небоскребов в сегодняшних странах Юго-Восточной и Восточной Азии.

Андрей Юрьевич Низовский

История / Технические науки / Образование и наука