Переменный ток, в широком смысле электрический ток , изменяющийся во времени. Обычно в технике под Переменный ток понимают периодический ток, в котором среднее значение за период силы тока и напряжения равно нулю. Периодом Т Переменный ток называют наименьший промежуток времени (выраженный в сек), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются (рис. 1). Важной характеристикой Переменный ток является его частота f - число периодов в 1 сек: f = 1/Т. В электроэнергетических системах СССР и большинства стран мира принята стандартная частота f = 50 гц, в США - 60 гц. В технике связи применяются Переменный ток высокой частоты (от 100 кгц до 30 Ггц). Для специальных целей в промышленности, медицине и др. отраслях науки и техники используют П. т, самых различных частот, а также импульсные токи (см. Импульсная техника ).
Для передачи и распределения электрической энергии преимущественно используется Переменный ток благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности (см. Передача электроэнергии , Электрическая цепь ). Широко применяются трёхфазные системы Переменный ток (см. Трёхфазная цепь ). Генераторы и двигатели Переменный ток по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. Переменный ток может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в Переменный ток другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели Переменный ток (асинхронные и синхронные) для всех видов электроприводов, требующих плавного регулирования скорости.
Переменный ток создаётся переменным напряжением. Переменное электромагнитное поле, возникающее в пространстве, окружающем проводники с током, вызывает колебания энергии в цепи Переменный ток: энергия периодически то накапливается в магнитном или электрическом поле, то возвращается источнику электроэнергии. Колебания энергии создают в цепи Переменный ток реактивные токи, бесполезно загружающие провода и источник тока и вызывающие дополнительные потери энергии, что является недостатком передачи энергии Переменный ток
За основу для характеристики силы Переменный ток принято сопоставление среднего теплового действия Переменный ток с тепловым действием постоянного тока соответствующей силы. Полученное таким путём значение силы Переменный ток I называется действующим (или эффективным) значением, математически представляющим среднеквадратичное за период значение силы тока. Аналогично определяется и действующее значение напряжения Переменный ток U. Амперметры и вольтметры Переменный ток измеряют именно действующие значения тока и напряжения.
В простейшем и наиболее важном на практике случае мгновенное значение силы i Переменный ток меняется во времени t по синусоидальному закону: i = I m sin (wt + a), где I m - амплитуда тока, w = 2pf - его угловая частота, a - начальная фаза. Синусоидальный (гармонический) ток создаётся синусоидальным напряжением той же частоты: u = U m sin (wt + b), где U m - амплитуда напряжения, b - начальная фаза (рис. 2). Действующие значения такого Переменный ток равны: I = lm/ » 0,707 I m, U = U m/ » 0,707 U m. Для синусоидальных токов, удовлетворяющих условию квазистационарности (см. Квазистационарный ток ; в дальнейшем будут рассматриваться только такие токи), справедлив Ома закон (закон Ома в дифференциальной форме справедлив и для неквазистационарных токов в линейных цепях). Из-за наличия в цепи Переменный ток индуктивности или (и) ёмкости между током i и напряжением u в общем случае возникает сдвиг фаз j = b - a, зависящий от параметров цепи (активного сопротивления r, индуктивности L, ёмкости С) и угловой частоты w. Вследствие сдвига фаз средняя мощность Р Т. т., измеряемая ваттметром, меньше произведений действующих значений тока и напряжения: Р = I U cosj.
В цепи, не содержащей ни индуктивности, ни ёмкости, ток совпадает по фазе с напряжением (рис. 3). Закон Ома для действующих значений в этой цепи будет иметь такую же форму, как для цепи постоянного тока: I = U/r. Здесь r - активное сопротивление цепи, определяемое по активной мощности Р, затрачиваемой в цепи: r = P/I 2.
При наличии в цепи индуктивности L Переменный ток индуцирует в ней эдс самоиндукции eL = - L. di/dt = - wLlm cos (wt + a) = wLImsin (wt + a - p/2). Эдс самоиндукции противодействует изменениям тока, и в цепи, содержащей только индуктивность, ток отстаёт по фазе от напряжения на четверть периода, то есть j=p/2 (рис. 4). Действующее значение eL равно EL = IwL = IxL, где xL = wL - индуктивное сопротивление цепи. Закон Ома для такой цепи имеет вид: I = U/xL = U/wL.
Когда ёмкость С включена под напряжение u, то её заряд равен q = Cu. Периодические изменения напряжения вызывают периодические изменения заряда, и возникает ёмкостный ток i = dq/dt = C×du/dt = (C U m cos (wt + b) = wCUm sin (wt + b + p/2). Таким образом, синусоидальный Переменный ток, проходящий через ёмкость, опережает по фазе напряжение на её зажимах на четверть периода, то есть j = -p/2 (рис. 5). Эффективные значения в такой цепи связаны соотношением I = wC U = U/xc, где xc = 1/wС - ёмкостное сопротивление цепи.
Если цепь Переменный ток состоит из последовательно соединённых r, L и С, то её полное сопротивление равно , где x = xL - xc = wL - 1/wC - реактивное сопротивление цепи Переменный ток Соответственно, закон Ома имеет вид: ,а сдвиг фаз между током и напряжением определяется отношением реактивного сопротивления цепи к активному: tgj = х/r. В такой цепи при совпадении частоты w вынужденных колебаний, создаваемых источником Переменный ток, с резонансной частотой w0 = 1/ индуктивное и ёмкостное сопротивления равны (wL = 1/wС) и полностью компенсируют друг друга, сила тока максимальна и наблюдается явление резонанса (см. Колебательный контур ). В условиях резонанса напряжения на индуктивности и ёмкости могут значительно (часто во много раз) превышать напряжение на зажимах цепи.
Облегчение расчётов цепей синусоидальных Переменный ток достигается построением так называемых векторных диаграмм . Векторы синусоидальных тока и напряжения принято помечать точкой над буквенным обозначением (). Длины векторов обычно берутся равными (в масштабе построения диаграммы) действующим значениям I и U, а углы между векторами - равными сдвигам фаз между мгновенными значениями соответствующих величин. Алгебраическому сложению мгновенных значений синусоидальных величин одной и той же частоты соответствует геометрическое сложение векторов этих величин. На рис. 6 показана векторная диаграмма для цепи Переменный ток с последовательно соединёнными r, L, С. Мгновенное значение напряжения на зажимах этой цепи равно алгебраической сумме напряжений на активном и реактивном сопротивлениях: u = uL + ur + uc, следовательно, . При построении диаграммы исходным служит вектор тока, так как во всех участках неразветвлённой цепи ток один и тот же. Поскольку индуктивное напряжение опережает по фазе ток на p/2, а ёмкостное отстаёт от тока на p/2 (то есть они находятся в противофазе), при последовательном соединении они друг друга частично компенсируют.
Векторные диаграммы наглядно иллюстрируют ход вычислений и служат для контроля над ними; построенные с соблюдением масштаба, они позволяют графически определить эффективное напряжение U в цепи и угол сдвига фаз j.
Для расчётов разветвленных цепей квазистационарного Переменный ток используют Кирхгофа правила . При этом обычно применяют метод комплексных величин (символический метод), который позволяет выразить в алгебраической форме геометрические операции с векторами Переменный ток и применить, таким образом, для расчётов цепей Переменный ток все методы расчётов цепей постоянного тока.
Несинусоидальность Переменный ток в электроэнергетических системах обычно нежелательна, и принимаются специальные меры для её подавления. Но в цепях электросвязи, в полупроводниковых и электронных устройствах несинусоидальность создаётся самим рабочим процессом. Если среднее за период значение тока не равно нулю, то он содержит постоянную составляющую. Для анализа процессов в цепях несинусоидального тока его представляют в виде суммы простых гармонических составляющих, частоты которых равны целым кратным числам основной частоты: I = i0 + I 1m sin (wt + a1)+ I 2m sin (2wt + a2) +... + lkm sin (kwt + ak). Здесь I 0 - постоянная составляющая тока, I imsin (wt + a1) - первая гармоническая составляющая (основная гармоника), остальные члены - высшие гармоники. Расчёт линейных цепей несинусоидального тока на основании принципа суперпозиции (наложения) ведётся для каждой составляющей (так как xL и xc зависят от частоты). Алгебраическое сложение результатов таких расчётов даёт мгновенное значение силы (или напряжения) несинусондального тока.
Лит.: Теоретические основы электротехники, 3 изд., ч. 2, М., 1970; Нейман Л. Р., Демирчан К. С., Теоретические основы электротехники, т. 1-2, М.- Л., 1966; Касаткин А. С., Электротехника, 3 изд., М., 1974; Поливанов К. М., Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными, М., 1972 (Теоретические основы электротехники, т. 1).
А. С. Касаткин.