Переменный и постоянный ток - советы для электриков - Electro Genius - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Эскиз 1. Принципиальная схема простого генератора переменного тока

Содержание

Переменный и постоянный ток – советы для электриков

В электричестве существует два вида тока – постоянный и переменный. Для питания электроприборов также требуется тот или иной вид тока. От этого зависит их работоспособность, а иногда и целостность, при подключении к неправильному источнику питания. В этой статье мы объясним разницу между переменным и постоянным током, дав краткий ответ в самых простых терминах.

Определение

Электрический ток – это направленный поток заряженных частиц. Это определение из учебника физики. Проще говоря, это можно перевести как то, что его элементы всегда имеют определенное направление. Собственно, это направление и определяет сегодняшнюю беседу.

Переменный ток (AC) отличается от постоянного тока (DC) тем, что электроны (носители заряда) всегда движутся в одном и том же направлении.

Соответственно, разница между переменным и постоянным током заключается в том, что направление движения и его сила зависят от времени.

Например, в розетке направление и величина напряжения, а значит и тока, изменяются синусоидально с частотой 50 Гц (полярность между проводами меняется 50 раз в секунду).

Для электриков это отображается на графике, где вертикальная ось показывает полярность и напряжение, а горизонтальная – время:

Красная линия показывает напряжение постоянного тока, оно остается постоянным во времени, если не изменяется при включении большой нагрузки или коротком замыкании. Зеленые волны показывают синусоидальный ток.

Вы можете видеть, что он течет в одном направлении и вытекает в другом, в отличие от постоянного тока, где электроны всегда текут от минуса к плюсу, а направление электрического тока выбирается так, чтобы течь от плюса к минусу.

Проще говоря, разница в этих двух примерах заключается в том, что в случае постоянного тока плюс и минус всегда находятся на одних и тех же проводах.

Когда речь идет о переменном токе, при передаче электроэнергии используются понятия фазы и нуля.

Если обратиться к аналогии с постоянным током, то фаза и ноль – это плюс и минус, только полярность меняется 50 раз в секунду (60 раз в секунду в США и некоторых других странах, и более 400 раз в самолетах).

Истоки

Разница между переменным и постоянным током заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, таких как батареи и аккумуляторы.

Его также можно получить с помощью динамо, которое является устаревшим названием генератора постоянного тока. Кстати, они использовались для выработки электроэнергии для первых электросетей. Мы говорили об этом в статье об открытиях Николы Теслы, в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позднее так стали называть небольшие генераторы для питания велосипедных фар.

Переменный ток также вырабатывается генераторами, в настоящее время в основном трехфазными.

Оба напряжения также могут генерироваться твердотельными инверторами и выпрямителями. Поэтому вы можете выпрямить переменный ток или получить то же самое, преобразовав постоянный ток.

Формулы для расчета постоянного тока

Разница между переменным и постоянным током заключается в формулах расчета процессов, происходящих в цепи. Таким образом, сопротивление рассчитывается по закону Ома для участка цепи или для всей цепи:

E=I/R

E=I/(R+r)

Мощность также рассчитывается простым способом:

P=UI

Формулы для расчета переменного тока

При расчете цепей переменного тока разница в формулах обусловлена различием процессов в емкости и индуктивности. Тогда формула закона Ома будет относиться к активному сопротивлению:

Здесь 1/wC и wL – емкостная и индуктивная реактивности, а w – угловая частота, она равна 2пФ.

Для цепи с емкостью и индуктивностью:

wL-1/wC является реактивным сопротивлением и обозначается как Z.

В приведенном ниже видеоролике более подробно объясняется разница между переменным и постоянным током:

Материалы по данной теме:

Отвечая на вопрос коротко, можно сказать, что все дело в его универсальности. Что можно сделать с переменным напряжением, вот несколько советов:

История открытия переменного напряжения

Постоянный ток был известен давно, но только после того, как Георг Симон Ом, немецкий физик, занялся им всерьез. Закон, названный в его честь, был открыт в 1826 году. Им занялся Томас Алва Эдисон, американский предприниматель и изобретатель.

В 1884 году ученый, изобретатель, инженер и физик Никола Тесла устроился на работу к Эдисону. Ему пришла в голову идея создать электродвигатель с вращающимся магнитным полем. Сегодня такой двигатель называется асинхронным. Работая на Эдисона, молодой изобретатель усовершенствовал электродвигатели своего работодателя, но вместо ожидаемого вознаграждения он получил лишь насмешки.

После ухода от Эдисона Тесла некоторое время оставался без денег, пока наконец не встретил нужных людей. Остаток жизни он посвятил осуществлению своей мечты и постоянной борьбе со сторонниками постоянного тока в лице Томаса Эдисона. Эта борьба продолжалась даже после его смерти и завершилась в 2007 году полной победой переменного тока над постоянным.

Однако постоянный ток – не единственная форма электричества. Некоторые источники энергии (в первую очередь вращающиеся электромеханические генераторы) вырабатывают напряжение, полярность которого меняется с течением времени. Этот тип электричества известен как переменный ток (AC):

Что такое переменный ток?

Что такое переменный ток?

Большинство начинающих радиолюбителей начинают свое обучение электронике с основ постоянного тока (DC), который течет в одном направлении и/или имеет напряжение постоянной полярности. Постоянный ток – это тип электричества, производимого батареями (которые имеют положительные и отрицательные полюса), или тип заряда, производимого трением определенных типов материалов друг о друга.

Однако постоянный ток – не единственный вид электричества. Некоторые источники энергии (в первую очередь вращающиеся электромеханические генераторы) вырабатывают напряжение, полярность которого меняется с течением времени. Этот тип электричества известен как переменный ток (AC):

Точно так же, как знакомый символ батареи используется для обозначения любого источника постоянного напряжения, круг с волнистой линией внутри используется для обозначения любого источника переменного напряжения.

Можно подумать, что практическое применение переменного тока ограничено. На самом деле, в некоторых случаях переменный ток уступает постоянному с точки зрения практического применения. В системах, где электричество используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеют значения – достаточно напряжения и тока, чтобы нагрузка генерировала необходимое тепло (рассеивание энергии). Однако, используя переменный ток, можно создать гораздо более эффективные электрогенераторы, электродвигатели и системы распределения электроэнергии. По этой причине в системах большой мощности преобладает переменный ток. Чтобы понять, почему это так, нам нужно узнать немного больше о самом переменном токе.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока на поверхности, ограниченной этим контуром. Это основной принцип работы генератора переменного тока. генератор переменного тока.

Принцип работы генератора переменного тока

Обратите внимание, как меняется полярность напряжения на катушке, когда полюса магнита вращаются вокруг катушки. При подключении к нагрузке это напряжение создает ток, который периодически меняет свое направление. Чем быстрее вращается вал генератора, тем быстрее вращается магнит и тем чаще напряжение будет менять полярность, а ток – направление со временем.

Хотя генераторы постоянного тока работают по тому же принципу электромагнитной индукции, их конструкция намного сложнее, чем у их конкурентов – генераторов переменного тока. У генераторов постоянного тока обмотка на валу (у генераторов переменного тока на валу находится магнит), и эта вращающаяся обмотка находится в контакте с неподвижными угольными “щетками”. Эта конструкция необходима для переключения меняющейся полярности на выходе катушки на внешнюю цепь, чтобы на последней создавалась постоянная полярность:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор переменного тока в этой схеме производит два импульса напряжения при одном вращении вала. Оба импульса имеют одинаковую полярность. Для того чтобы генератор постоянного тока производил постоянная Для того чтобы генератор постоянного тока вырабатывал постоянное напряжение, а не просто короткие импульсы в каждый полупериод вращения, формируется набор обмоток, которые периодически контактируют со щетками. На рисунке выше в упрощенной форме показано то, что можно увидеть на практике.

Проблемы, связанные с образованием и прерыванием электрического контакта во время движения обмотки, очевидны (искрение и перегрев), особенно если вал генератора вращается с высокой скоростью. Если окружающая среда вокруг генератора содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, проблемы с искрообразованием усугубляются. Для работы генератора не нужны ни щетки, ни переключатели, поэтому он не подвержен проблемам, присущим генераторам постоянного тока.

Альтернаторы также имеют явное преимущество перед генераторами постоянного тока при использовании в качестве электродвигателей. В отличие от двигателей постоянного тока, в трехфазных двигателях отсутствует проблема контакта щеток с движущейся обмоткой. Электродвигатели постоянного и переменного тока очень похожи по конструкции на соответствующие электрогенераторы.

Поэтому очевидно, что конструкция генераторов и двигателей переменного тока намного проще, чем генераторов и двигателей постоянного тока. Относительная простота этих устройств на практике оборачивается гораздо большей надежностью и экономичностью. Для чего еще используется переменный ток? Конечно, должно быть что-то еще, кроме использования его для генераторов и двигателей! И действительно, спектр применения переменного тока очень широк. Я уверен, что вы слышали о таком явлении, как взаимная индукция. Это происходит, когда две или более обмоток намотаны таким образом, что переменное магнитное поле, создаваемое одной обмоткой, вызывает напряжение в другой. Если к одной обмотке приложено переменное напряжение, то в другой обмотке также возникает переменное напряжение. Такое устройство называется трансформатором.

Основное назначение трансформатора – это его способность повышать и понижать вторичное напряжение. Напряжение переменного тока, создаваемое во вторичной обмотке, равно напряжению переменного тока в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если, с другой стороны, ток подается из вторичной обмотки в нагрузку, то изменение вторичного тока прямо противоположно: первичный ток умножается на отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной. Механическую аналогию таких соотношений можно найти на примере крутящего момента и скорости (вместо напряжения и тока соответственно):

Если соотношение обмоток обратное, т.е. первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная, трансформатор поднимет напряжение источника до более высокого уровня:

Способность трансформатора повышать и понижать переменное напряжение дает переменному току неоспоримое преимущество перед постоянным при распределении электроэнергии (см. рисунок ниже). Гораздо эффективнее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и низкой силе тока (провода с меньшим диаметром и меньшими потерями сопротивления), а затем понижать напряжение и увеличивать силу тока при доставке энергии конечным потребителям.

Трансформаторы сделали передачу электроэнергии на большие расстояния гораздо более практичной. Без возможности эффективного увеличения и уменьшения мощности было бы нерентабельно строить энергосистемы на больших расстояниях (более нескольких десятков километров).

Для работы трансформаторов требуется только переменный ток. Поскольку явление взаимной индукции основано на переменных магнитных полях, трансформаторы просто не будут работать с постоянным током (постоянный ток может создавать только постоянные магнитные поля). Конечно, прерывистый постоянный ток (пульсирующий) можно подать на первичную обмотку трансформатора для создания переменного магнитного поля (как это делается в автомобильной системе зажигания для получения искры в свече зажигания от низковольтной батареи постоянного тока), но в этом варианте пульсирующий постоянный ток ничем не отличается от переменного. Это может быть причиной того, что переменный ток чаще используется в электроэнергетических системах.

Дифференцируя это уравнение по времени, мы находим ток через конденсатор:

Конденсатор в цепи переменного тока

Через конденсатор не протекает постоянный ток – для постоянного тока конденсатор представляет собой разомкнутую цепь. Однако переменный ток не ограничивается конденсатором! Протекание переменного тока через конденсатор обеспечивается периодическим изменением заряда на его пластинах.

Рассмотрим конденсатор с емкостью , подключенный к источнику синусоидального напряжения (рис. 3). Активное сопротивление проводников, как всегда, принимается равным нулю. Направление положительного обхода контура снова выбирается против часовой стрелки.

Рис. 3 Конденсатор в цепи переменного тока

Как и раньше, мы обозначаем зарядом пластину конденсатора, по которой течет положительный ток, в данном случае это будет правая пластина. Тогда знак величины совпадает со знаком напряжения . Кроме того, как мы помним из предыдущей памятки, когда знак заряда и направление тока согласуются таким образом, равенство будет выполнено.

Напряжение на конденсаторе равно напряжению источника:

Дифференцируя это равенство по времени, находим ток, протекающий через конденсатор:

Графики тока и напряжения показаны на рисунке 4 . Мы видим, что ток достигает максимума на четверть периода раньше, чем напряжение. Это означает, что фаза тока больше фазы напряжения (ток опережает напряжение на ).

Рисунок 4: Ток, протекающий через конденсатор, обгоняет напряжение по фазе на

Чтобы найти сдвиг фаз между током и напряжением, используйте формулу приведения:

Используя эту формулу, получаем из (3) :

И теперь мы ясно видим, что фаза тока больше фазы напряжения на .

Для амплитуды тока имеем :

Таким образом, амплитуда тока связана с амплитудой напряжения соотношением, аналогичным закону Ома:

Это значение называется емкость емкость конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше амплитуда протекающего через него тока, и наоборот.

Емкость обратно пропорциональна циклической частоте напряжения (тока) и емкости конденсатора. Давайте попробуем понять физическую причину такой взаимосвязи.

1. чем выше частота колебаний (при постоянной емкости), тем меньше времени заряд протекает через контур; тем выше амплитуда тока и меньше емкость. Емкость стремится к нулю: . Это означает, что для высокочастотного тока конденсатор фактически является коротким замыканием в цепи.

Напротив, с уменьшением частоты емкость увеличивается и при . Это неудивительно: случай соответствует постоянному току, а конденсатор для постоянного тока представляет собой бесконечное сопротивление (разомкнутая цепь).

2 Чем больше емкость конденсатора (при постоянной частоте), тем больше заряда протекает через цепь за то же время (за тот же четверть периода); тем больше амплитуда тока и тем меньше емкость.

Мы подчеркиваем, что, в отличие от ситуации с резистором, мгновенно Значения тока и напряжения в одни и те же моменты времени больше не будут удовлетворять соотношению, аналогичному закону Ома. Причиной этого является сдвиг фаз: напряжение изменяется по закону синуса, а ток – по закону косинуса; эти функции не пропорциональны друг другу. Закон Ома применим только к Амплитуда ток и напряжение связаны законом Ома.

Где U, I – среднеквадратичные значения напряжения и тока.

Альтернатор

Переменный ток, представляющий собой колебательное движение заряженных частиц, генерируется в электросети в результате переменного электрического поля, создаваемого генератором.

Роль асинхронного генератора в промышленной сети

В бытовых и промышленных целях используются электроприборы различной мощности, которые питаются от сети переменного тока частотой 50 Гц. Источниками тока в этой сети являются индукционные генераторы переменного тока, расположенные на электростанциях. Переменный ток поступает по проводам линий электропередач к потребителям.

Индукционный генератор – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Помните! При изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре в нем возникает индукционный ток.

Магнитный поток проникающего в поверхность с полем S, равна

где угол между нормалью к плоскости рамки и вектор магнитной индукции (рис. 27).

Примечание.

Значение угла поворота для вращения рамки с угловой скоростью будет определяться по формуле с которой формула для расчета магнитного потока (1) примет вид:

ЭДС индукции, создаваемая генератором переменного тока

Работа генератора основана на законе электромагнитной индукции: переменный магнитный поток, пронизывающий замкнутую проводящую рамку, создает вихревое электрическое поле, и в рамке наводится индукционный ток.

Если временной интервал очень мал закон электромагнитной индукции для замкнутого контура принимает вид

где – мгновенное значение ЭДС индукции.

Определим производную магнитного потока:

где – максимальное значение ЭДС.

Ротор генератора переменного тока состоит из большого количества каркасов. Если число рамок в роторе равно N, то максимальная ЭДС генератора равна:

Конструкция асинхронного генератора переменного тока

Генератор переменного тока состоит из: 1) индуктор – устройство, создающее магнитное поле; 2) якорь – обмотка, в которой индуцируется ЭДС; 3) щеточные кольца – устройство, с помощью которого ток отводится или подводится к вращающейся части генератора (рис. 28).

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная часть – статором. В мощных генераторах переменного тока ротор используется в качестве возбудителя, а статор – в качестве якоря. Это связано с тем, что допустимый ток в роторе ограничен нагревом скользящих контактов, а большой ток, возникающий в якоре, удобнее отводить от неподвижной обмотки. Для увеличения ЭДС индукции используется обмотка статора с большим числом витков. Для увеличения магнитного потока индукционная катушка и обмотка якоря наматываются на стальные сердечники, оставляя между ними небольшой зазор, необходимый для вращательного движения. При вращении ротора магнитный поток через якорь изменяется, и индуцируется электромагнитное поле (Рисунок 29).

Помните! Закон электромагнитной индукции для замкнутого контура: Для петли, состоящей из N витков – изменение магнитного потока.

Напряжение на выходе генератора

Напряжение можно считать равным численному значению ЭДС индукции, если сопротивление обмотки статора намного меньше по сравнению с сопротивлением внешней цепи: затем

Из (8) следует, что максимальные значения индуктивной ЭДС и выходного напряжения генератора равны:

где N – число обмоток якоря.

Генераторы на электростанциях вырабатывают напряжение в несколько тысяч вольт.

Скорость вращения ротора генератора

Для выработки переменного тока частотой 50 Гц однополюсный ротор должен вращаться со скоростью 50 об/мин или 3000 об/мин. Паровые и газовые турбины могут создавать такую скорость вращения ротора. Гидроэлектростанции используют низкоскоростные водяные турбины и генераторы с роторами с несколькими парами полюсов для достижения стандартных частот переменного тока. Ротор с 24 парами полюсов вращается с частотой 125 об/мин или около 2 об/мин:

где n – число пар полюсов в индукторе.

Пример № 4

Цепь площадью поперечного сечения S = 400 см2 , состоящая из N = 100 витков провода, равномерно вращается с угловой скоростью = 1 рад/с в однородном магнитном поле индукцией B = 0,01 Тесла, линии потока которого перпендикулярны оси вращения. Определите максимальное значение ЭДС.

Дано:

= 1 рад/с

SI 0,04 м 2

Решение:

0,01 Тесла – 0,04 м 2 – 1 рад/с – 100 = 0,04 В.

Ответ: 0,04 В.

Немеханические производители электроэнергии непрерывного действия:

Конверсия

Бытовые приборы, которым требуется постоянный ток, питаются от источников питания. Это схемы, состоящие из понижающего трансформатора и выпрямительного блока. При подключении источника питания к прибору убедитесь, что параметры напряжения и мощности совместимы. Эти параметры указаны на корпусе устройства.

В настоящее время оба вида электроэнергии прекрасно уживаются друг с другом. Смешанные энергетические системы для потребителей только дополняют друг друга.

Читайте далее: