Переменный электрический ток (AC, аббревиатрура от англ. alternating current) - это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).
Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.
Основные параметры переменного тока
Для его описания используют следующие параметры (см. график):
- Период (T) - длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
- Частота (f) - параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения - 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
- Амплитуда тока (Im) - максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика - высота синусоиды;
- Фаза - состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.
Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.
Применение переменного тока
Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.
Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.
Электроэнергия в современном мире существует в двух видах. Одна её ипостась – постоянный ток, а вторая – переменный. Разница между ними принципиальная и то, что доступно одному виду электричества, недоступно другому. Так, постоянный ток известен людям очень давно, а переменный был поставлен человеком на службу цивилизации буквально сегодня по историческим меркам. Данная статья посвящена рассмотрению различий и мест применения электроэнергии с постоянной и переменной составляющей.
Постоянный ток, его происхождение и применение
С источниками постоянного тока мы сталкиваемся ежесекундно. Когда вы читаете эту статью с экрана своего монитора, в том, что вы различаете буквы, есть заслуга постоянного тока. Именно от источников постоянного тока запитан компьютер и все его микросхемы. Именно перепадами между уровнями сигнала, соответствующим нулю и единице, мы обязаны существованию цифровой вселенной. Постоянный ток протекает в фонарике и мобильном телефоне, в автомобиле и множестве других устройств бытового и специального назначения, где есть хоть один транзистор или диод.
Вместе с тем, способы получения и применение постоянного тока были известны еще во времена Древнего Мира. Археологами, производящими раскопки в долине Евфрата, были найдены странные керамические сосуды в жилище некоторых ювелиров. Сосуды имели устройство, схожее с гальванической батареей и соединялись между собой медной проволокой. Каково же было удивление археологов, когда они ради эксперимента заполнили один из сосудов кислотой и получили на его полюсах потенциал, равный полутора вольтам! Оказалось, что блоки батарей древние ювелиры применяли для гальванического покрытия ювелирных изделий различными металлами, что и подтвердили готовые образцы изделий, которые часто попадались ученым ранее.
Есть гипотезы, говорящие в пользу того, что при строительстве пирамид в Египте использовали электричество для освещения залов и коридоров в тех местах, где наносили росписи барельефы. Ученые спорят до сих пор по этому поводу, так как есть предположение о том, что свет подавали при помощи системы зеркал с поверхности. Как бы то ни было, но следов копоти на стенах древних залов с росписями не обнаружено и это факт, который остается необъяснимым до сих пор. Ясно одно, что шумеры умели пользоваться электричеством, а жили они раньше египетской цивилизации.
В современном понимании постоянный ток возникает в замкнутой цепи, состоящей из источника постоянного тока, например, аккумуляторной или химической батареи, проводников и нагрузки. В качестве нагрузки может выступать материал с электрическим сопротивлением, гораздо большим, нежели сопротивление проводников, замыкающих электрическую цепь. Это может быть лампочка с вольфрамовой спиралью или реостат из нихромовой проволоки или любая другая нагрузка, сопротивление которой имеет значение, отличное от нуля.
Получают постоянный ток различными способами. Самый древний из них – химический, основанный на возникновении разницы потенциалов между проводниками из разных материалов, помещенных в кислотную или щелочную среду. Химические батареи и аккумуляторы используются людьми не одно тысячелетие и сегодня они в ходу, только в очень усовершенствованном виде по сравнению со своими древними предками. Более современные источники постоянного тока – фотоэлементы, позволяющие получать разницу потенциалов при облучении их Солнцем и генераторы постоянного тока, которые приводят в действие при помощи механической энергии, прилагаемой снаружи. Сегодня генераторы постоянного тока наиболее распространены в ветроустановках с преобразователем напряжения.
Постоянный ток движет поезда на железной дороге. Электрифицированные участки сегодня составляют значительную величину по протяженности в нашей стране. Постоянный ток применяют и для передачи на большие расстояния значительных мощностей электрической энергии при сверхвысоких потенциалах.
При всей широте применения постоянного тока имеются значительные ограничения, которые препятствуют использованию его в повседневной деятельности для питания бытовых приборов и промышленных установок. Связано это с большими потерями на омическое сопротивление в проводниках, что сказывается самым негативным образом на работе осветительного и прочего оборудования. Для того чтобы снизить потери, необходимо применять проводники большего сечения, причем, альтернативы меди здесь практически нет. А медные провода весьма дороги.
Это препятствие заставило ученых искать иные способы получения и передачи электроэнергии на любые расстояния практически без потерь. Ныне в этой области человеческой деятельности главную роль играет переменный ток.
Переменный ток — происхождение и применение
Появление генераторов и систем передачи энергии переменного тока стало одним из важнейших достижений девятнадцатого века. При этом научные изыскания в этой сфере велись с самого начала столетия. В основу исследований были положены теоретические расчеты, которые показывали, что переменное магнитное поле должно вызывать переменное электрическое поле, которое в свою очередь вызывает снова переменное магнитное поле и процесс этот может протекать до бесконечности. При значительной частоте колебаний образуются электромагнитные волны, способные свободно распространяться в пространстве, а при незначительной частоте почти вся энергия остается в проводнике, по которому происходит её передача.
Самый простой способ возбудить электрические колебания с переменной амплитудой напряжения – перемещать постоянный магнит внутри рамки с изолированным проводом. При этом, чем больше количество витков в рамке и чем мощнее магнит, тем выше максимальное значение амплитуды напряжения, которое может зарегистрировать вольтметр на зажимах обмотки рамки.
Важной особенностью переменного напряжения является смена полярности при прохождении магнита в обратную сторону. А так же прохождение нулевой отметки значения амплитуды напряжения при смене полярности. Такое поведение напряжения, а значит и тока при подключении нагрузки, позволяет очень легко преобразовывать переменное напряжение в другие величины при помощи трансформаторов, что открывает отличные перспективы для передачи практически без потерь значительных мощностей на любые расстояния, что недостижимо для установок постоянного тока, кроме работающих на сверхвысоких напряжениях.
Первые генераторы переменного тока были разработаны Теслой и Эдисоном. Тесла разработал трехфазную схему производства и передачи электроэнергии на большие расстояния. Он же предложил принцип трансформации напряжения в зависимости от решаемых задач. Так, для потребления электроэнергии конечными установками он предложил ввести переменное напряжение частотой 50 или 60 Гц с амплитудой 110, 127 или 220 вольт, а для передачи на большие расстояния рекомендовал повышать напряжение до 10 тысяч вольт и выше. При высоких напряжениях для передачи по проводнику одинаковой мощности требуется меньший ток, а чем он меньше, тем меньше потери в проводнике. Поэтому сегодня в линии электропередач подают переменное напряжение с амплитудой до 330 кВ.
Простое преобразование напряжений открывает очень широкие возможности для прямого использования переменного тока. Так, существующие асинхронные трехфазные и однофазные двигатели, осветительные приборы, обогреватели и многие другие бытовые приборы могут работать непосредственно от сети, а более сложная радиотехника и устройства с автоматикой, требующие для работы наличие постоянного напряжения, приспособлены для получения его прямо на месте из переменного сетевого напряжения. Так сводят к минимуму потери постоянного тока в проводниках.
Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока
Ученых и практиков от электротехники давно занимает вопрос соединения воедино положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня ни у кого не вызывают удивления инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.
Сегодня можно утверждать о настоящей революции в сварочном деле, которая произошла благодаря появлению инверторов, значительно облегчивших в прямом и переносном смыслах сварочные аппараты и процессы. Теперь даже те виды сварки, которые считались прерогативой закрытых оборонных предприятий стали доступны любому сварщику, а стоимость производства таких работ, как аргонно-дуговая сварка и полуавтоматическая сварка значительно снизилась. Доступные по цене, легкие переносные сварочные аппараты, которые можно запитывать от обычной розетки в любой квартире, дали возможность проявить свой творческий потенциал многим любителям и профессионалам работы с металлом.
Не менее впечатляющими достижениями импульсной техники могут похвастаться производители источников бесперебойного питания, сетевых импульсных стабилизаторов напряжения, систем получения электроэнергии от альтернативных источников с возможностью аккумулирования и последующего преобразования запасенной энергии при возникновении потребности. Возможности импульсной техники изучены и использованы далеко не полностью. Мы в самом начале этого пути единения постоянного и переменного тока. Совсем не за горами автомобили на электричестве и прочие чудеса, которые станут явью с внедрением новых открытий и разработок в области импульсных источников электроэнергии.
Нажать Класс
Рассказать ВК
Уважаемые посетители сайта!!!
Все изложенное в рубрике «электротехника», — дается для Вас в более простой, доступной форме обучения. Если вникать в теоретические основы электротехники , то переходить на такое обучение нужно не спонтанно, а постепенно.
Допустим, читаем формулировку правила: «Магнитный поток сквозь поверхность S равен линейному интегралу векторного потенциала по замкнутому контуру, ограничивающему эту поверхность». Данное правило дает понятие об углубленном познании магнитного поля постоянных токов , такой курс обучения проходят в высших технических учебных заведениях. Конечно-же, нужно стремиться к высшему познанию таких вещей, но для человека, которому допустим нужно починить электроплиту либо какой нибудь электроприбор, такие познания в общем-то просто ни к чему.
Полагаю, что если человек зашел на сайт, — ему нужно получить конечный результат такого продукта — полезной информации. В частности, для данной темы речь пойдет о способах получения электрического тока .
Получение переменного тока
Переменный ток вырабатывают генераторы, электрические машины , — как их принято называть в электротехнике. Следует не забывать и о том, что в зависимости от их применения генераторы бывают как переменного так и постоянного тока. В зависимости от их устройства, генераторы вырабатывают:
- трехфазный ток с выходным напряжением 380 Вольт;
- однофазный ток с выходным напряжением 220 Вольт.
Где именно могут применяться трехфазные генераторы? Да допустим для питания трехфазной тепловой пушки на 6 кВт 380 В для обогрева складского помещения.
Тогда где-же могут применяться однофазные генераторы? Однофазные генераторы как и трехфазные, применяются допустим в больнице — при аварийном отключении электроэнергии.
Генератору, как нам известно, необходимо придать механическое вращение якоря. Каким образом можно придать якорю генератора механическое вращение? Такими источниками служат двигатели внутреннего сгорания:
- газовые;
- бензиновые;
- дизельные
и другие источники, чтобы привести якорь генератора в движение. Другими источниками получения электрической энергии являются:
- ветряные электростанции;
- водяные электростанции;
- турбинные электростанции.
На рисунке показано схематическое изображение устройства генератора переменного тока \рис.1\. Рамку в этом примере можно представить как якорь, состоящий из одного витка провода. Рамка обозначена сторонами А, Б, В, Г. Два проводника \А и Б\ при вращении рамки, пересекают магнитные силовые линии постоянного магнита С, Ю. При пересечении проводниками силовых линий, в проводниках наводится электродвижущая сила — ЭДС. ЭДС двух проводников по своему значению противоположны друг другу в тот момент, когда они пересекают эти силовые линии.
Величина ЭДС \ри.3\, протекающего тока в рамке, будет зависить:
от векличины магнитной индукции постоянного магнита \ N, S\;
длины проводника;
скорости пересечения проводником магнитных силовых линий
и угла наклона проводника \рис.4\ по отношению к силовым линиям постоянного магнита \sin угла альфа между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий поля\. 
При вращении рамки в магнитном поле, в ней наводится ЭДС двух противоположных значений и ток, как мы можем заметить на графике \рис.5\ получается пульсирующим. Один период Т состоит из двух противоположных пульсаций тока, верхний полупериод — положительный и нижний полупериод — отрицательный. Полупериод обозначен на графике как 1/2 Т.
Поэтому, ток в этом примере рассматривается как:
пульсирующий;
синусоидальный
либо как еще его называют — переменный ток .
Получение постоянного тока
Постоянный ток мы получаем от следующих источников, это:
- первичные источники \обыкновенные, простые батарейки\;
- электрохимические аккумуляторы;
- генераторы постоянного тока.
Принцип устройства электрохимических аккумуляторов изображен на рисунке 6. Электрохимические аккумуляторы могут быть возвращены в первоначальное свое состояние под воздействием электрического тока — в процессе их зарядки либо подзарядки.
Первичные источники \элементы\, разнообразные типы батареек \рис.7\, — не могут быть возвращены в свое первоначальное состояние в процессе их зарядки электрическим током, то-есть, такие источники по истечению своего срока эксплуатации подлежат только утилизации.
Различие между генератором переменного тока и генератором постоянного тока состоит в том, что в генераторе постоянного тока размещено большее количество витков в пазах якоря \по сравнению с генератором переменного тока\, а так-же, укреплено четное количество главных и добавочных полюсов на внутренней станине генератора.
Следующий рисунок из себя представляет схему подключения нагрузки к генератору постоянного тока \рис.8\, ток в данной цепи замыкается через нагрузку.
На графике \рис.9\ показаны пульсации тока, выдаваемые генератором постоянного тока. По сравнению с генератором переменного тока, данные пульсации выглядят более сглаженно.
Применение постоянного тока
автомобильный генератор
устройство автомобильного генератора
электростанция для сварки постоянным током
