Постоянный и переменный электрический ток – советы электрика

Переменный электрический ток

ПодробностиКатегория: Электричество и магнетизмОпубликовано 20.03.2015 09:56Просмотров: 7271

Электрический ток, меняющий свою величину и направление с течением времени, называется переменным током.

Переменный ток, как и постоянный, также является упорядоченным движением заряженных частиц. Но постоянный ток всегда имеет одно направление, от «+» к «-».

А переменный ток своё направление постоянно меняет, то есть течёт то в одну, то в другую сторону. Поэтому одно из его направлений условно принимают за положительное, а направление, противоположное ему, считают отрицательным.

Обратите внимание

В зависимости от этого в конкретный момент времени алгебраическая величина тока будет иметь знак «плюс» или знак «минус».

Чтобы ток был переменным, он должен быть подключен к источнику переменной ЭДС. Такими источниками являются генераторы переменного тока – электрические машины, которые преобразуют механическую энергию в электрическую энергию тока.

Периодический переменный ток

Основные параметры переменного тока – период, частота и амплитуда.

Представим, что за какое-то время Т переменный ток пройдёт цикл изменений и вернётся к своему первоначальному значению. Следующий такой же цикл он также пройдёт за такое же время Т.

Такой ток называется периодическим переменным током, а величина Тпериодом тока. Это наименьший промежуток времени, через который изменения силы тока и напряжения повторяются.

Измеряется период в секундах.

Величина, обратная периоду, называется частотой тока (f). Она отображает количество периодов (полных колебаний), которые ток проходит в единицу времени. Измеряется в герцах (Гц).

f = 1/T

Переменный ток изменяется с частотой в 1 Гц, если его период равен 1 с.

В России, как и в большинстве стран мира, стандартная частота переменного тока в электротехнике 50 Гц. В США и Канаде – 60 Гц. В Японии же используются оба варианта. В западной части применяется частота 60 Гц, а в восточной – 50 Гц. Так случилось, потому что в 1895 г.

для Токио были закуплены генераторы немецкой компании AEG, а немного позже для Осаки – американские генераторы General Electric.

Так как приведение этих сетей к единому стандарту оказалось весьма дорогостоящим делом, то всё было оставлено как есть, а между сетями установили четыре преобразователя частоты.

Величину тока в данный момент времени называют мгновенным значением переменного тока. Его максимальное значение называется амплитудой и обозначается Im.

Синусоидальный ток

Наиболее распространён в электротехнике синусоидальный ток. Это периодический переменный ток, изменяющий по закону синуса:

i = Im· sin(ωt + ψ),

где i – значение тока в любой момент времени t;

Im – мгновенное значение синусоидального тока;

ω = 2πf = 2πf/T, где ω – угловая частота; ψ – начальная фаза переменного синусоидального тока (фаза в момент времени t = 0).

Наибольшее положительное или отрицательное значение переменного тока называют амплитудой.

График переменного синусоидального тока представляет собой синусоиду.

Важно

Два синусоидальный тока совпадают по фазе, если они одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Если же их фазы различны, то говорят, что токи сдвинуты по фазе.

Наиболее широко в электротехнике применяется трёхфазный ток. Трёхфазная система состоит из трёх однофазных электрических цепей. Электродвижущие силы, действующие в каждой из них, имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 1200.

В электротехнике однофазную электрическую цепь, входящую в состав многофазовой цепи называют фазой. Если все фазы электрически соединены между собой, то такую систему называют электрически связанной. Фазы в трёхфазной системе могут соединяться «треугольником», «звездой с нейтральным проводом» и «звездой без нейтрального провода».

Если мы сложим все мгновенные значения (положительные и отрицательные) переменного синусоидального тока за период, то получим алгебраическую сумму, равную нулю. Но в таком случае и среднее значение тока также равно нулю. Следовательно, это значение нельзя использовать для измерения синусоидального тока.

Как же определить величину переменного синусоидального тока?

Переменный синусоидальный ток, как и постоянный, обладает тепловым действием. Сравнив его тепловое действие с тепловым действием постоянного тока, можно судить о его величине.

Согласно закону Джоуля-Ленца количество теплоты Q, выделяемое на участке электрической цепи за время t при прохождении тока, определяется следующей формулой:

Q = I2Rt,

где I – величина тока; R – электрическое сопротивление.

Если два тока, постоянный и переменный, протекая через одинаковые по величине сопротивления, за одинаковое время выделяют одинаковое количество тепла, то они считаются эквивалентными по тепловому действию.

Совет

Величина постоянного тока, который произвёл такое же количество теплоты, что и переменный ток за такое же время, называется действующим значением переменного синусоидального тока.

Величина действующего значения синусоидального тока связана с его амплитудой соотношением:

Передача переменного тока

Промышленный переменный ток вырабатывается электростанциями. К потребителям он поступает по линиям электропередач (ЛЭП). Поскольку ЛЭП имеют большую протяжённость, то потери энергии при нагревании проводов довольно велики. Чтобы уменьшить тепловые потери, уменьшают силу тока.

Для этого с помощью трансформатора повышают электрическое напряжение в сети до нескольких сот тысяч вольт. К примеру, самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокшетау рассчитана на напряжение 1150 кВ (1 миллион 450 тысяч вольт). Работает под напряжением 500 кВ.

В конечной точке ЛЭП напряжение понижается до нужного потребителю значения.

«Война токов»

Томас Алва Эдисон

Никола Тесла

Какой ток лучше, постоянный или переменный? Споры на эту тему начались в 80-х годах XIX века и превратились в «войну токов», начало которой было положено двумя великими людьми – американским изобретателем Томасом Эдисоном и сербом по происхождению, инженером и физиком Никола Тесла.

Основанная Эдисоном в 1878 г. компания «Edison Electric Light» занималась строительством электростанций постоянного тока. На постоянном токе в то время работали лампочки накаливания, электродвигатели и счётчики электроэнергии.

Читайте также:  Распределительный щит в квартире - советы электрика

Других приборов, нуждавшихся в токе, на тот момент не существовало. Для передачи электроэнергии использовалась разработанная Эдисоном «технология трёх проводов». В 1887 г. в США по системе Эдисона работало более 100 электростанций постоянного тока.

Но расстояние, на которое удавалось передавать электричество, не превышало 1,5 км.

Основным противником Эдисона в «войне токов» в то время был Джордж Вестингауз, изобретатель и промышленник, хорошо разбиравшийся в физике и считающий переменный ток более перспективным. В 1885 г.

он приобрёл несколько трансформаторов, созданных в 1881 г. французом Люсьеном Голаром и англичанином Джоном Гиббсом, и генератор переменного тока фирмы «Siemens & Halske». И в 1886 г.

в штате Массачусетс начала работу первая гидроэлектростанция переменного тока.

В 1882 г. Тесла изобрёл многофазный электродвигатель, а в 1888 г.  – счётчик переменного тока, отсутствие которого ранее было одним из препятствий в развитии технологий переменного тока.  В том же году Вестингауз приглашает его к себе на работу. Изобретённые Тесла трансформаторы давали возможность получать любое напряжение. А это позволяло передавать переменный ток на большие расстояния.

Обратите внимание

Казалось бы, ничто уже не могло помешать созданию сетей переменного тока. Но Эдисон прибегнул к чёрному пиару, спонсировав разработку электрического стула для казни и предложив использовать переменный ток для этой цели. Журналисты красочно описали мучения, которые испытывал осуждённый в момент казни. Общество получило отрицательный сигнал, и переменный ток некоторое время не использовали.

И всё-таки Тесла оказался победителем. Компания Вестингауза выиграла тендер на строительство первой в США гидроэлектростанции переменного тока на Ниагаре.

До 1928 г. обе технологии существовали параллельно. Но постоянный ток постепенно уступал свои позиции переменному. В Европе это произошло быстрее.

Последними перешли на переменный ток в 40-60-х годах XX века потребители скандинавских стран. В США окончательный перевод электрических сетей с постоянного тока на переменный произошёл в конце 2007 г.

Так закончилась длившаяся более 100 лет «война токов».

Но это совершенно не означает, что в настоящее время постоянный ток не используется в электроэнергетике. Конечно, подавляющее большинство ЛЭП транспортируют переменный ток.

Но наряду с линиями электропередач переменного тока существуют высоковольтные ЛЭП постоянного тока, спообные передавать ток на большие расстояния, например, ЛЭП Экибастуз – Центр, Южная Корея (материк) – остров Чеджудо и др.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/413-peremennyj-elektricheskij-tok

Переменный электрический ток

В данной расскажем что такое переменный электрический ток и трехфазный переменный переменный ток.

Понятие переменного электрического тока даётся в учебнике физики общеобразовательного учебного заведения — школы. Переменный электрический ток— ток имеющий форму гармонического синусоидального сигнала, основными характеристиками которого являются действующее напряжение и частота, с течением времени изменяется по направлению и величине.

Частота – это количество полных изменений полярности переменного электрического тока за одну секунду.

Это означает, что ток, в обычной бытовой розетке частотой 50 Герц за одну секунду меняет своё направление с положительного значения на отрицательное и обратно ровно пятьдесят раз.

Одно полное изменение направления (полярности) электрического тока с положительного значения на отрицательное и снова на положительное называют — периодом колебания электрического тока. В течение периода Т переменный электрический ток меняет своё направление дважды.

Важно

Для визуального наблюдения синусоидальной формы переменного тока обычно используют осциллограф.

Для исключения поражения электрическим током и защиты осциллографа от сетевого напряжения по входу, используют разделительные трансформаторы. Для измерения периода нет разницы, по каким равнозначным (равноамплитудным) точкам его измерять.

Можно по максимальным положительным, или отрицательным вершинам, а можно и по нулевому значению. Это поясняется на рисунке.

Синусоидальная форма переменного тока

Из учебника физики мы знаем, что переменный электрический ток вырабатывается с помощью электрической машины – генератора. Простейшая модель генератора это магнитная рамка, вращающаяся в магнитном поле постоянного магнита.

Представим себе прямоугольную проволочную рамку с несколькими витками, равномерно вращающуюся в однородном магнитном поле. Возникающая в этой рамке э.д.с. индукции меняется по синусоидальному закону. Период колебания Т переменного электрического тока – это один полный оборот магнитной рамки вокруг своей оси.

магнитная рамка

Одними из важных характеристик электрического тока являются две величины переменного электрического тока – максимальное значение и среднее значение.

Максимальное значение напряжения электрического тока Umax — это величина напряжения, соответствующая максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения электрического тока Uср — это величина напряжения, равная значению 0,636 от максимального. Математически это выглядит так:

Uср = 2 * Umax / π = 0,636 Umax

Синусоиду максимального напряжения можно проконтролировать на экране осциллографа. Понять, что такое среднее значение переменного электрического напряжения можно проведя эксперимент по рисунку и описанию ниже.

Осциллограмма полуволны

Используя осциллограф, подключите к его входу синусоидальное напряжение. Ручкой вертикального смещения развёртки переместите «ноль» развёртки на самую нижнюю линию шкалы экрана осциллографа. Растяните и сместите горизонтальную развёртку так, чтобы одна полуволна синусоидального напряжения поместилась в десять (пять) клеток экрана осциллографа.

Ручкой вертикальной развёртки (усилением) растяните развёртку так, чтобы максимальная амплитуда полуволны поместилась ровно в десять (пять) клеток экрана осциллографа. Определите амплитуду синусоиды на десяти участках. Суммируйте все десять значений и поделите на десять – найдите его «средний балл».

Совет

В результате Вы получите значение напряжения, приблизительно равное 6,36 от его максимального значения — 10.

Измерительные приборы – вольтметры, цешки, мультиметры для измерения переменного напряжения имеют в своей схеме выпрямитель и сглаживающий конденсатор. Эта цепочка «округляет» множитель разницы максимального и измеряемого напряжения до числа 0,7.

Читайте также:  Подключение узо и автомата схема 380 в - советы электрика

Поэтому, если Вы будете наблюдать на экране осциллографа синусоиду напряжения амплитудой 10 вольт, то вольтметр (цешка, мультиметр) покажет не 10, а около 7 вольт.

Вы думаете что в Вашей домашней розетке – 220 вольт? Так и есть, но не совсем так! 220 вольт – это среднее значение напряжения бытовой розетки, усреднённое измерительным прибором — вольтметром. Максимальное же напряжение следует из формулы:

Umax = Uизм / 0,7 = 220 / 0,7 = 314,3 вольт

Именно поэтому, когда Вас «бъёт» током от электрической розетки 220 вольт, знайте, что это Ваша иллюзия. На самом деле, Вас трясёт напряжение около 315 вольт.

Трехфазный ток

Наряду с простым синусоидальным переменным током в технике широко используется так называемый трехфазный переменный ток. Мало того, трёхфазный электрический ток — это основной вид энергии используемый во всём мире.

Трёхфазный ток приобрёл популярность по причине менее затратной передачи энергии на большие расстояния. Если для обычного (однофазного) электрического тока требуется два провода, то для трёхфазного тока, у которого энергия в три раза больше, требуется всего три провода.

Физический смысл Вы узнаете в этой статье позже.

Представьте, если вокруг общей оси вращается не одна, а три одинаковые рамки, плоскости которых повернуты друг относительно друга на 120 градусов. Тогда возникающие в них синусоидальные э.д.с. также будут сдвинуты по фазе на 120 градусов (см. на рис).

Трехфазный электрический ток

Такие три согласованных переменных тока называют трехфазным током. Упрощённое расположение проволочных обмоток в генераторе трёхфазного тока иллюстрируется на рисунке.

Генератор трехфазного электрического тока

Подключение обмоток генератора по трём независимым линиям показано на рисунке ниже.

схема питания по независимым линиям

Такое подключение шестью проводами довольно громоздко.

Так как для явлений в электрических цепях важны только разности потенциалов, то один проводник может использоваться сразу для двух фаз, без снижения нагрузочной способности по каждой из фаз.

Другими словами, в случае подключения обмоток генератора по схеме «звезда» с использованием «нуля», передача энергии от трёх источников производится по четырём проводам (см. рис.), в которых один является общим – нулевым проводом.

схема питания по общим линиям

По трём проводам может передаваться энергия сразу от трёх (фактически независимых) источников электрического тока соединённых «треугольником».

схема питания по треугольнику

В промышленных генераторах и преобразующих трансформаторах «треугольником» обычно подключается межфазное напряжение 220 вольт. При этом «нулевой» провод отсутствует.

«Звезда» применяется для передачи напряжения сети с использованием «нуля». При этом на фазе относительно «нуля» действует напряжение 220 вольт. Межфазное напряжение при этом равно 380 вольт.

Частым явлением во времена «нагло ворующей демократии» было сгорание бытовой аппаратуры в квартирах добропорядочных граждан, когда из-за слабой проводки сгорал общий «ноль», тогда в зависимости от того, какое количество бытовых приборов включено в квартирах, горели телевизоры и холодильники у того, кто их меньше всего включал. Вызвано это явлением «перекоса фаз», которое возникало при обрыве нуля. В розетку добропорядочных граждан вместо 220 вольт устремлялось межфазное напряжение 380 вольт. До настоящего времени во многих коммуналках и сооружениях напоминающих жильё наших российских городов и весей это явление до конца не искоренилось.

Источник: https://meanders.ru/peremen_tok.shtml

Передача электроэнергии

20 05 2016      greenman       Пока нет комментариев

Передача электрической энергии на большие расстояния возможна только при высоких напряжениях тока, достигающих 110, 220, 400 и даже 500—800 тыс. в. Генератор электрической станции способен создать напряжение не выше 20 тыс. в.

В то же время, для различных электрических машин, двигателей и устройств нужен электрический ток напряжением всего в несколько десятков или сотен вольт. Вот здесь переменный ток оказывается незаменимым.

Ведь позволяет с помощью трансформаторов изменять напряжение в любых пределах: повышать на электростанциях для передачи на большие расстояния и снова понижать непосредственно у потребителей.

В конце прошлого столетия русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский получил трехфазный переменный ток, обладающий очень важными достоинствами.

Во-первых, трехфазные линии электропередач выгоднее однофазных: по ним при той же затрате проводов и изоляции можно передать больше энергии, по однофазным.

А во-вторых, благодаря и свойству трехфазного переменного тока создавать вращающееся магнитное поле удалось построить очень простые и надежные асинхронные электрические двигатели, которые сейчас широко используются для привода станков и машин.

Вот эти качества переменного тока позволили ему занять ведущее положение в технике и послужили причиной того, что в наши дни все промышленные электростанции вырабатывают только трехфазный переменный ток.

Обратите внимание

Больше половины вырабатываемой электрической энергии потребляют электрические двигатели.

Кроме простых асинхронных двигателей, не имеющих обмотки на роторе, есть двигатели с обмоткой и контактными кольцами на роторе.

Такие моторы развивают большую мощность при трогании с места, и поэтому их чаще всего применяют на подъемных кранах. Есть еще синхронные двигатели, имеющие постоянную скорость вращения.

Благодаря этому они применяются в машинах и механиз-мах, требующих постоянной скорости движения независимо от их нагрузки: в эскалаторах метрополитена, в больших водяных насосах, электрических часах и др. Электрические двигатели бывают маленькими, меньше катушки ниток, и огромными, как карусель, имеющими как очень малую, так и невероятно большую мощность.

Применение в качестве источника привода станков сразу нескольких электрических двигателей позволило устранить сложную систему передач, упростить механизмы станков, облегчило управление ими и дало возможность создать автоматические линии.

Малые размеры и простота электрических двигателей позволили использовать электрическую энергию там, где раньше применялся только ручной труд.

Электрические дрели, пилы, рубанки, шуруповерты и другой инструмент намного облегчили труд рабочих, сделали его более производительным.

Читайте также:  Проверка сопротивления изоляции проводов и кабелей - советы электрика

Электрические комбайны, пылесосы, стиральные машины и холодильники пришли на помощь домашним хозяйкам. А еще раньше в домах появились электрические чайники, утюги, плитки.

Переменный ток — хороший источник тепла

В мощных дуговых электропечах плавят и варят металл. Электрические печи широко используются в установках «искусственного климата», для обогрева сушильных шкафов и помещений, нагрева металлов и т.д.

Электрические лампочки светят независимо оттого, какой ток идет через их нити: переменный пли постоянный. Но передача переменного тока более экономична, и трансформаторы позволяют легко получать и поддерживать необходимое напряжение. Поэтому осветительная сеть городов и сел питается переменным током.

Но вот мы сели в трамвай, троллейбус, в вагон метро, в пригородную электричку — и сразу попали во владения постоянного тока. Дело в том, что простые и удобные электрические двигатели переменного тока не позволяют плавно менять скорость своего вращения.

Важно

А изменять скорость движения приходится почти непрерывно; с такой работой может хорошо справиться только тяговый двигатель постоянного тока.

Питание таких двигателей осуществляется от специальных тяговых выпрямительных подстанций, на которых переменный ток преобразуется в постоянный, а затем подается в контактную сеть — в провода и рельсы.

Но ученые и инженеры задумались, нельзя ли на транспорте применить переменный ток. Оказалось, можно. И уже сейчас на многих железных дорогах в контактных проводах течет переменный ток напряжением до 25 тыс.в. Но двигатели электровозов по-прежнему работают на постоянном токе: выпрямительные установки, превращающие переменный ток в постоянный, в этом случае находятся также на электровозах.

При помощи электрических двигателей постоянного тока приводятся в движение колеса тепловозов, механизмы прокатных станов, шагающих экскаваторов и многих других машин.

Есть и еще большая и важная область, в которой переменный ток не может соперничать с постоянным. Речь идет об электролизе — процессе, связанном с прохождением тока через, жидкие растворы — электролиты.

Под действием постоянного тока электролит разлагается на отдельные элементы, которые осаждаются на опущенных в электролит электродах. Таким способом получают алюминий, магний, цинк, медь, марганец.

В химической промышленности при помощи электролиза добывают фтор, хлор, водород и другие вещества. С помощью электролиза наносят защитные покрытия на металлические изделия.

Постоянный ток успешно соперничает с переменным в сварочном деле. При сварке постоянным током частички металла переносятся с электрода на изделие более правильно, и шов получается лучше, чем при сварке переменным током.

Есть у постоянного тока еще одна особенность

Скорее не у самого тока, а у его источников. Чтобы получить переменный электрический ток, нужно непременно приводить в движение генератор, а источником постоянного тока могут служить неподвижные аккумуляторные батареи и галь-ванические элементы. Эти свойства источников электрического тока в ряде случаев заставляют отдавать предпочтение постоянному току.

Например, как завести двигатель стоящего на месте автомобиля? Достаточно нажать кнопку стартера, и двигатель постоянного тока, получая питание от аккумуляторной батареи, заведет мотор. А когда мотор работает, он вращает генератор, который вновь заряжает аккумуляторную батарею. Такой обратимый процесс недоступен, для переменного тока.

На многих шахтах работают электровозы большой мощности с аккумуляторными батареями, а в цехах заводов, на вокзалах и на складах часто можно встретить небольшие электрические тележки с аккумуляторами — электрокары.

Большие аккумуляторные батареи используются как источник питания устройств сигнализации, управления и аварийного освещения на электростанциях, в поездах и даже в троллейбусах. Легкие аккумуляторы и гальванические батареи применяются в переносных радиостанциях, в радиоприемниках, в электрических фонарях, измерительных и других приборах.

А вспомните об искусственных спутниках Земли и космических кораблях: на них установлены полупроводниковые солнечные батареи — они тоже дают постоянный электрический ток.

Совет

Прежде чем закончить, вернемся ненадолго к началу — к передаче электрической энергии по проводам. Передаваемые мощности и длина линий электропередач непрерывно возрастают, и приходится повышать напряжение до 500 и даже до 800 тыс. в.

И вот оказалось, что при этих условиях передавать электрическую энергию выгоднее на постоянном токе. Вдвое лучше используется изоляция, увеличивается пропускная способность воздушных линий электропередач, уменьшается количество проводов. Важно, что отпадет необходимость в сложном процессе синхронизации при включении линий, соединяющих большие электростанции или энергетические системы.

Этого, пожалуй, вполне достаточно, чтобы доказать целесообразность использования постоянного тока для сверхдальних передач энергии.

Правда, для получения постоянного тока высокого напряжения и последующего преобразования его в переменный ток низкого напряжения нужны очень сложные и дорогие преобразовательные подстанции.

Но, несмотря на это, расчеты показывают, что в ряде случаев для сверхмощных и сверхдальних электропередач все же выгоднее использовать постоянный ток.

Конечно, перечисленными здесь примерами далеко не исчерпываются все области применения электрической энергии.

Здесь ничего не сказано об ее использовании для телеграфной и телефонной связи, для радио и телевидения и прочих целей, но об этом вы прочтете в других статьях этого тома.

Ясно одно: нам нужен и переменный и постоянный ток и никогда один из них не вытеснит другого. Наоборот, разумное применение обоих позволяет лучше и полнее использовать электрическую энергию на благо человека.

Просто о сложном – Передача электроэнергии — Постоянный и переменный ток

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Постоянный ток, переменный электрический ток – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Постоянный ток, переменный электрический ток.
  • Ссылки на материалы и источники – Передача электроэнергии — Постоянный и переменный ток.

Источник: http://greensource.ru/peredacha-jenergii/postojannyj-tok-peremennyj-tok.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector