Переменное напряжение: характеристики, источники и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое переменное напряжение. Какие у него основные параметры. Где используется переменный ток. Чем отличается от постоянного напряжения. Как работают цепи переменного тока.

Содержание

Что такое переменное напряжение

Переменное напряжение — это электрическое напряжение, которое периодически изменяет свою величину и полярность с течением времени. В отличие от постоянного напряжения, которое остается неизменным, переменное напряжение постоянно колеблется между положительными и отрицательными значениями.

Основные характеристики переменного напряжения:

Амплитуда — максимальное отклонение от нулевого значения
Частота — число полных циклов колебаний в секунду
Период — время одного полного цикла колебаний
Действующее значение — эквивалентное постоянное напряжение

Наиболее распространенная форма переменного напряжения — синусоидальная. График синусоидального переменного напряжения имеет форму синусоиды.

Источники переменного напряжения

Основными источниками переменного напряжения являются:

Электрические генераторы на электростанциях
Трансформаторы
Инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное
Электромагнитные колебательные контуры

Электрогенераторы преобразуют механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. Это основной способ получения переменного напряжения в промышленных масштабах.

Преимущества переменного напряжения

Почему переменное напряжение получило такое широкое распространение? Основные преимущества по сравнению с постоянным напряжением:

Легко трансформируется. С помощью трансформаторов можно повышать и понижать переменное напряжение.
Меньшие потери при передаче на большие расстояния. Высокое напряжение позволяет снизить потери в линиях электропередач.
Проще генерировать. Генераторы переменного тока имеют более простую конструкцию.

Безопаснее для человека. Переменный ток менее опасен, чем постоянный той же величины.

Эти преимущества обусловили повсеместное использование переменного напряжения в системах электроснабжения.

Применение переменного напряжения

Где используется переменное напряжение:

Электрические сети и системы электроснабжения
Бытовые электроприборы
Электродвигатели переменного тока
Трансформаторы
Системы передачи электроэнергии
Электрический транспорт
Сварочные аппараты

Переменное напряжение стандартной частоты 50 или 60 Гц является основой современных систем электроснабжения. Большинство бытовых и промышленных потребителей рассчитаны на работу от сети переменного тока.

Особенности цепей переменного тока

В цепях переменного тока важную роль играют такие явления, как:

Активное сопротивление
Индуктивность
Емкость

Активное сопротивление препятствует протеканию тока и вызывает нагрев проводника. Индуктивность приводит к сдвигу фазы между током и напряжением. Емкость накапливает электрический заряд.

При расчете цепей переменного тока используются комплексные числа и векторные диаграммы. Это позволяет учесть фазовые сдвиги между током и напряжением на реактивных элементах.

Измерение параметров переменного напряжения

Для измерения характеристик переменного напряжения применяются:

Вольтметры переменного тока
Осциллографы
Частотомеры
Анализаторы спектра

Современные цифровые мультиметры позволяют измерять действующее значение переменного напряжения, частоту и другие параметры. Осциллографы дают возможность наблюдать форму сигнала переменного напряжения.

Переменное напряжение в электронике

В электронных устройствах переменное напряжение используется для:

Передачи информационных сигналов
Фильтрации и частотной селекции
Усиления сигналов
Преобразования частоты
Модуляции и демодуляции

Многие электронные компоненты, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, работают только на переменном токе. Это обуславливает широкое применение переменных сигналов в радиотехнике и электронике.

Сравнение с постоянным напряжением

Основные отличия переменного напряжения от постоянного:

Характеристика	Переменное напряжение	Постоянное напряжение
Изменение во времени	Периодически меняется	Постоянное значение
Полярность	Меняется	Неизменная
Передача энергии	Эффективнее на большие расстояния	Большие потери при передаче
Трансформация	Легко трансформируется	Сложно изменить напряжение

При этом многие электронные устройства требуют для работы постоянного напряжения, поэтому часто применяются выпрямители для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Переменное напряжение тока — что это?

Напряжение – это физическая величина, характеризующая работу эффективного электрического поля, совершающего перенос заряда из одной точки проводника в другую. Оно есть везде, где есть токовая сила и пропорционально зависит от него, как и сопротивление. Каждый знает, что в его домашней розетке 220 В, но мало кто догадывается, какой именно это вид величины. Стоит подробнее разобраться с постоянным и переменным напряжением, в чем их различия, и какие виды переменного напряжения существуют.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.

Закон Ома

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.

Схема описания физического смысла

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.

Формулы колебаний

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.

Синусоидальная функция

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.

Регулятор переменного напряжения

Отличие между переменным и постоянным напряжением

Разница между двумя этими величинами не только в названии. Все зависит от вида тока. В обычной розетке дома ток переменный. Это значит, что направление движения заряженных частиц в нем постоянно изменяется. Более того, у переменных токовых сил разная частота и напряжение. Например, в розетке на 220 вольт обычная частота равна 50 Гц, что означает смену направления движения электронов и их зарядов 50 раз в секунду. Напряжение в этом плане означает максимальную скорость, с которой движутся электроны по цепи.

Постоянная и переменная характеристики

Еще одно отличие изменчивого направления движения частиц и, как следствие, напряжения от постоянного, в том, что в нем постоянно изменяется заряд. Значение U в такой сети бывает равно то 100 %, то 0 %. Если оно всегда было полным, то потребовался бы провод очень большого диаметра.

Постоянное же направление – это ток, который не изменяет координаты своего движения. Его можно наблюдать в аккумуляторах и батареях. Попадает он туда через зарядное устройство, конвертирующее любой поток из розетки в постоянный.

Противофаза

Виды напряжения переменного тока

В случае наиболее распространенного синусоидального напряжения часто рассматривают его виды:

Мгновенное, которое определяется для произвольного момента времени t.
Действующее, производящее один и тот же тепловой эффект, равный по величине постоянной характеристики. Оно определяется выполненной активной работой первого полупериода.
Средневыпрямленное, определяемое как модуль величины выпрямленного напряжения за один цикл гармонического колебания.

Если электрический поток передается по воздушным линиям, то упоры и их размеры напрямую зависят от величины напряжения, которое применяется в сети. Его величина между фазами именуется линейным напряжением, а между землей и каждой из фаз – фазным.

Период и амплитуда синусоидального колебания

Двухфазный ток

Двухфазный ток – это когда идет передача сразу двух токов разного направления. Параметр напряженности для двухфазной сети сдвинут по фазе на угол в 90 градусов. Передается такой ток двумя проводниками: два фазных и два нулевых. Применяется в электрических сетях переменного тока. Для этого используют два контура, значения которых сдвинуты по фазе на 90 градусов. В каждом контуре используется четыре линии – по две штуки на каждую из фаз. Иногда применяется и один провод с большим диаметром, чем у двух других. Преимуществом двухфазный сетей был плавный запуск электродвигателей, но они были вытеснены трехфазными.

Двухфазный источник

Трехфазный ток

Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.

Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.

График трехфазного сигнала

Виды источников переменного напряжения

Среди основных источников непостоянного напряжения можно выделить такие компоненты, как:

Электростанция;
Генератор непостоянного тока;
Промышленная и домашняя электросеть.

Главным источником непостоянных токовых сил и напряжения является электростанция или промышленная электросеть. Использование такого тока обосновано тем, что его намного легче передавать на большие расстояния по проводникам и просто преобразовать в постоянный электрический ток. Переменные параметры передаются со станции к трансформаторам, которые преобразуют напряжение непостоянного тока, не являясь его источниками. Генераторы вырабатывают такой ток путем преобразования механической энергии в электрическую.

Генератор переменной силы

Как можно измерить переменное напряжение

Изменять непостоянную напряженность сети, как и любые другие электрические характеристики сети, можно с помощью специальных измерительных приборов: вольтметров, амперметров, омметров. Современные тестеры и мультиметры содержат в себе функции их всех, поэтому лучше пользоваться ими. Для того чтобы измерить параметр, следует следовать инструкции:

Найти шкалу измерения на приборе, которая чаще всего находится справа.
Выставить предел измерения, зная, что, например, в розетке приблизительно 220 вольт.
Взять щупы и вставить их в источник. При этом неважно, какой щуп куда будет вставлен.
Произвести измерения с учетом техники безопасности.
Зафиксировать полученные показатели.

Однофазный двигатель

Таким образом, отличие постоянного напряжения от переменного есть, и оно существенное. На основании постоянных и непостоянных токовых сил изготовлены генераторы, конвертирующие механическую энергию в электрический ток различных видов, который можно быстрее и дальше подать по проводам.

его характеристики, источники и достоинства

Абсолютное большинство современных бытовых и промышленных электроприборов работает на основе переменного тока. В отличие от постоянного, переменный электроток сложнее в расчетах и опаснее для жизни человека. Но есть и ряд преимуществ переменного напряжения и вызванного им тока, которые и обусловили его популярность в быту, на транспорте и на производстве.

Принципиальные отличия разных видов

Электроток — это поток движущихся заряженных частиц, чаще всего — электронов. Разница в количестве заряженных частиц между двумя точками вызывает напряжение электростатического поля. Под его действием при наличии проводника частицы с электрическим зарядом движутся от места с их избытком до места с их недостачей. Это и есть постоянный электроток.

Электроток переменного типа имеет совсем другую природу. Суть в следующем:

изменяющееся во времени магнитное поле вызывает движение заряженной частицы;
движение заряженной частицы в пространстве вызывает появление магнитного поля;
появившееся магнитное поле из-за движения заряженной частицы опять заставляет ее двигаться и т. д.

В этом заключается основное отличие постоянного напряжения от переменного. При этом, если постоянное напряжение имеет неизменяемую на определенном промежутке времени величину и полярность, то переменное напряжение меняет с большой частотой и свою величину, и полярность.

Основные характеристики электротока

Если некоторые физические явления можно увидеть или ощутить другими органами чувств, то постоянное и переменное напряжение (и вызванный ими электроток) потрогать не удастся. Но можно найти аналогию, которая поможет разобраться в этом явлении. Например, давление воды и ее напор в садовом шланге вполне видны, осязаемы и поддаются пониманию среднестатистического человека, не искушенного в вопросах физики. Можно провести такое относительное сравнение:

давление воды — это электрическое напряжение;
напор (или сила потока) — это сила тока;
диаметр шланга — это сопротивление проводника.

Чем больше давление и меньше диаметр, тем больше напор и дальше бьет струя воды. Это заметно, если прикрыть пальцем выходное отверстие. И наоборот: чем больше диаметр шланга, тем меньше дальность исходящей струи.

По такому принципу описывается электроток постоянного типа: сила электротока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Этот закон был открыт Георгом Омом и получил его имя. Согласно теории, при протяженных проводниках получаются значительные потери в силе потока заряженных частиц.

Напряжение переменного тока периодически изменяется во времени, и природа его возникновения не такая, как у напряжения электротока постоянного типа. Это и обуславливает значительно меньшие потери при передаче электричества на значительные расстояния по проводникам. Теоретические основы электротока переменного типа значительно сложнее.

Немного исторических сведений

На рубеже XIX и XX столетий активно внедрялся в быт постоянный электроток. Его популяризатором выступал Томас Эдисон. Но он столкнулся с неразрешимой проблемой: требовалось строить значительное количество промежуточных электроподстанций, чтобы электричество дошло до потребителя с заданными параметрами. Через каждые 3−4 километра устанавливалась подстанция, что было очень затратным и нерентабельным делом.

Решить эту проблему взялся молодой и талантливый физик Никола Тесла. К ней он подошел с новаторской идеей — использовать электроток с изменяемыми во времени показателями напряжения и направления движения. Проблема решалась просто и эффективно:

потери на сопротивление проводника снижались в несколько раз;
источники электротока переменного типа конструкции Тесла были проще и дешевле;
упрощались и сами бытовые приборы, работавшие от электротока с изменяемыми во времени показателями.

Но эта идея для Томаса Эдисона была неприемлема, так как полностью уничтожались его уже готовые разработки и ему грозили большие финансовые потери. Эдисон упорно продвигал свою идею электротока постоянного типа, проводя многочисленные публичные испытания и демонстрации.

В прессе по его указке и при его финансировании была организована настоящая травля научного оппонента. Но история расставила все по своим местам: сегодня человечество должно благодарить Николу Тесла, так как без переменного тока цивилизация не достигла бы существующего уровня развития техники, науки и комфорта в быту.

Обзор источников электричества

Для получения электротока с неизменяемыми во времени значениями напряжения необходимо разделение заряженных частиц и накопление их в одном месте. Для этого используются различные физические явления. Чаще всего для получения электрического постоянного тока применяются электролитические источники, в частности, обычные батарейки и аккумуляторы. За счет электрохимических реакций электроны накапливаются на катоде и возникает их нехватка на аноде. При замыкании контактов протекает электроток.

В промышленных масштабах постоянный ток получают из переменного при помощи выпрямителей и стабилизаторов. Диодный мост пропускает только часть синусоиды переменного тока, а стабилизаторы сглаживают полученные пульсации. Городской электротранспорт (метрополитен, трамваи и троллейбусы) как раз и работает на таком выпрямленном токе.

Постоянный ток получается и в фотоэлементах, ставших основой для создания солнечных батарей. Под действием энергии фотонов в полупроводниковых микроэлементах возникает разница потенциалов, которая суммируется и в итоге образует постоянное напряжение.

Генераторы постоянного тока постепенно выходят из обихода ввиду их малой производительности. Затраты энергии для запуска их в работу значительно превосходят получаемую в итоге электрическую энергию. Их заменой стали инверторные источники постоянного тока, которые обладают высоким КПД, малым весом, небольшими размерами и надежностью. К их достоинствам можно отнести и отсутствие пульсаций в получаемом из переменного постоянном токе.

Основной источник переменного электротока — генератор. Схематично он состоит из намагниченного ротора и статора из проводников. При вращении ротора магнитное поле меняет свой вектор по времени, что вызывает появление электродвижущей силы в обмотках проводника статора. С его контактов снимается полученное напряжение, при необходимости трансформируется и передается потребителю. По своему устройству генераторы бывают асинхронными и синхронными. На параметры выдаваемого переменного тока это практически не влияет.

Асинхронный тип более прост в конструкции, но чувствителен к кратковременным пиковым нагрузкам. Синхронные генераторы способны выдерживать пятикратные нагрузки. Их раньше использовали для питания электросварочных аппаратов переменного тока. Сегодня сварка переменным током теряет популярность из-за того, что ее качество ниже, чем сварка постоянным током. Сварочные аппараты постоянного тока становятся более доступными широким массам.

Электродвигатели переменного тока действуют по обратному принципу: протекание переменного электрического тока по обмоткам статора вызывает вращение ротора. Теоретически электродвигатель может выполнять функции генератора, а генератор может быть использован в роли электродвигателя.

Элементы цепей переменного напряжения | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о переменном напряжении и его параметрах. Данная статья, по сути, является продолжение предыдущей и затронет вопросы цепей переменного напряжения и тока, а также их воздействие на сопротивление, ёмкость и индуктивность в различных сочетаниях. Начнём с простейших цепей с синусоидальным переменным напряжением

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Сопротивление в цепи при переменном напряжении

Цепи переменного напряжения с сопротивлением является самыми простыми и наиболее часто встречающимися, поэтому начнём с них.

Переменное синусоидальное напряжение и ток в сопротивлении.

Допустим, что на сопротивление R подали переменное напряжение u, тогда, согласно с законом Ома, через данное сопротивление потечёт электрический ток i

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

t – время,

φ – начальная фаза

Таким образом, действующее I и среднее значение I_cp переменного тока будут определяться следующими выражениями

Так как, напряжение и ток, в цепи с сопротивлением имеют одинаковую начальную фазу, то есть, происходит совпадение фаз и достижение амплитудных значений напряжения U_m и тока I_m происходит одновременно.

Выражение «совпадение фаз» связанно с понятием фазового сдвига ψ, которое определяет разность начальных фаз двух синусоид одинаковой частоты. Следовательно, фазовый сдвиг между напряжением и током при активном сопротивлении будет равен нулю

где φ_u – начальная фаза напряжения,

φ_i – начальная фаза тока.

Для оценки энергетических характеристик ввели понятие мощности, в цепях переменного напряжения существует несколько мощностных характеристик. Одной из них является мгновенная мощность Р_m, определяемая, как произведение мгновенных значений напряжения и тока

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, мгновенная мощность Р_m изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения и тока и колеблется в пределах от 0 до 2UI.

Еще одной энергетической характеристикой является среднее значение мощности за период Р или активная мощность, которая определяется следующим выражением

где Р_m – мгновенная мощность,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Индуктивность в цепи при переменном напряжении

Следующий элемент, который я рассмотрю, будет индуктивный элемент, характеризующийся тем, что в нём возникает ЭДС самоиндукции.

Переменное синусоидальное напряжение и ток в индуктивности.

При подаче переменного напряжения u на индуктивность L, в ней возникнет ЭДС самоиндукции

Тогда при условии, что сопротивление отсутствует R = 0, а разность потенциалов будет равна мгновенному значению напряжения u, получим

где (β₁ – β₂) – разность потенциалов,

Е – ЭДС самоиндукции,

U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

L – величина индуктивности,

ω – угловая частота,

t – время,

φ – начальная фаза

Тогда проинтегрировав получившееся выражение, получим значение мгновенного тока

где I_m – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

L – величина индуктивности,

f – частота переменного напряжения (тока),

X_L – индуктивное сопротивление или реактивное сопротивление индуктивности.

Как видно из получившегося выражения ток i в индуктивности опаздывает от напряжения на угол π/2 или 90°. То есть фазовый сдвиг составит

Оценим мгновенную мощность P_m в индуктивности при переменном напряжении

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, мгновенная мощность колеблется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и амплитудой UI.

Рассчитаем активную (среднее значение) мощность Р за период. Для этого необходимо проинтегрировать значение мгновенной мощности за весь период, а затем разделить на длительность периода

Как видно активная мощность на индуктивности не выделяется, то есть она затрачивается, но за счёт ЭДС самоиндукции происходит её компенсация.

Существенным параметром индуктивности при прохождении через неё переменного тока является энергия магнитного поля индуктивности W_L, которая вычисляется по формуле

где I_m – амплитудное значение переменного тока,

I – действующее значение переменного тока,

L – индуктивность.

Как видно из получившегося выражения, периодические изменения энергия магнитного поля происходят с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) через катушку и значением от 0 до LI².

Ёмкость в цепи при переменном напряжении

Третьим элементом, который я рассмотрю, будет емкость, которая характеризуется тем, что в ней происходит накопление электрической энергии.

Переменное синусоидальное напряжение и ток в ёмкости.

Как известно напряжение на конденсаторе определяется по формуле

где q – величина заряда,

С – ёмкость конденсатора.

С учётом того что, вся ЭДС переменного напряжения Е = u приложена к конденсатору и сопротивление равно нулю R = 0, согласно закона Ома для полной цепи получим

То есть величина заряда q будет изменяться пропорционально изменению напряжения u, а следовательно будет протекать электрический ток i.

Мгновенное значение электрического тока i при переменном напряжении на конденсаторе зависит от изменения электрического заряда dq за каждый период времени dt, тогда

Проинтегрировав данное выражение получим

где I_m – амплитудное значение переменного тока,

ω – угловая частота,

С – величина ёмкости,

f – частота переменного напряжения (тока),

X_С – ёмкостное сопротивление или реактивное сопротивление ёмкости..

Фазовый сдвиг между напряжением и электрическим током в ёмкости при переменном напряжении составит

То есть напряжение в данном случае отстаёт от тока на 90°.

Определим энергетические характеристики в ёмкости. Мгновенное значение мощности P_m в ёмкости при переменном напряжении

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m – амплитудное значение переменного тока,

U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока.

Таким образом, значение мгновенной мощности в ёмкости аналогично значению мгновенной мощности в индуктивности, то есть колебания происходят с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и амплитудой UI.

В отличии от индуктивности, в ёмкости энергия запасённая в конденсаторе определяется напряжением

где U_m – амплитудное значение переменного напряжения,

U – действующее значение переменного напряжения,

С – емкость.

Таким образом, энергия электрического поля в конденсаторе изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока) и может принимать значение от 0 до CU².

На сегодня всё. В следующей статье я расскажу о параметрах различных соединений сопротивления, индуктивности и ёмкости при переменном напряжении и токе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Что такое переменный ток и переменное напряжение?

Что такое переменный ток и переменное напряжение?

Ток бывает двух основных видов — постоянный и переменный. Чтобы разобраться с этими терминами, необходимо вспомнить, что ток — это упорядоченное движение электронов. И вот когда эти электроны все время движутся в одном и том же направлении, то такой ток называется постоянным. Но под понятием упорядоченное движение следует также понимать то что в один момент электроны движутся в одном направлении а во второй момент — в обратном и так без остановки. Вот такой ток уже называется переменным. Если говорят о постоянном и переменном напряжении, то имеется в виду что у постоянного напряжения + и — всегда «находятся на одном месте».

Примером постоянного напряжения может послужить обыкновенная батарейка, на её корпусе вы всегда найдете обозначения + и -. А у переменного + и — меняются через некоторой отрезок времени. Следственно постоянное напряжение создает постоянный ток, и соответственно переменное напряжение — переменный ток. Примером переменного напряжения может послужить обыкновенная электросеть. Постоянный ток обозначается одной прямой линией, а переменный одной волнистой линией.

Я думаю, вам не раз приходилось видеть надписи 220В, перед которой стоит горизонтальная волнистая линия. Это и есть обозначение переменного тока.

Обратите внимание на то, что устройства, в который используется постоянный ток, в подавляющем количестве, не допускают чтобы при подключения к ним питания контакты + и — перепутались между собой, поскольку если их перепутать то прибор может попросту «сгореть». А вот для переменного напряжения это уже не актуально, припустим, вы включаете в розетку… да что угодно, и не важно какой именно стороной вставить вилку в розетку, прибор все ровно будет работать. Наверняка, вам также приходилось возле надписей 220В замечать и надпись на подобие 50Гц. Это частота переменного тока. И означает она, сколько раз в секунду меняется «плюс с минусом» местами. Надпись 50Гц (Герц) означает, что за одну секунду полярность напряжения меняется 50 раз.

Графики

Для того чтобы представить, как именно происходит изменение полярности переменного напряжения необходимо разбираться в графиках, которые показывают напряжение в разные моменты времени. Давайте посмотрим на график, демонстрирующий постоянное напряжение (он слева). Припустим, что этот график показывает напряжение на контактах лампочки фонарика.

Начиная с точки 0 и до точки «а» график показывает, что напряжение равно нулю. Или другими словами говоря его там вообще нет (фонарик выключен). В момент времени «а» (в нашем варианте на контактах лампочки) появляется напряжение равное U1, которое остается без изменений в течении времени от «а» до «б» (фонарик включен). В момент времени «б» Напряжение снова пропадает (стает равным нулю). Если посмотреть

Напряжение 220 Вольт | Практическая электроника

Да, все знают что это электрический ток в розетке должен быть 220 вольт». Но тех, кто представляет хотя бы приблизительно как он образуется и передаётся потребителю, кто может сказать «в бытовой электросети однофазная линия переменного тока 220 вольт частотой 50 Герц» совсем немного и, скорее всего, это будут специально обученные люди, которые тоже порой не задумываются о том, почему именно 220 вольт? Почему переменный ток, почему частота сети именно 50 Герц? А действительно, почему сложилось именно так? Вариантов-то было множество. И кстати, заходя вперёд, стоит сообщить что вышеперечисленное не эталонный стандарт для всей планеты. Кто-то пошёл и другим путём в возведении электро-инфраструктуры. На эти и некоторые другие вопросы мы попытаемся дать ответы в данной статье.

Откуда берется напряжение

Чтобы подать электричество в розетку, необходимо его как-то сгенерировать. Для выработки электроэнергии до сих пор в большинстве применяются технологии конца 19 века – электромагнитная индукция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Проще говоря – генераторы. Различие генераторов лишь в том, каким образом подают механическую энергию. Раньше это были громоздкие паровые машины. Со временем добавились гидротурбины для проточной воды (гидроэлектростанции) , двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы.

Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор – это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора

Принцип работы ТЭС

либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток

Принцип работы ГЭС

Ну или это может быть даже ветряк

Ветряная электростанция

Короче говоря, принцип везде один и тот же.

Кстати, ядерный реактор не способен самостоятельно выработать энергию. По сути, атомная энергоустановка является тем же самым примитивным паровым котлом, где рабочим телом является обыкновенный пар. Да, нынче существуют иные способы генерации электричества, на вроде тех же самых солнечных элементов, бетагальванических и изотопных ядерных батарей, «мифических» токомаков. Однако, вышеперечисленный «хайтэк» имеет существенные ограничения – запредельная стоимость материалов ,монтажа и наладки, габариты и малый кпд. Потому, всерьёз рассматривать всё это в качестве полноценной электростанции большой мощности не стоит (по крайней мере в ближайшие пару десятков лет).

Экскурс в историю

Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?

Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.

Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.

Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.

Почему именно переменное напряжение?

Не так давно по историческим меркам у человечества возникла дилемма: какой ток лучше? Переменный или постоянный? Этот период времени был известен, как “война токов”. На самом деле были споры между Николой Теслой и Эдисоном – самыми великими учеными-изобретателями того времени. Эдисон был за постоянный ток, а Никола Тесла – за переменный. Это борьба продолжалось более 100 лет, даже после смерти этих великих ученых! Но все-таки в 2007 году окончательную победу одержал переменный ток.

Дело все в том, что постоянный ток при передаче на большие расстояния теряет свою энергию на нагрев проводов. Здесь во всем виноват закон Джоуля-Ленца

Q=I²Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Нетрудно догадаться, что чем больше сила тока будет протекать по проводам, и чем длиннее будут провода, тем больше они будут нагреваться, так как сопротивление провода выражается формулой:

сопротивление провода формула

Второй причиной было то, что в генераторе постоянного тока надо было использовать специальную конструкцию, которая бы позволяла снимать электрический ток с движущихся обмоток. Для этого на валу двигателя крепился так называемый коллектор, к которому припаивались обмотки генератора. Коллектор все время находился в движении, так как он закреплен на самом валу генератора. С коллектора с помощью графитовых щеток снималось напряжение. Тот же самый принцип до сих пор используется в генераторах и двигателях постоянного тока.

Принцип работы генератора постоянного тока

Минусом такой конструкции является то, что со временем щетки и коллектор изнашиваются. Поэтому, такой генератор надо часто обслуживать, вовремя заменять щетки и чистить коллектор. Чаще всего такой генератор имеет два провода: плюс и минус. Чем больше коллекторных пластин (ламелей) на таком генераторе, тем чище будет постоянный ток с такого генератора. Если такой генератор имеет множество ламелей и крутится с одинаковой скоростью, то на осциллографе можно увидеть примерно такую картину постоянного тока

осциллограмма постоянного тока

Таких недостатков лишен генератор переменного напряжения. Принцип его действия показан ниже

Принцип работы генератора переменного тока

В настоящее время в нем используются три обмотки, разнесенные друг от друга на 120 градусов. Один конец каждой обмотки соединяется с друг другом, образуя так называемый “ноль”. В нашей стране такие генераторы на ТЭС или ГЭС стараются крутить со скоростью 50 оборотов/сек. Ну или 3000 оборотов/минуту. Неплохая такая скорость). В Америке же их крутят под 60 оборотов/сек. А что такое обороты в секунду? Это и есть частота. А частота, как вы помните, выражается в Герцах (Гц). Поэтому, у нас в розетках частота 50 Гц, в Америке 60 Гц.

Такие генераторы называют трехфазными, так как они имеют три фазы: A, B, C. В англо-язычной литературе можно увидеть обозначение R, S, T либо L1, L2, L3. Точка, где соединяется конец всех обмоток обозначается буквой N (ноль).

Генератор переменного тока

То есть по сути с генератора выходит 4 провода: фазы A,B,С и 0, он же нейтраль N, который соединяет один конец каждой из трех обмоток.

Обмотки генератора переменного тока

При вращении ротора-магнита в каждой обмотке создается электрический ток. Если с помощью осциллографа вывести осциллограммы сразу трех обмоток, то можно увидеть что-то типа этого:

Осциллограммы трехфазного напряжения

Передача электрического тока на дальние расстояния

Итак, электрический ток мы получили. Теперь надо как-то передать его на дальние расстояния, не забывая про закон Джоуля-Ленца: Q=I²Rt . То есть нам надо каким-то чудом уменьшить силу тока, которая будет течь по проводам, так как в основном из-за нее происходят большие потери.

Для этих целей идеально подойдет трансформатор, но не простой, а трехфазный. Здесь используется замечательное свойство трансформатора: если повышаем напряжение, то понижаем силу тока, и наоборот, понижаем напряжение, увеличиваем силу тока. Поэтому, для того, чтобы передать полученную электроэнергию на дальние расстояния, нам нужно увеличить в несколько раз напряжение, тем самым мы в это же число раз уменьшим силу тока. Ниже на рисунке схема передачи электроэнергии от генератора ГЭС и до конечного потребителя, то есть для заводов, для электротранспорта и для нас с вами.

Передача электроэнергии от генератора до конечного потребителя

С ГЭС напряжение повышают до нескольких киловольт, чаще всего до 110 кВ. Все это достигается с помощью трехфазного высоковольтного повышающего трансформатора (2).

Трехфазный высоковольтный трансформатор

Далее высоковольтное напряжение идет по высоковольтной линии (3) и доходит до какого-либо города, либо райцентра.

Высоковольтная линия передачи электроэнергии

В каждом райцентре либо городе есть своя подстанция, где имеется уже свой высоковольтный понижающий трансформатор (4), который преобразует напряжение 110 кВ в 10 кВ, либо в 6 кВ (5).

Почему нельзя было сразу тянуть провода с генератора? Зачем надо было повышать, а потом снова понижать напряжение? Все опять же из за закона Джоуля-Ленца. Так как ГЭС находится на очень большом расстоянии от потребителей электроэнергии, приходится повышать напряжение, чтобы минимизировать потери на нагрев проводов. Как мы уже говорили, трансформатор повышает напряжение, но при этом уменьшает во столько же раз силу тока, поэтому потери в проводах на дальние расстояния сокращаются в разы, исходя из формулы Джоуля-Ленца Q=I²Rt.

Потом уже с подстанции напряжение расходится по трансформаторным “будкам”, которые можно уже заметить в каждом районе.

Трансформатор 6 кВ в 380 В

От этих “будок” выходит после преобразования приблизительно 380 Вольт. Но здесь есть один нюанс. Везде используется три провода, а к нам в дома заходят чаще всего два провода. В чем же дело? А дело как раз в том, что есть такое понятие как линейное и фазное напряжение. Линейное напряжение замеряется между 3 проводами, по которым идут 380 В. Они называются фазами. То есть грубо говоря – это те же самые провода, которые вышли с генератора еще где-нибудь на ГЭС. Но если взять любую из фаз и замерять напряжение относительно нулевого проводника, то есть относительно нуля, то у нас будет фазное напряжение 220 В. Получается, к нам в дом заходит ОДНА фаза и НОЛЬ. Куда деваются другие фазы? Они равномерно распределяются между жильцами дома или вашего района. То есть к вашему соседу может придти другая фаза, но тот же самый ноль.