Почему переменный ток – Отличие переменного тока от постоянного: преобразование, разница, принцип действия — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

в чем разница между ними

В электричестве есть два рода тока – постоянный и переменный. Устройства также требуют для питания один или другой вид тока. От этого зависит возможность их работы, а иногда и целостность после подключения к неправильному питанию. Чем отличается переменный ток от постоянного мы расскажем в этой статье, дав краткий ответ наиболее простыми словами.

Определение

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Так звучит определение из учебника по физике. Простыми словами можно перевести так, что у его составляющих всегда есть какое-то направление. Собственно, это направление и является определяющем в сегодняшнем разговоре.

Переменный ток (Alternative Current – AC) отличается от постоянного (Direct Current – DC) тем, что у последнего электроны (носители заряда) всегда движутся в одном направлении. Соответственно отличием переменного тока является то, что направление движения и его сила зависят от времени. Например, в розетке направление и величина напряжения, соответственно и сила тока, изменяется по синусоидальному закону с частотой в 50 Гц (50 раз за секунду изменяется полярность между проводами).

Для так сказать чайников в электрике изобразим это на графике, где по вертикальной оси изображена полярность и напряжение, а по горизонтальной время:

Красной линией изображено постоянное напряжение, оно остаётся неизменным с течением времени, разве что изменяется при коммутации мощной нагрузки или КЗ. Зелеными волнами показан синусоидальный ток. Вы можете видеть, что он протекает то в одну, то в другую сторону, в отличие от постоянного тока, где электроны всегда протекают от минуса к плюсу, а направлением движения электрического тока выбран путь от плюса к минусу.

Если сказать по-простому, то разницей в этих двух примерах является то, что у постоянки всегда плюс и минус находятся на одних и тех же проводах. Если говорить о переменном, то в электроснабжении используют понятия фазы и нуля. Если рассматривать по аналогии с постоянкой, то фаза и ноль являются плюсом и минусом, только полярность меняется 50 раз в секунду (в США и ряде других стран 60 раз в секунду, а в самолётах более 400 раз).

Происхождение

Разница между AC и DC заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, например, батареек и аккумуляторов.

Также его можно получить с помощью динамомашины – это устаревшее название генератора постоянного тока. Кстати с их помощью генерировалась энергия для первых электросетей. Мы об этом говорили в статье об открытиях Николы Тесла, в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позже так называли небольшие генераторы для питания велосипедных фар.

Переменный ток добывают также с помощью генераторов, в наше время в основном трёхфазных.

Также и то и другое напряжение можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей и выпрямителей. Так вы можете выпрямить переменный ток или получить его же, преобразовав постоянный.

Формулы для расчета постоянного тока

Разницей между переменкой и постоянкой являются и формулы для расчетов процессов, происходящих в цепи. Так сопротивление рассчитываются по Закону Ома для участка цепи или для полной цепи:

E=I/R

E=I/(R+r)

Мощность также просто рассчитываются:

P=UI

Формулы для расчета переменного тока

В расчётах цепей переменного тока разница в формулах обусловлена отличием процессов, протекающих в емкостях и индуктивностях. Тогда формула закона Ома будет для активного сопротивления:

Для ёмкости:

Для индуктивности:

Здесь 1/wC и wL – емкостное и индуктивное реактивные сопротивления, а w – угловая частота, она равна 2пиF.

Для цепи с ёмкостью и индуктивностью:

wL-1/wC – это реактивное сопротивление, оно обозначается как Z.

На видео ниже более подробно рассказывается, в чем отличие переменного тока от постоянного:

Материалы по теме:

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.

Определение постоянного и переменного электрического тока

Технический прогресс с появлением электричества начал развиваться семимильными шагами. Новый вид энергии и практическое применение продуктов, получаемых в результате её преобразования, изменили класс жизни человека.

Движение частиц при постоянном и переменном токах

Что такое электрический ток

Перемещения свободных носителей электрических зарядов в вакууме или веществе в фиксированном направлении назвали электрическим током. Свободными носителями в металлах являются электроны, в жидкостях или газах – ионы. Название «ток» имеет два толкования. Первое – обозначает само продвижение электрического заряда в проводнике, второе – оценку числа электронов, проходящих по проводнику за 1 с. Его силу можно определить по Закону Ома. Для этого используется формула:

I=U/R,

где U – напряжение, В; R – сопротивление, Ом.

Ток постоянный и переменный

Электроны в проводниках движутся от плюса к минусу. Движение равномерное, всё время с постоянной величиной. Если задаться вопросом, какие токи носят определение постоянных, сначала нужно хорошо представлять, куда течёт ток.

Внимание! Направлением тока считают то направление, куда движутся положительно заряженные частицы: от плюса к минусу. Хотя дорога свободных электронов лежит от минуса к плюсу.

Направление постоянного тока
Значит, постоянный ток – это направленное перемещение заряженных частиц, несущих в себе положительный заряд, которые не меняют свои величину и направление с течением времени. Все остальные токи – переменные. В этом их разница.
Alternative Current – AC, так обозначается переменный ток на приборах. Direct Current – DC, это понятное обозначение постоянного тока.

Постоянный и переменный ток
Различия токов
Незнание отличий приводит к неправильному подключению потребителей напряжения к источникам питания. Это вызывает повреждение приборов или, того хуже, опасные для жизни ситуации.
Чтобы чётко разобраться, какой ток называется переменным, какой постоянным, нужно сопоставить параметры.
При сравнении характеристик этих двух видов электричества выделяют отличия:
Физические – у переменного тока сила и направление состоят во временной зависимости. В бытовой сети частота пульсации – 50 Гц. Полярность изменяется по синусоиде 50 раз за секунду. Носители зарядов постоянного тока направленности не меняют.
Конструктивные – на выводах или контактах у DC присутствуют « + » и «– », а у АС на электродах – «ноль» и «фаза». В случае трёхфазной сети 4 контакта: один «ноль» и три «фаза».
Принцип вырабатывания – постоянный ток получают в результате электролитических и химических реакций окисления, работы генераторов постоянного тока и солнечных батарей. Переменный ток вырабатывается трёхфазными генераторами.
В преобразовании – оба вида получают путём превращения одного в другой посредством полупроводниковых выпрямителей и инверторов.
Для информации. В мире действует два головных стандарта частоты и напряжения в потребительской сети переменного тока. Европейский стандарт – 50 герц, 220-240 вольт, и американский – 60 герц, 100-127 вольт.
Преимущества переменного тока
Аккумуляторные батареи практичны как источник постоянного электричества. Однако бесконечно снабжать токоприёмники энергией без подзарядки они не могут. Поэтому создание изменяющегося во времени тока и его доставка потребителю – главные задачи энергосистемы страны. К преимуществам этого вида относятся:
лёгкость преобразования из одной величины напряжения в другую;
допустимость передачи на дальние расстояния по ЛЭП к распределительным сетям;
возможность реализовывать трёхфазные схемы энергоснабжения;
ориентированность на потребителей производственных предприятий, рассчитанных на питание переменным током.
Снизить или повысить величину напряжения переменного тока проще. Для этого стоит только пропустить его через трансформатор. Большой КПД этого преобразователя – 99%, потеря мощности – лишь 1%. Трансформатор, имея отдельные обмотки по напряжению, ещё разделяет высокое напряжение от низкого, что допускает возможность разделить установки до 1000 В и свыше 1000 В.
Атомные и гидроэлектростанции расположены в местах, отдалённых от центральных районов расположения потребителей. Поэтому напряжение добытой электроэнергии повышают до сотен кВт, чтобы снизить потери при транспортировке, и передают по ЛЭП в нужное место, где снова понижают.

Гидроэлектростанция – ГЭС
Применяя трёхфазное переменное напряжение, повышают производительность структуры энергосистемы. Передача одинаковой мощности трёхфазной сети требует меньшего количества проводников, в отличие от однофазной линии.
Важно! Если сравнить два трансформатора одинаковой мощности, то габариты однофазного трансформатора больше, чем трёхфазного. Изготовление асинхронных двигателей обходится дешевле, чем двигателей постоянного тока. В них отсутствуют коллектор и щётки, по мощности при одинаковых размерах асинхронные двигатели обгоняют постоянные в 2-3 раза.
Недостатки постоянного тока
Кроме того, что источники этого вида тока имеют непростую конструкцию, они сложнее в эксплуатации. При КПД, равном 94%, предельная мощность этих машин не выше 20 МВт. Присущи и другие минусы:
для повышения или понижения напряжения применяют сложные схемы;
двигатели, рассчитанные на потребление такого электричества, также конструктивно сложны и недешевы;
развязка низкого и высокого напряжения требует сложных решений.
Полностью отказаться от таких источников и потребителей не получается, так как они востребованы и имеют свои преимущества.
Недостатки переменного тока
При передаче энергии изменяющего направление тока на большие расстояния возникают затруднения. Создание Единой Энергетической Системы выявило ряд недостатков:
пропускная способность кабельных линий низкая из-за ёмкости между проводниками и землёй;
при объединении и кольцевании ветвей системы, расположенных друг от друга на больших расстояниях, невозможно выполнить синхронизацию станций;
пороговый предел устойчивости, необходимый для согласования, заканчивается на длинах линий свыше 500 км, при этом требуется повышение напряжения до 450 кВ, что приводит к удорожанию оконечного оборудования.
К сведению. При повышенном напряжении у воздушных линий возникает коронный разряд. Это процесс ионизации у проводников с малым радиусом. Чтобы в этом случае не происходило стекание электричества, приходится увеличивать диаметр проводов, это ведёт к удорожанию линии.
Преимущества постоянного тока
Какие качества делают незаменимым постоянный ток? К плюсам относятся:
в цепях нет реактивной мощности, которая приводит к потерям;
параллельно работающие генераторы нет необходимости синхронизировать;
повышенная дальность передачи энергии в больших объёмах;
безопасность для человека при соприкосновении с токоведущими жилами.
К достоинствам добавляется то, что такое электричество, как постоянный ток, течёт по всему сечению проводника, поэтому потери мощности минимальны.

Плотность расположения зарядов по сечению проводника
История появления и «войны токов»
Никола Тесла и Томас Эдисон не дожили до того момента, когда представитель компании Consolidated Edison поставил точку в борьбе двух технологий. Переменный электрический ток одержал победу. В 2007 году ведущий инженер компании отсоединил кабель, символизирующий питание Нью-Йорка постоянным током.
Сербский учёный Никола Тесла ещё в 1882 году придумал, как применить эффект вращающегося электромагнитного поля. В то время Эдисон уже ввёл в строй 2 электростанции, вырабатывающие постоянный ток, и организовал производство кабелей, устройств освещения и динамо-машин. Тесла одно время работал в компании Эдисона и ремонтировал машины постоянного тока. Эдисон обещал Николе заплатить за проекты по модернизации двигателей, но выплатить вознаграждение за проведённую работу отказался. Тесла продал патенты своих изобретений Джорджу Вестингаузу, президенту компании Westinghouse Electric Corporation за 1 млн. долларов. Первая электростанция на 500 В изменяющего свою полярность электричества запущена в 1886 г. Война токов продолжалась более века.
Источники постоянного электрического тока
Для его получения используют специальный генератор, работа которого основана на законе электромагнитной индукции – ЭДС. Если вращать металлическую рамку, в зоне действия электромагнитного поля возникнет ЭДС, и по рамке потечёт электричество.

Генератор постоянного тока
Внимание! Увеличение ЭДС получают повышением силы поля или скорости вращения рамки. Снижения пульсации полученного движения электричества добиваются добавлением числа рамок.
Немеханические производители электричества постоянной природы:
солнечные батареи;
гальванические элементы;
термохимические элементы.
Аккумуляторы энергии из этой группы ограниченного срока действия и требуют периодической подзарядки.

Источники постоянного тока
Применение
Использование в электронике для питания схем – это не конечные варианты применения DC. Постоянный ток нашёл употребление в следующих случаях:
в электролизе – получение в промышленных масштабах металлов из солей и растворов;
гальванопластике и гальванизации – покрытие металлами электропроводящих поверхностей;
в сварочных работах – работа с нержавеющей сталью;
на транспорте – двигатели трамваев, электровозов, троллейбусов, ледоколов, подводных лодок;
в медицине – ввод лекарственных препаратов в организм при электрофорезе.
Для информации. В СССР начинали электрификацию железной дороги постоянным током на участках Баку – Сурамский перевал и Сабучини. До Великой Отечественной войны напряжение составляло 1,5 кВ, потом было переведено на 3 кВ. В общей сложности половина ж/д линий работало от этого вида тока.
Переменный ток
Вынужденные гармонические электромагнитные колебания – это синусоидальный ток. Колебания происходят с частотой 50 Гц в секунду. Напряжение и ток за период в среднем равны нулю.
Чем постоянный ток отличается от переменного, и каков его путь от источника до потребителя?
Ток постоянный не совершает колебаний, в этом постоянный и переменный ток различаются. Подача Direct Current – DC к потребителям также происходит по проводам и кабелям. Действуют до сих пор ЛЭП Волгоград – Донбасс.
Преобразование
К бытовым приборам, требующим снабжение схем электричеством типа DC, его подают через блоки питания. Это схемы, включающие в себя понижающий трансформатор и выпрямляющий блок. При подключении блока питания к устройству следят за совпадением их параметров по напряжению и мощности. Параметры указаны на корпусе прибора.

Блок питания от сети 50 Гц
В настоящий момент оба вида электричества отлично уживаются в современном мире. Схемы смешанного питания потребителей только дополняют друг друга.
Видео
Зачем нужен переменный ток?? ? Почему нельзя обойтись лишь постоянным током???
В энергетике лучше использовать переменный ток – это стало понятно в конце XIX века. Цепи постоянного тока проще и понятней. Михаил Осипович Доливо-Добровольский обнаружил, что самый экономичный способ придачи энергии на большие расстояние – это постоянный ток напряжением около миллиона вольт. При меньших напряжениях переменный ток оказался намного удобней и практичней. При помощи трансформатора напряжение переменного тока легко понизить или повысить. С ростом частоты сопротивление падает, связано это с тем, что носители заряда в проводнике колеблются, а не движутся прямолинейно, как следствие реже столкновение с атомами и ниже потери. Правда на больших расстояниях заметная часть энергии теряется в виде излучения. Переменный ток – это удобный компромисс. Если у вас есть бухта кабеля метров 200, попробуйте подключить ее источнику переменного и постоянного тока и измерить напряжение. Потери в проводе окажутся значительными, поэтому использование переменного тока в энергетике оказывается экономически оправдано.
А на кой его все время выпрямлять?
постоянный дорого перебрасывать по стране
Дешевле получать и транспортировать.
Переменный ток можно трансформировать в любой уровень напряжения ,а постоянный нельзя
Если в 2-х словах — переменный гораздо удобнее, особенно 3-фазный. Хотя не имеющему специального электротехнического образования человеку это не очевидно.<br>Кроме того, на переменном токе появляется ряд замечательных возможностей, которые на постоянном токе недоступны!<br>А с позиций экономики — переменный гораздо дешевле (следствие простоты выработки, передачи и т.д.)
Постоянный ток это атавизм технического развития цивилизации. Потому что: Невозможно получить постоянный ток высокого напряжения, т. к. это связано с его выпрямления. Ограничения напряжения связано с увеличением значения тока, а это в свою очередь с омическими потерями при передачи. Кроме того, 60% всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую на электрических двигателях. Двигатель постоянного тока высокой мощности — это сложная конструкция содержащая щеточно-коллекторный узел, который является примитивным преобразователем постоянного тока в переменный, кроме того ненадежен. Трансформация напряжения на постоянном токе, без его преобразования в переменный, исключена. Кроме того, постоянный ток для человека более опасен, чем переменный.
То есть они одну и ту же «воду по трубам» вам гоняют туда-сюда. Тем не менее в таких условиях диск датчика должен был бы (вроде как, если физика этого мира всё еще так же работает) ТОЖЕ менять направление ! ! ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — ЭТО ТОК СЕБЕСТОИМОСТЬЮ НОЛЬ. Хотя постоянный тоже. Сколько КПД ГЭС (гидроЭлСт) ? Ага… ноль потраченных ждоулей.. а на выходе…. Не суть! Суть в том — что ответ в бесконечность математическую упирается. Легкие молекулы «всплыли» по законам архмимедовой силы (когда более холодные молекулы утонули). На высоте растеряли часть полученной ОТ СОЛНЦА !!!энергии и сконденсировали в осадки — которые потекли ПО ФАКТУ НАЛИЧИИ ГРАВИТАЦИИ !!!Что собственно является «утопанием» жидких капель в воздухе. То есть все та же архимедова сила, гравитация планеты и синтез гелия на Солнце. Это то за что вы платите.
Война токов — Википедия
Дж. Вестингауз.
Война токов (англ. War of Currents) — противостояние Томаса Эдисона и Николы Теслы (а также Джорджа Вестингауза, поддерживавшего Теслу) в борьбе за использование постоянного и переменного тока соответственно. «Война» продолжалась свыше ста лет с конца 80-х годов XIX века и закончилась в конце ноября 2007 года с окончательным переходом Нью-Йорка с постоянного тока на переменный^[1].
Генераторы[править | править код]
Генераторы постоянного тока легко подключаются параллельно, необходимо лишь соблюдать полярность. Чтобы подавать в сеть переменный ток, требуется предварительная синхронизация генератора переменного тока с подключаемой энергосистемой.
Передача энергии на расстояние[править | править код]
При увеличении расстояния повышается суммарное электрическое сопротивление проводов, а также растут потери на их нагрев. При создании электрической линии, рассчитанной на передачу определённой мощности, существенно снизить потери можно либо снижая электрическое сопротивление проводов (делая их толще или изготавливая их из другого материала), либо повышая напряжение (что приводит к уменьшению силы тока). Чтобы вчетверо снизить потери, приходится либо вчетверо снижать сопротивление, либо вдвое повышать напряжение. Передача энергии на большие расстояния экономически оправдана при использовании высокого напряжения.
Поскольку эффективных способов изменять напряжение постоянного тока в те времена не существовало, в электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому — от 100 до 200 В. Это не позволяло передавать потребителю большие мощности на значительные расстояния. В результате потребители электрической энергии должны быть расположены на расстоянии, не превышающем 1,5 км от электростанции. Ориентир на постоянный ток не позволял построить мощную электростанцию, снабжающую целый регион, равно как и построить ГЭС в подходящем для этого удалённом месте.
Напряжение переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов (КПД до 99%). Это даёт возможность передавать ток по высоковольтным магистральным линиям на большие расстояния (сотни километров), предоставляя потребителю электроэнергию через понижающие трансформаторные подстанции.
Потребители[править | править код]
Изобретённый Эдисоном счётчик электроэнергии, а также выпускавшиеся тогда двигатели работали только на постоянном токе.
Подходящих двигателей переменного тока на момент появления электрических сетей (1880 год) вообще не существовало — лишь в 1888 году Никола Тесла изобрёл асинхронный электродвигатель, что склонило чашу весов на сторону изобретателя и предпринимателя в сфере электроосвещения Вестингауза (основателя компании Вестингауз Электрик Корпорейшн).
Коммутация[править | править код]
Коммутация проводников постоянного тока, находящихся под нагрузкой, требует более сложных переключателей, так как при размыкании цепи постоянного тока возникает более устойчивая электрическая дуга, чем при размыкании цепей переменного тока.
Безопасность[править | править код]
Переменный ток быстрее приводит к фибрилляции сердечной мышцы, чем постоянный. При кратковременном контакте с грудной клеткой могут вызывать сбой в работе сердечной мышцы даже сравнительно малые напряжения (порядка 110–230 В, применяемые в быту) но с заметной разницей силы тока (60 мА для переменного, 300–500 мА для постоянного).
Первые электросети[править | править код]
В 1878 году Эдисон основывает компанию «Эдисон электрик лайт» (сегодня General Electric). К 1879 году закончилась доводка электрической лампочки — одна лампа служила свыше 12 часов. Это число может показаться весьма скромным, но альтернативами в те времена были только свеча, керосиновая лампа и газовое освещение. В 1880 году Эдисон патентует всю систему производства и распространения электроэнергии, которая включала три провода — нулевой, +110 и −110 В (это снижало материалоёмкость при тех же потерях энергии). Одновременно был продемонстрирован невиданный доселе срок жизни лампочки — 1200 часов. Именно тогда Эдисон сказал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешёвым, что только богачи будут жечь свечи».
В январе 1882 года Эдисон запускает первую электростанцию в Лондоне, а несколькими месяцами позже — в Манхэттене. К 1887 году в США существовало более сотни электростанций постоянного тока, работавших на трёхпроводной системе Эдисона.
Появление переменного тока[править | править код]
В отличие от Эдисона, который проявил себя неутомимым экспериментатором и умелым бизнесменом, сторонники переменного тока основательно знали математику и физику. Ознакомившись с патентом Эдисона, Джордж Вестингауз обнаружил слабое звено его системы — большие потери мощности в проводах.
В 1881 году Люсьен Голар (Франция) и Джон Гиббс (Великобритания) демонстрируют первый трансформатор, пригодный для работы на высоких мощностях. В 1885 Вестингауз покупает несколько трансформаторов Голара-Гиббса и генератор переменного тока производства Siemens & Halske и начинает эксперименты. Через год начинает работу первая 500-вольтовая ГЭС переменного тока в Грейт-Баррингтоне (штат Массачусетс).
Распространению переменного тока мешало отсутствие соответствующих моторов и счётчиков. В 1882 году Тесла изобретает многофазный электромотор, патент на который был получен в 1888 году. В 1884 году Тесла появляется в США. После года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты^[2], и Тесла уходит к Вестингаузу. В 1888 году появляется первый счётчик переменного тока.
Противостояние[править | править код]
Переход на переменный ток должен был стать финансовым поражением Эдисона, который зарабатывал немалую часть денег на патентных отчислениях. Эдисон подал в суд за нарушение более десятка патентов, но решение суда было не в его пользу.
Тогда Эдисон занялся чёрным пиаром: публично демонстрируя убийства животных переменным током рекламировал «безопасное» постоянное напряжение и предостерегал от «опасного» переменного. К тому же примерно в это же время некто Поуп был убит трансформатором с повреждённой изоляцией, стоявшим у него в подвале; это происшествие широко освещалось прессой. Наконец, в 1887 году финансируемый Эдисоном инженер Гарольд Браун предложил идею убивать преступников электричеством — разумеется, «опасным» переменным, а не «безопасным» постоянным.
Вестингауз, ярый противник использования электричества для казни, отказался поставлять генераторы переменного тока для этой цели (добывать их пришлось окольными путями), нанял адвокатов приговорённому к казни на электрическом стуле Кеммлеру, который убил свою сожительницу топором. Адвокаты требовали отменить приговор как противоречащий конституции США, запрещающей «жестокие и необычные наказания». Несмотря на их старания, в 1890 году произошла первая казнь на электрическом стуле. Эдисон подкупил газетчика, и на следующий день в газете появилась статья «Вестингауз казнил Кеммлера». Казнь выглядела настолько ужасно, что Вестингауз ответил на это однозначно: «Топором бы у них вышло лучше».
В 1891 году трёхфазная система переменного тока, разработанная М. О. Доливо-Добровольским в компании AEG, была представлена на выставке в Франкфурте-на-Майне. В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки 200 тысячами электрических лампочек. В 1896 году компания Вестингауза выиграла тендер на строительство крупнейшей на ту пору электростанции на Ниагарском водопаде. По словам Теслы, «мощности водопада хватит на все США». Чтобы примирить Вестингауза и Эдисона, последнему досталось строительство линии электропередачи, ведущей от электростанции в Буффало — ближайший крупный город.
Ещё одним фактом в пользу переменного тока послужила покупка Эдисоном компании Томсон-Хьюстон, занимающейся изучением и строительством агрегатов, основанных на переменном токе. Однако Эдисон не собирался отказываться от ориентации на постоянный ток и от чёрного пиара по отношению к переменному. Так, Эдисон заснял и затем широко распространил в прессе кадры казни переменным током слонихи Топси, затоптавшей трёх человек в 1903 году.
Сворачивание сетей постоянного тока[править | править код]
Электроснабжение постоянного напряжения неохотно сдавало свои позиции. Хотя уже в начале XX века большинство электростанций генерировали переменное напряжение и систему Эдиссона перестали развивать в 1928 году, существовало немало потребителей постоянного тока, для которых использовали преобразователи на ртутных выпрямителях. Электростанции постоянного тока строились вплоть до 1920-х годов. Хельсинки окончательно перешёл на переменный ток в 1940-х годах, Стокгольм — в 1960-х. Тем не менее в США вплоть до конца 1990-х годов существовало 4,6 тыс. разрозненных потребителей постоянного тока. В 1998 году начались попытки перевести их на переменный ток.
С исчезновением в Нью-Йорке последнего потребителя постоянного тока в ноябре 2007 года главный инженер компании «Консолидейтед Эдисон» перерезал символический кабель^[1].
Однако в Сан-Франциско, по состоянию на 2012 год, остаются 97 островков постоянного тока, обслуживающие от семи до десяти зданий каждый, где к ним подключены раритетные лифты. При этом в работе сохраняются и оригинальные кабели, проложенные около 100 лет назад^[3].
Сторонники переменного тока[править | править код]
Сторонники постоянного тока[править | править код]
Чем постоянный ток отличается от переменного и как преобразовывается?
Постоянный электрический ток — это движение частиц с зарядом в определенном направлении. То есть его напряжение или сила (характеризующие величины) имеют одно и то же значение и направление. Это то, чем постоянный ток отличается от переменного. Но рассмотрим все по порядку.
История появления и «войны токов»
Постоянный ток раньше называли гальваническим из-за того, что его открыли в результате гальванической реакции. Томас Эдисон пробовал передавать его по линиям электрических передач. В то время велись нешуточные споры между учеными по этому вопросу. Они даже получили название «войны токов». Решался вопрос о выборе в качестве основного, переменного или постоянного. «Борьба» была выиграна переменным видом, так как постоянный несет существенные потери, передаваясь на расстоянии. Зато трансформировать переменный вид не составляет никакого труда, это то, чем постоянный ток отличается от переменного. Поэтому последний легко передавать даже на огромные расстояния.
Источники постоянного электрического тока
В качестве источников могут служить аккумуляторы или другие приборы, где он возникает посредством химической реакции.
Это и генераторы, где он получается в результате электромагнитной индукции, а после этого выпрямляется за счет коллектора.
Применение
В различных устройствах постоянный ток применяется довольно часто. С ним работают, например, многие бытовые приборы, зарядные устройства и генераторы автомобиля. Любой портативный аппарат запитывается от источника, вырабатавающего постоянный вид.
В промышленных масштабах его применяют в двигателях и аккумуляторах. А в некоторых странах им оснащают высоковольтные линии электропередач.
В медицине с помощью постоянного электрического тока проводят оздоровительные процедуры.
На железной дороге (для транспорта) используют и переменный, и постоянный виды.
Переменный ток
Чаще всего, впрочем, применяют именно его. Здесь среднее значение силы и напряжения за определенный период равны нулю. По величине и направлению он постоянно изменяется, причем с равными промежутками времени.
Чтобы вызвать переменный ток, используют генераторы, в которых во время электромагнитной индукции возникает электродвижущая сила. Это осуществляется при помощи магнита, вращаемого в цилиндре (роторе), и статора, выполненного в виде неподвижного сердечника с обмоткой.
Переменный ток используют в радио, телевидении, телефонии и многих других системах ввиду того, что его напряжение и силу возможно преобразовывать, почти не теряя энергию.
Широко применяют его и в промышленности, а также в целях освещения.
Он может быть однофазным и многофазным.
Переменный ток, который изменяется согласно синусоидальному закону, является однофазным. Он изменяется в течение определенного промежутка времени (периода) по величине и направлению. Частота переменного тока является числом периодов за секунду.
Во втором случае самое большое распространение получил трехфазный вариант. Это система из трех электроцепей, которые имеют одинаковую частоту и ЭДС, сдвинуты по фазе на 120 градусов. Ее используют для питания электрических двигателей, печей, осветительных приборов.
Многими разработками в сфере электричества и практическим их применением, а также воздействием на переменный ток высокой частоты человечество обязано великому ученому Николе Тесла. До сих пор не все его труды, оставшиеся потомкам, являются познанными.
Чем постоянный ток отличается от переменного и каков его путь от источника до потребителя?
Итак, переменным называют ток, способный меняться по направлению и величине в течение определенного времени. Параметры, на которые при этом обращают внимание, это частота и напряжение. В России в бытовых электрических сетях подают переменный ток, имеющий напряжение 220 В и частоту 50 Гц. Частота переменного тока — это количество изменений направления частиц определенного заряда за секунду. Получается, что при 50 Гц он меняет свое направление пятьдесят раз, в чем постоянный ток отличается от переменного.
Его источником являются розетки, к которым подключают бытовые приборы под различным напряжением.
Переменный ток начинает свое движение от электрических станций, где имеются мощные генераторы, откуда он выходит с напряжением от 220 до 330 кВ. Далее переходит в трансформаторные подстанции, которые находятся вблизи домов, предприятий и остальных конструкций.
В подстанции ток попадает под напряжением 10 кВ. Там он преобразовывается в трехфазное напряжение 380 В. Иногда с таким показателем ток переходит непосредственно на объекты (где организовано мощное производство). Но в основном его снижают до привычных во всех домах 220 В.
Преобразование
Понятно, что в розетках мы получаем переменный ток. Но часто для электрических приборов необходим постоянный вид. Для этой цели служат специальные выпрямители. Процесс состоит из следующих действий:
подключение моста с четырьмя диодами, имеющих необходимую мощность;
подключение фильтра или конденсатора на выход с моста;
подключение стабилизаторов напряжения для уменьшения пульсаций.
Преобразование может происходить как из переменного в постоянный ток, так и наоборот. Но последний случай будет реализовать значительно труднее. Потребуются инверторы, которые, помимо прочего, стоят совсем недешево.
Что такое переменный ток? :: SYL.ru
Сейчас невозможно представить себе человеческую цивилизацию без электричества. Телевизоры, компьютеры, холодильники, фены, стиральные машины – вся бытовая техника работает на нем. Не говоря уже о промышленности и больших корпорациях. Основным источником энергии для электроприемников является переменный ток. А что это такое? Каковы его параметры и характеристики? Чем отличаются постоянный и переменный ток? Мало кто из людей знает ответы на эти вопросы.
Переменный против постоянного
В конце девятнадцатого века, благодаря открытиям в области электромагнетизма, возник спор по поводу того, какой же ток лучше применять, чтобы удовлетворить человеческие потребности. Как же все начиналось? Томас Эдисон в 1878 году основал свою компанию, которая в будущем стала знаменитой General Electric. Компания быстро разбогатела и завоевала доверие инвесторов и простых граждан Соединенных Штатов Америки, так как было построено по всей стране несколько сотен электростанций, работающих на постоянном токе. Заслуга Эдисона – в изобретении трехпроводной системы. Постоянный ток замечательно работал с первыми электрическими двигателями и лампами накаливания. Это были фактически единственные приемники энергии на то время. Счетчик, который также был изобретен Эдисоном, работал исключительно на постоянном токе. Однако в противовес развивающейся компании Эдисона выступили конкурентные корпорации и изобретатели, которые хотели противопоставить постоянному току переменный.
Недостатки изобретения Эдисона
Джордж Вестингауз, инженер и бизнесмен, заметил в патенте Эдисона слабое звено – огромные потери в проводниках. Однако ему не удалось разработать конструкцию, которая могла бы конкурировать с этим изобретением. В чем же недостаток Эдисоновского постоянного тока? Основная проблема – передача электроэнергии на расстояния. А так как при его увеличении растет и сопротивление проводников, то это значит, что будут увеличиваться и потери мощности. Для понижения этого уровня необходимо либо повышать напряжение, а это приведет к понижению силы самого тока, либо утолщать провод (то есть снижать сопротивление проводника). Способов эффективного повышения напряжения постоянного тока в то время не было, поэтому электростанции Эдисона держали напряжение, близкое к двум сотням вольт. К сожалению, передаваемые таким образом потоки мощности не могли обеспечить нужды промышленных предприятий. Постоянный ток не мог гарантировать генерацию электроэнергии мощным потребителям, которые находились на значительном расстоянии от электростанции. А повышать толщину проводов или строить больше станций было слишком дорого.
Переменный ток против постоянного
Благодаря разработанному в 1876 году инженером Павлом Яблочковым трансформатору, изменять напряжение у переменного тока было очень просто, что давало потрясающую возможность передавать его на сотни и тысячи километров. Однако на тот момент не существовало двигателей, которые работали бы на переменном токе. Соответственно, не было и генерирующих станций, и сетей для передачи.
Изобретения Николы Теслы
Несомненное преимущество постоянного длилось недолго. Никола Тесла, работая инженером в фирме Эдисона, понял, что постоянный ток не может обеспечить человечество электроэнергией. Уже в 1887 году Тесла получил сразу несколько патентов на аппараты переменного тока. Началась целая борьба за более эффективные системы. Основными конкурентами Теслы были Томсон и Стенли. А 1888 году однозначную победу получил сербский инженер, который предоставил систему, способную транспортировать электрическую энергию на расстояния в сотни миль. Молодого изобретателя быстро взял к себе Вестингауз. Однако сразу же началось противостояние между компаниями Эдисона и Вестингауза. Уже в 1891 году была разработана Теслой система трехфазного переменного тока, что позволило выиграть тендер по строительству огромной электрической станции. С тех пор однозначно позицию лидера занял переменный ток. Постоянный же сдавал свои позиции по всем фронтам. Особенно когда появились выпрямители, способные преобразовывать переменный ток в постоянный, что стало удобно для всех приемников.
Определение переменного тока
В отличие от постоянного тока, переменный непрерывно меняется по направлению и по величине, причем эти колебания происходят в соответствии с периодическими законами, то есть повторяются через абсолютно равные интервалы времени. Чтобы создать такой ток в цепи, используют источники генерации переменного тока, которые создает ЭДС. Такого рода источник называют генератором переменного тока.
Пример простейшего генератора
В качестве самого простого источника используют прямоугольную рамку, изготовленную из меди, которая закреплена на оси и вращается в магнитном поле при помощи ременной передачи. Концы этой рамки припаяны контактными кольцами к медным, которые скользят по щеткам. Магнит создает равномерно распределенное в пространстве магнитное поле. Плотность силовых магнитных линий здесь одинакова в любой части. Вращающаяся рамка пересекает эти линии, и на ее сторонах индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). С каждым поворотом направление суммарной ЭДС меняется на обратное, так как рабочие стороны рамки за оборот проходят через разные полюса магнита. Так как меняется скорость пересечения силовых линий, то становится другой и величина электродвижущей силы. Поэтому если равномерно вращать рамку, то индуктированная электродвижущая сила периодически будет меняться как по направлению, так и по величине, ее можно измерить при помощи внешних приборов и, как следствие, использовать для того, чтобы создавать переменный ток во внешних цепях.
Синусоидальность
Что это такое? Переменный ток графически характеризуется волнообразной кривой — синусоидой. Соответственно, ЭДС, ток и напряжение, которые изменяются по этому закону, называются параметрами синусоидальными. Кривая так названа потому, что является изображением тригонометрической переменной величины — синуса. Именно синусоидальный характер переменного тока — наиболее распространенный во всей электротехнике.
Параметры и характеристики
Переменный ток – это явление, которое характеризуется определенными параметрами. К ним относят амплитуду, частоту и период. Последний (обозначается буквой Т) – это промежуток времени, в течение которого напряжение, ток или ЭДС совершает цикл полного изменения. Чем быстрее будет вращение ротора у генератора, тем период будет меньше. Частотой (f) называют количество полных периодов тока, напряжения или ЭДС. Она измеряется в Гц (герцах) и обозначает количество периодов за одну секунду. Соответственно, чем больше период, тем меньше частоты. Амплитудой такого явления, как переменный ток, называют наибольшее его значение. Записывается амплитуда напряжения, тока или электродвижущей силы буквами с индексом «т» — U_т I_т, Е_т соответственно. Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующее значение. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.