Каким образом можно получить переменный ток

Производство и передача переменного электрического тока

Переменным током называется ток, величина и направление которого периодически меняются. Именно благодаря переменному току в наших домах сегодня есть свет и тепло. Только благодаря переменному току работают все промышленные предприятия и производства нашего времени. Не будь переменного тока, технологический прогресс современной цивилизации был бы попросту невозможен.

Для получения переменного тока используются электромеханические устройства, называемые индукционными генераторами. В них получаемая тем или иным способом механическая энергия передается ротору, ротор вращается, в результате механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию посредством электромагнитной индукции.

Напомним, что если вращать магнит внутри проводящей рамки, то в рамке будет индуцироваться переменный ток. На этом принципе и работает генератор. Только в промышленном генераторе роль рамки играет статор, а роль магнита — ротор с намагничивающей обмоткой, по сути — вращающийся электромагнит.

Принцип работы генератора переменного тока

Принцип получения переменного тока при работе генератора

Форма кривой напряжения и тока в фазе

Генерация трехфазного напряжения

В трехфазной симметричной системе электроснабжения U _A1 + U _B1 + U _C1 = 0

В промышленном генераторе статор представляет собой огромную стальную конструкцию в виде кольца с пазами на его внутренней стороне. В эти пазы уложена медная трехфазная обмотка. Магнитное поле, как мы уже сказали, создается ротором, который представляет собой стальной сердечник с парой (или с несколькими парами, в зависимости от номинальной скорости вращения ротора) полюсов, формируемых током обмотки ротора. Постоянный ток подается к обмотке ротора от возбудителя.

По принципиальной схеме двухполюсного индукционного генератора переменного тока легко понять, что силовые линии магнитного поля ротора пересекают витки обмотки статора, при этом один раз за один оборот магнитный поток ротора изменяет свое направление по отношению к одним и тем же виткам статора.

Таким образом в обмотке статора получается именно переменный ток, а не пульсирующий постоянный. Если речь идет об атомной электростанции, то механическое вращение ротор генератора получает от пара, который под огромным давлением подается на лопасти турбины сопряженной с ротором. Пар на атомной электростанции получается из воды, которая разогревается теплом от ядерной реакции, подводимым к воде через теплообменник.

В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц, это значит, что ротору двухполюсного генератора необходимо совершить 50 оборотов за секунду. Так, на атомной электростанции ротор совершает 3000 оборотов в минуту, что как раз и дает частоту генерируемого тока в 50 Гц. Направление генерируемого тока изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.

Обмотка генератора разделена на три части, поэтому переменный ток получается трехфазным. Это значит, что в каждой из трех частей обмотки статора получаемые ЭДС смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Действующее значение генерируемого на электростанции напряжения может быть от 6,3 до 36,75 кВ, в зависимости от вида генератора.

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние, используются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Но если электричество передавать без преобразования, при том же напряжении какое выходит с генератора, то потери энергии при передаче окажутся колоссальными, и до конечного потребителя практически ничего не дойдет.

Дело в том, что потери энергии в передающих проводах пропорциональны квадрату величины тока и прямо пропорциональны сопротивлению проводов (см. Закон Джоуля-Ленца). Значит для более эффективной передачи и распределения электроэнергии, напряжение необходимо сначала в несколько раз повысить, чтобы во столько же раз уменьшился ток и следовательно сильно сократились транспортные потери. И только повышенное напряжение имеет смысл передавать на ЛЭП.

Поэтому электричество от электростанции сначала подается на трансформаторную подстанцию. Здесь напряжение повышается до 110-750 кВ и только после — подается на провода ЛЭП. Но потребителю необходимо 220 или 380 вольт, поэтому в конце линии высокое напряжение обратно понижают, при помощи опять же трансформаторных подстанций, до 6-35 кВ.

На подстанции вблизи нашего дома или встроенной в дом, установлен трансформатор. Здесь напряжение снова понижается — от 6-35кВ до 220 (380) вольт, которые уже раздаются потребителям. Через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

§46. Получение переменного тока

В промышленности в основном применяют синусоидальный переменный ток, который в отличие от постоянного каждое мгновение изменяет свое значение и периодически направление. Для получения такого тока используют источники электрической энергии, создающие переменную э. д. с, периодически изменяющуюся по величине и направлению; такие источники называются генераторами переменного тока.

Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле (рис. 168, а). Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в процессе вращения витка направление э. д.с. е, индуцированной в рабочих участках 1 и 2 витка, непрерывно изменяется (показано стрелками), следовательно, изменяется и направление проходящего по замкнутой цепи тока i.

По закону электромагнитной индукции э. д. с, индуцируемая в витке при вращении его с окружной скоростью ? в магнитном поле с индукцией В,

2l — длина двух рабочих частей витка, находящихся в магнитном поле;

? — угол между направлением силовых магнитных линий и направлением движения витка в рассматриваемый момент времени (направлением вектора скорости ?).

При вращении витка с угловой скоростью ? угол ? = ?t, следовательно,

Переменный угол ? t называется фазой э. д. с. Величина 2lB ? представляет собой максимальное значение э. д. с. е, которое она принимает при ?t = 90° (когда плоскость витка перпендикулярна силовым магнитным линиям). Обозначив его Eт получим:

Полученная зависимость изменения э. д. с. е от угла ?t или от времени t графически изображается синусоидой (рис. 168,б). Э. д. с, токи и напряжения, изменяющие свои значения и направления по закону синусоиды, называются синусоидальными. Ось, по которой откладывают углы ? t, можно рассматривать как ось времени t.

Рассмотрим несколько отдельных положений витка. В момент времени, соответствующий углу ?t₁ (см. рис. 168, а), когда виток находится в горизонтальном положении, его рабочие участки как бы скользят вдоль силовых магнитных линий, не пересекая их; поэтому в этот момент э. д. с. в них не индуцируется (точка 1 на рис. 168,б). При дальнейшем повороте витка стороны его начнут пересекать магнитные силовые линии. По мере увеличения угла поворота увеличивается и число силовых линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени, и соответственно возрастает индуцированная в витке э. д. с е.

В момент времени, соответствующий углу ?t₂, виток пересекает наибольшее число силовых магнитных линий, так как его рабочие участки 1 и 2 движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этот момент э. д. с. е достигает своего максимального значения Е_т (точка 2 на графике). При дальнейшем вращении витка число пересекаемых силовых линий уменьшается и соответственно уменьшается индуцированная в витке э. д. с. В момент времени, соответствующий углу рабочие участки витка опять как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, в результате чего э. д. с. е будет равна нулю (точка 3). Затем рабочие участки 1 и 2 витка вновь начинают пересекать магнитные силовые линии, но уже в другом направлении, поэтому в витке появляется э. д. с. противоположного направления. В момент времени, соответствующий углу ?t₄. при вертикальном расположении витка э. д. с. в достигает максимального значения — Е_т (точка 4), затем она уменьшается, и в момент времени, соответствующий ?t5, снова становится равной нулю (точка 5). При дальнейшем движении витка с каждым

Рис. 168. Индуцирование синусоидальной э. д. с. (а) и кривая ее изменения (б)

новым оборотом описанный выше процесс индуцирования э. д. с. будет повторяться.

В современных генераторах переменного тока магниты или электромагниты, создающие магнитное поле, обычно располагаются на вращающейся части машины — роторе, а витки, в которых индуцируется переменная э. д. с,— на неподвижной части генератора — статоре. Однако с точки зрения принципа действия генератора переменного тока безразлично, на какой части машины — роторе или статоре — расположены витки, в которых индуцируется переменная э. д. с.

Работа приемников электрической энергии при переменном токе. Если подключить к генератору переменного тока электрическую лампу (см. рис. 168, а), то нить ее будет периодически накаляться и остывать. Однако если частота изменений переменного тока достаточно велика, то нить лампы не будет успевать охлаждаться и глаз человека не будет улавливать изменений ее накала. Такие же условия имеют место и при работе электродвигателей переменного тока; такой двигатель при работе получает от источника импульсы переменного тока, следующие один за другим с большой частотой, и его ротор будет вращаться с постоянной частотой.

Каким образом можно получить переменный ток

Переменный ток – единственный на сегодняшний день способ дешевой передачи электроэнергии на расстояния. Он превосходит постоянный ток по ряду параметров, в том числе и по простоте трансформации. В этой статье мы расскажем, как получают переменный электрический ток в быту и на производстве.

Электромагнитная индукция и закон Фарадея

Майкл Фарадей в 1831 году открыл закономерность, в последствии названной его именем – закон Фарадея. В своих опытах он использовал 2 установки. Первая состояла из металлического сердечника с двумя намотанными и не связанными между собой проводниками. Когда он подключал один из них к источнику питания, то стрелка гальванометра, подключенного ко второму проводнику, дёргалась. Так было доказано влияние магнитного поля на движение заряженных частиц в проводнике.

Второй установкой является диск Фарадея. Это металлический диск, к которому подключено два скользящих проводника, а они в свою очередь соединены с гальванометром. Диск вращают вблизи магнита, а при вращении на гальванометре также отклоняется стрелка.

Итак, выводом этих опытов была формула, которая связывает прохождение проводника через силовые линии магнитного поля.

Здесь: E – ЭДС индукции, N – число витков проводника, который перемещают в магнитном поле, dФ/dt – скорость изменения магнитного потока относительно проводника.

На практике также используют формулу, с помощью которой можно определить ЭДС через величину магнитной индукции.

e = B*l*v*sinα

Если вспомнить формулу связывающую магнитный поток и магнитную индукцию, то можно предположить, как происходил вывод формулы выше.

Ф=B*S*cosα

Так зарождалась генерация тока. Но давайте поговорим, как получают переменный ток ближе к практике.

Способы получения переменного тока

Допустим у нас есть рамка из проводящего материала. Поместим её в магнитное поле. Согласно упомянутым выше формула, если рамку начать вращать, через неё потечет электрический ток. При равномерном вращении на концах этой рамки получится переменный синусоидальный ток.

Это связано с тем, что в зависимости от положения по оси вращения рамку пронизывает разное число силовых линий. Соответственно и величина ЭДС наводится не равномерно, а согласно положению рамки, как и знак этой величины. Что вы видите наг графике выше. При вращении рамки в магнитном поле от скорости вращения зависит как частота переменного тока, так и величина ЭДС на выводах рамки. Чтобы достичь определенной величины ЭДС при фиксированной частоте – делают больше витков. Таким образом получается не рамка, а катушка.

Получить переменный ток в промышленных масштабах можно таким же образом, как описано выше. На практике нашли широкое применение электростанции с генераторами переменного тока. При этом используются синхронные генераторы. Поскольку таким образом легче контролировать как частоту, так и величину ЭДС переменного тока, и они могут выдерживать кратковременные токовые перегрузки во много раз.

По числу фаз на электростанциях используются трёхфазные генераторы. Это компромиссное решение, связанное с экономической целесообразностью и техническим требованием создания вращающегося магнитного поля для работы электродвигателей, которые составляют львиную долю от всего электрооборудования в промышленности.

В зависимости от рода силы, которая приводит в движение ротор, число полюсов может быть различным. Если ротор вращается со скоростью 3000 об/мин, то для получения переменного тока с промышленной частотой в 50 Гц нужен генератор с 2 полюсами, для 1500 об/мин – с 4 полюсами и так далее. На рисунки ниже вы видите устройство генератора синхронного типа.

На роторе находятся катушки или обмотка возбуждения, ток к ней поступает от генератора-возбудителя (Генератор Постоянного Тока — ГПТ) или от полупроводникового возбудителя через щеточный аппарат. Щетки располагаются на кольцах, в отличие от коллекторных машин, в результате чего магнитное поле обмоток возбуждение не меняется по направлению и знаку, но меняется по величине – при регулировании тока возбудителя. Таким образом автоматически подбираются оптимальные условия для поддержки рабочего режима генератора переменного тока.

Итак, получить переменный ток в промышленных масштабах удалось способом, основанном на явлениях электромагнитной индукции, а именно с помощью трёхфазных генераторов. В быту используют и однофазные и трёхфазные генераторы. Последние рекомендуется приобретать для строительных работ. Дело в том, что большое число электрического инструмента и станков могут работать от трёх фаз. Это электродвигатели разнообразных бетономешалок, циркулярных пил, да и мощные сварочные аппараты также питаются от трёхфазной сети. Причем для таких задач подходят именно синхронные генераторы, асинхронные не подходят – из-за их плохой работы с устройствами, у которых большие пусковые токи. Асинхронные бытовые электростанции больше подходят для резервного электроснабжения частных домов и дач.

Электронные преобразователи

Однако не всегда рационально или удобно использовать бензиновые или дизельные бытовые электростанции. Есть выход – получить однофазный или трёхфазный переменный электрический ток из постоянного. Для этого используют преобразователи или, как их еще называют инверторы.

Инвертор – это устройство, которое преобразует величину и род электрического тока. В магазинах можно найти инверторы 12-220 или 24-220 Вольт. Соответственно эти приборы постоянные 12 или 24 Вольта превращают в 220В переменного тока с частотой в 50Гц. Схема простейшего подобного преобразователя на базе драйвера для полумостового преобразователя IR2153 изображена ниже.

Такая схема выдаёт модифицированную синусоиду на выходе. Она не совсем подходит для питания индуктивной нагрузки, типа двигателей и дрелей. Но если не на постоянной основе – то вполне можно использовать и такой простой инвертор.

Преобразователи постоянного тока в переменный с чистой синусоидой на выходе стоят значительно дороже, а их схемы значительно сложнее.

Важно! Приобретая дешевые платы-модули с «алиэкспресс» не рассчитывайте ни на чистый синус, ни на 50Гц частоту. Большинство таких устройств выдают высокочастотный ток с напряжением 220В. Его можно использовать для питания различных нагревателей и ламп накаливания.

Мы кратко рассмотрели принципы получения переменного тока в домашних условиях и в промышленных масштабах. Физика этого процесса известна уже почти 200 лет, тем не менее основным популяризатором этого способа получить электрическую энергию был Никола Тесла в конце XIX — первой половине XX века. Большинство современного бытового и промышленного оборудования ориентированы на использования именного переменного тока для электропитания.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором наглядно показывается как работает генератор переменного тока:

Наверняка вы не знаете:

• Чем отличается переменный ток от постоянного
• Способы понижения напряжения
• Как получить электричество из земли

Опубликовано 26.11.2018 Обновлено 26.11.2018 Пользователем Александр (администратор)

Как происходит получение переменного тока

Большая часть населения Земли пользуется электричеством. Но мало кто знает, что в дома поступает переменный ток. Такой электроток с течением времени изменяется векторно (то есть, меняется направление) и количественно (меняется численная величина). На электроприборах обозначается значками или . Способ получения переменного электротока известен уже почти двести лет. Его основным популяризатором был Никола Тесла.

Промышленное получение электротока

Многим интересно знать, где происходит промышленное получение переменного тока. Для этого используют электростанции. Они бывают нескольких видов. В основном это гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС), тепловые (ТЭС). Электроток на них получают, пользуясь принципом электромагнитной индукции.

Получение и передача переменного электрического тока на тепловых электростанциях требует турбогенератора, при помощи которого энергия используемого сгораемого топлива генерируется в переменный электроток. На гидроэлектростанциях механическая энергия воды преобразуется в электрическую гидрогенератором. На АЭС получение переменного электрического тока происходит при расщеплении урана в реакторах.

Электричество передается в дома по линиям электропередач. Использование ЛЭП позволяет поставлять электроэнергию на очень далекие расстояния. Так как прохождение электроэнергии связано с некоторыми потерями за счет нагревания проводов, при транспортировке обычно уменьшают силу тока, а напряжение увеличивают. Для этого используют повышающие трансформаторы, а перед подачей в дома электронапряжение уменьшают до 220 Вольт, но уже понижающими трансформаторами.

Описательные величины

Есть некоторые физические параметры, которые описывают переменный электроток:

• Амплитуда колебаний. Это максимальное отклонение силы электротока I от среднего значения. Амплитуда колебаний выражается в тех же единицах измерения, что и основная величина. Так как в качестве единицы измерения тока используют ампер, то и у амплитуды колебаний та же размерность.
• Циклическая частота колебаний. Это количество полных колебаний I за 2π секунд. Размерность циклической частоты — рад/с (радиан за секунду) либо 1/c (радиан — это безразмерная величина), а также секунда в -1 степени.
• Период колебаний. Это время одного полного колебания. Размерность — секунды.
• Частота колебаний. Величина, обратная периоду колебаний. Это число колебаний в единицу времени. Размерность — герцы (Гц) либо секунда в -1 степени. Стоит отметить, что в разных странах частота электротока, пускаемого по линиям электропередач, разная. В большинстве стран она составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц. В Японии используется и тот, и другой стандарты.

В электросетях используется синусоидальный ток, который изменяется по гармоническому закону (закон косинуса или синуса):

Данная формула считается упрощенной, поскольку для нее принимается, что начальное время t₀ = 0. Если отсчет времени начинается не с 0, то выражение принимает вид:

I = I₀ * sin(ω * t + φ), где добавляется начальная фаза колебаний. Именно по этой формуле рассчитывается величина переменного тока.

На представленном рисунке видно, что одна ось координат — это I (переменный электроток), а другая ось — это t (время). Соответственно, график показывает зависимость I от t, то есть, зависимость тока от времени. В положениях 1, 3, 5, 7, 9, 11 наблюдается наибольшее значение амплитуды. Такой график называется синусоидой.

Как возникает электроток

После того как была представлено выражение для нахождения величины переменного электротока, следует разобраться, откуда он берется. Постараемся объяснить это кратко и просто.

Принцип получения переменного тока основывается на явлении электромагнитной индукции, которая описывается законом Фарадея. Чтобы лучше понять, рассмотрим картинку. На ней изображено самое простое устройство для получения переменного тока.

Есть рамка, сделанная из проводящего материала. Она помещается в магнитное поле. Стрелки на рисунке — это силовые линии магнитного поля. При равномерном вращении на концах контура появляется синусоидальный ток. Это связано с тем, что рамку каждый раз пронизывает разное количество силовых линий, что объясняется законом Фарадея. К тому же, в законе учитывается скорость вращения, следовательно, и частота, и период. Эти характеристики, как говорилось выше, описывают главное понятие статьи — переменный электроток.

Как уже было замечено, электроэнергию можно получить, используя энергию воды, атома, ветра или солнца. Преобразованием занимаются устройства, которые называются генераторами. Все они работают по схожему алгоритму.

Основные составные части генератора: статор — неподвижная часть, ротор — подвижная. Можно запомнить так: статика — это отсутствие движения, поэтому неподвижная часть называется статором, а подвижная, соответственно, ротором.

Статор — это цилиндр пустотелый внутри. Там находится провод из меди. В нем благодаря переменному магнитному потоку, создаваемому вращающимся ротором, возникает переменный электроток.

Ротор — это электромагнит, по которому течет постоянное электричество. Вращается механической силой, например, водой или паром. При вращении магнитное поле меняется, поэтому меняется и магнитный поток в статоре, в результате образуется переменный электроток.

Если посмотреть внимательно, то вокруг ротора находится контур с большим количеством витков. В таком случае его называют катушкой.

Трехфазная и однофазная системы

В быту обычно пользуются электросхемами для однофазного переменного тока, но он может быть и трехфазным. Трехфазный ток — это три независимых переменных напряжения, смещенные по фазе на 120 градусов.

Если в квартиру вводится 2 провода (фаза и ноль), то система является однофазной и обеспечивает рабочее электронапряжение 220 В. Если же 4 провода (три фазы и ноль), то система трехфазная с рабочим электронапряжением 380 В.

Применение трех фаз предоставляет следующие преимущества:

• Снижается энергопотребление.
• Загрузка электросетей распределяется более равномерно.
• Выше производительность электросети.
• Возможность подключения промышленных машин.

Основной минус — дороговизна. Использование трехфазовой системы наблюдается обычно в частных домах, для квартиры лучше подходит однофазовая.

В быту в некоторых случаях может практиковаться получение переменного однофазного или трехфазного тока из постоянного. Для этого применяют специальный прибор — инвертор. С его помощью постоянные 12 или 24 В можно превратить в 220 В переменного электротока частотой 50 Гц.