Для чего нужен постоянный ток

Где и почему используется постоянный ток

Нет сегодня ни одной области техники, где в том или ином виде не использовалось бы электричество. Между тем, с требованиями к электрическим аппаратам связан род тока, питающего их. И хотя переменный ток распространен нынче по всему миру очень широко, есть тем не менее области, где просто не обойтись без постоянного тока.

Первыми источниками годного к использованию постоянного тока были гальванические элементы, которые принципиально давали химическим путем именно постоянный ток, представляющий собой поток электронов, движущихся в одном неизменном направлении. От этого и название у него «постоянный ток».

Сегодня постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного тока. Как раз о том, где и почему используется в наш век постоянный ток, и пойдет речь в данной статье.

Начнем с тяговых двигателей электротранспорта. Метро, троллейбусы, теплоходы и электрички традиционно приводятся в движение двигателями, питаемыми постоянным током. Двигатели постоянного тока изначально отличались от двигателей тока переменного тем, что в них можно было плавно изменять скорость при сохранении высокого крутящего момента.

Переменное напряжение выпрямляется на тяговой подстанции, после чего подается на контактную сеть, — так получают постоянный ток для общественного электротранспорта. На теплоходах электричество для питания двигателей может быть получено от дизельных генераторов постоянного тока.

В электромобилях так же применяются моторы постоянного тока, которые питаются от аккумулятора, и здесь снова получаем преимущество в виде быстро развиваемого крутящего момента привода, и имеем еще один важный плюс — возможность рекуперативного торможения. В момент торможения мотор превращается в генератор постоянного тока и заряжает аккумулятор.

Мощные подъемные краны на металлургических заводах, где необходимо плавно орудовать огромного размера и чудовищной массы ковшами с расплавленным металлом — используют моторы постоянного тока опять же в силу их отличной регулируемости. Это же преимущество относится к применению моторов постоянного тока в шагающих экскаваторах.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока способны развивать огромные скорости вращения, измеряемые десятками и сотнями тысяч оборотов в минуту. Так, высокоскоростные электродвигатели постоянного тока небольших размеров устанавливают на жесткие диски, квадрокоптеры, пылесосы и т. д. Незаменимы они и в качестве шаговых приводов управления различными шасси.

Само по себе прохождение электронов и ионов в одном направлении при постоянном токе делает постоянный ток принципиально незаменимым при осуществлении электролиза.

Реакция разложения в электролите, под действием в нем постоянного тока, позволяет осадить на электродах определенные элементы. Так получают алюминий, магний, медь, марганец и другие металлы, а также газы: водород, фтор и т.д, и многие прочие вещества. Благодаря электролизу, то есть по сути — постоянному току, существуют целые отрасли металлургии и химической промышленности.

Гальванотехника немыслима без постоянного тока. Металлы осаждают на поверхность изделий различной формы, таким образом осуществляют в частности хромирование и никелирование, создают печатные формы и металлические монументы. Что и говорить о применении гальванизации в медицине для лечения болезней.

Сварка на постоянном токе гораздо эффективнее, чем на токе переменном, шов получается на много более качественным, чем при сварке того же изделия тем же электродом, но током переменным. Все современные сварочные инверторы выдают на электрод постоянное напряжение.

Мощные дуговые лампы, устанавливаемые в кинопроекторах многочисленных профессиональных киностудий дают ровный свет без гудящей дуги как раз благодаря питанию дуги постоянным током. Светодиоды, так те принципиально питаются током постоянным, именно поэтому большинство сегодняшних прожекторов питаются постоянным током, хотя и получаемым путем преобразования переменного сетевого тока или же от аккумуляторов (что иногда очень даже удобно).

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля хоть и питается бензином, однако стартует он от аккумулятора. И здесь постоянный ток. Стартер получает питание от батареи с напряжением в 12 вольт, и в момент старта забирает от нее ток в десятки ампер.

После старта аккумулятор в автомобиле заряжается генератором, который вырабатывает переменный трехфазный ток, тут же выпрямляемый и подаваемый на клеммы аккумулятора. Переменным током аккумулятор не зарядишь.

А резервные источники питания? Если даже огромная электростанция встала из-за аварии, то и здесь дать старт турбогенераторам помогут вспомогательные аккумуляторы. И самые простые домашние источники бесперебойного питания компьютеров — тоже не обойдутся без аккумуляторов, дающих постоянный ток, из которого путем преобразования в инверторе получается ток переменный. А сигнальные лампы и аварийное освещение — почти везде питается от аккумуляторов, то есть и здесь пригодился постоянный ток.

Подводная лодка — и та использует на борту постоянный ток для питания электродвигателя, вращающего гребной винт. Вращение турбогенератора на самых современных атомоходах хотя и достигается путем ядерных реакций, однако электроэнергия подается на двигатель в виде все того же постоянного тока. Это же касается и дизель-электрических субмарин.

И конечно, не только электровозы шахт, погрузчики или электрокары используют постоянный ток от аккумуляторов. Все электронные гаджеты, которые мы носим с собой, содержат литиевые аккумуляторы, которые выдают постоянное напряжение и заряжаются постоянным током от зарядных устройств. А если вспомнить радиосвязь, телевидение, радио- и теле- вещание, интернет и т. д. На самом деле выходит, что добрая часть всех устройств питается прямо или косвенно постоянным током от аккумуляторов.

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

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Постоянный и переменный ток

Что такое переменный ток и постоянный? Все неоднократно слышали об этих понятиях, да и в обиход они вошли настолько широко и плотно, как само собой разумеющееся.

В данной статье поговорим о природе этих физических явлений и о том, какое применение они находят в реальной жизни.

Переменный ток – что это такое?

Переменный ток – упорядоченное движение заряженных частиц или, иначе говоря, электрический ток, который с течением времени меняет свое направление и величину по определенному закону с заданной частотой.

Переменный ток широко применяется в быту и в промышленности. Производится он традиционно на различного рода электростанциях — ТЭЦ, ТЭС, ГЭС, АЭС и др. И всех их объединяет одно, независимо от используемого источника энергии (энергии воды, сжигаемого топлива, ядерной энергии и т.д.) – наличие генераторов переменного тока, преобразующих механическую энергию вращения в электрическую.

Чем отличается переменный ток от постоянного?

Отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что последний всегда неизменен по величине и направлению движения.

Однако, отделить постоянный ток и переменный друг от друга в наше время невозможно, так как чаще всего используется их сочетание, когда они преобразуются друг в друга по необходимости. Так, переменный ток сети преобразуется в блоках питания сложной электроники в постоянный. Переменный ток, вырабатываемый генератором автомобиля, «выпрямляется» диодным мостом и далее заряжает АКБ, питая бортовые устройства. Или постоянный ток, вырабатываемый, например, солнечной электростанцией, посредством инвертора преобразуется в переменный и подается в сеть.

Это явление нашло массовое применение во всем мире по одной простой причине — как наиболее экономически целесообразный способ производства и передачи электроэнергии до потребителя. Ведь, например, построить отдельную станцию для каждого потребителя невозможно и дорого. А передать электроэнергию оттуда, где ее можно произвести в силу подходящего географического расположения, близости к природным ресурсам — вполне даже реально. К тому же, само оборудование для генерации и преобразования переменного тока гораздо проще конструктивно, надежнее и, соответственно, дешевле, чем оборудование постоянного тока.

При этом трехфазная схема электрического тока, наиболее сбалансированная из возможных, позволяет создавать вращающееся магнитное поле, так необходимое для работы применяемых повсюду электрических двигателей. А почему именно 3 фазы? Две обмотки не обеспечат непрерывное равномерное взаимодействие магнитных полей, а четыре и более избыточны, так как приведут к удорожанию электрических сетей. И самое основное преимущество системы – возможность легко и просто изменять величину генерируемого напряжения с помощью повышающих и понижающих трансформаторов. А чем выше напряжение, тем дальше можно передать электроэнергию и тем меньше тепловые потери энергии при передаче. А уже ближе к потребителю напряжение снижается до необходимого нормируемого уровня при помощи понижающих трансформаторов, и подводится посредством ВЛЭП или КЛ к электроустановкам потребителя.

Постоянный ток также нашел обширное применение во всех областях деятельности человека, в первую очередь благодаря аккумуляторам, в которых посредством химической реакции возникает так называемый гальванический ток. Все без исключения современные автономные портативные устройства питаются от АКБ.

Если говорить об автономности, то безоговорочно область применения постоянного тока распространяется на бортовые системы любых автомобилей, летательных аппаратов, электропоездов. В последнее время с развитием высокопроизводительных источников питания свою нишу занял и колесный транспорт на электротяге – электромобили, скутеры, электробусы, электробайки. Плюс в том, что двигатели постоянного тока позволяют плавно развивать скорость и высокий крутящий момент во всех диапазонах оборотов.

Кроме того, постоянный ток безальтернативно используется в микроэлектронике, в средствах связи и прочей технике, то есть там, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций и даже вовсе их исключить.

Чтобы узнать больше, смотрите наше видео, в котором мы подробно рассказываем о явлении переменного и постоянного тока.

блог

Почему мы используем в домашних хозяйствах переменный ток, а не постоянный?

13 мая 2023 г.

Электричество — одна из самых интересных тем, потому что большинство приборов, которые мы используем сегодня, работают на нем.

Однако есть разница в типе электричества, которое мы используем для работы по дому. Существует два основных вида электрического тока, т. е. переменный ток и ДК.

AC обозначает переменный ток, а DC обозначает постоянный ток. Между ними есть существенная разница. Что касается бытового электроснабжения, то в основном это переменный ток.

DC не используется в домашних хозяйствах. Если вы хотите узнать, почему мы используем в домашнем хозяйстве переменный ток, а не постоянный, следуйте этому руководству.

В этой статье мы собираемся обсудить переменный и постоянный ток и объяснить вам, почему мы используем переменный ток вместо постоянного в домашних хозяйствах.

Что такое переменный ток?

Переменный ток это тип тока, который течет в прямом и обратном направлении. Разница между постоянным током и переменным током заключается в их направленности.

В то время как постоянный ток течет в одном направлении, переменные цепи периодически меняют направление потока и изменяют величину сигнала.

Вот почему переменные цепи более эффективны. Разница между источниками питания постоянного и переменного тока важна для выбора правильного источника питания.

Переменный ток меняет свою полярность и величину через случайные промежутки времени. Заряженные частицы переменного тока начинают свое путешествие с нуля, увеличиваются до максимума и снова уменьшаются до нуля. В конце каждого положительного цикла они ударяют по мячу на противоположном конце линии, отталкивая его от группы. Таким образом, переменный ток меняет свое направление и достигает своего первоначального значения.

Как видите, переменные токи имеют разные свойства и используются для разных целей. Он используется во многих отраслях промышленности, таких как производство и строительство. Если вы изучаете электричество, вы, вероятно, уже знаете, что переменный ток более эффективен, чем постоянный.

Что Постоянный ток?

Постоянный ток — это однонаправленный поток электрического заряда через материал. Этот тип тока может протекать через проводник, изолятор или вакуум.

Однако, в отличие от переменного тока, он течет только в одном направлении. Электронные или ионные пучки в рентгеновских лучах также являются примерами постоянного тока. Важно понимать, что постоянный ток и переменное электричество — это не одно и то же. Оба типа токов имеют свои преимущества и недостатки, но оба типа могут использоваться для специализированных целей.

Если вы не знакомы с энергосистемами, DC относится к тем, которые используют только одну полярность для напряжения и тока. Это означает, что все напряжения и токи постоянны.

В бытовых условиях постоянный ток используется в электронном оборудовании. Этот вид энергии используется в автоматизации, компьютерах, электромобилях и бытовой технике. Это также тип электрической энергии, используемой для питания лампочки.

В отличие от переменного тока, который течет в любом направлении, постоянный ток течет только в одном направлении. Ранее этот вид энергии был известен как гальванический ток.

Разница между переменным и постоянным током:

Хотя мы слышали и о переменном, и о постоянном токе, мы часто задаемся вопросом, в чем разница между ними. Эти два типа электричества поступают из двух разных источников, то есть из электросети и вашего дома.

На самом деле, электричество, которое питает ваш дом, обычно представляет собой энергию переменного тока, доставляемую в ваш дом через ваши розетки. В то время как переменный ток может быть более удобным в использовании и часто более эффективным в определенных приложениях, многие электронные устройства и бытовые приборы предпочитают постоянный ток, потому что он обеспечивает постоянный и плавный ток.

Когда домашнее хозяйство работает на электричестве, важно понимать, чем переменный ток отличается от постоянного. Постоянный ток менее опасен, чем переменный ток, но он не может распространяться так далеко, как переменный ток. Обе формы электричества генерируются одним и тем же устройством.

Например, солнечные панели генерируют постоянный ток. Точно так же батареи производят постоянный ток и могут использоваться для хранения энергии и светодиодного освещения. Хотя оба типа питания безопасны в использовании, переменный ток, как правило, безопаснее, особенно если вы используете его в мощном устройстве.

Переменный ток более эффективен, чем постоянный, но более опасен, чем постоянный. Он имеет более высокое напряжение и с большей вероятностью может вызвать поражение электрическим током, чем постоянный ток. Это также более безопасный способ питания устройства, если вам не нужно использовать слишком много электроэнергии.

Почему мы используем в домашних хозяйствах переменный ток, а не постоянный?

Электрический ток (AC) представляет собой поток заряда по медным проводам. Постоянный ток течет в одном направлении, которое называется постоянным током. AC, с другой стороны, периодически меняет направление.

Это позволяет электричеству двигаться в одном направлении, а источник переменного тока используется для питания домов и предприятий. Постоянный ток обычно встречается в батареях и используется в некоторых промышленных приложениях.

В отличие от постоянного тока, который имеет плоскую линию, переменный ток может повышать свое напряжение. Энергетические компании, например, используют электрические трансформаторы для повышения напряжения. Высоковольтные линии несут электроэнергию по всей стране. Использование этого метода намного доступнее и надежнее. Его также намного проще установить, чем проводку постоянного тока, поэтому это отличный вариант для большинства домашних хозяйств.

Мощность переменного и постоянного тока — это два типа тока, которые различаются из-за их полярности. Постоянный ток (DC) является наиболее распространенным видом электричества в мире и используется в большинстве электрических устройств и бытовых приборов.

Однако постоянный ток не так часто используется в домашних хозяйствах. Это связано с тем, что постоянный ток производит больше тепла и пожароопасности, а преобразование высокого напряжения в низкое стоит дороже.

Мощность переменного тока более эффективна, чем мощность постоянного тока. Передача на большие расстояния безопасна, но у нее есть недостатки. Хотя постоянный ток безопаснее при прямом контакте с равным напряжением, он менее надежен на больших расстояниях. Но преимущества переменного тока того стоят. Если вы хотите, чтобы ваш дом работал, а электроника работала, используйте переменный ток.

Источник переменного тока позволяет легко изменять напряжение. Энергетические компании используют электрические трансформаторы для повышения напряжения. Затем электричество передается по высоковольтным линиям. Помимо обеспечения более высокого напряжения, мощность переменного тока также более эффективна при передаче энергии, что упрощает ее передачу в дома.

Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки

Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?

Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.

Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.

Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.

I₁ = P/U₁ = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.

I₂ = P/U₂ = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.

Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.

Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.

P_пот1 = I₁ 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.

P_пот2 = I₂ 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.

Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.

Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.

Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.

Преимущества переменного тока

Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.

Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.

Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.

Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.

Недостатки постоянного тока

Из выше изложенного следуют такие недостатки.

1. Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
2. Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
3. Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.

Недостатки переменного тока

1. Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.

Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.

1. Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.

Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.

Преимущества постоянного тока

1. Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
2. Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.

Выводы: постоянный или переменный ток

Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.

Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.