Принцип получения переменного тока: однофазного и трехфазного

Техника построения векторов

Техника построения векторов для двух э. д. с. поясняется рисунком 10, а. Слева на нем изображены синусоиды и ясно видно, что э. д. с. e₂ опережает e₁ на угол α. Справа э. д. с. e₁ изображена вектором E_1М, который расположен горизонтально (то есть так, чтобы его проекция на ось 1–1 была равна мгновенному значению e₁ в точке ) и стрелкой показано направление вращения 1. Затем по этому направлению отложен угол α и построен вектор э. д. с. E_2М.

Рисунок 10. Определение сдвига фаз при помощи вектора

Построение можно выполнить иначе. После построения вектора E_1М (который расположен горизонтально) через точку пересечения синусоиды e₂ с вертикалью 2–2 проведена горизонтальная штриховая линия (она отсекает мгновенное значение э. д. с. e₂, соответствующее точке ). Затем радиусом длиной E_2М из точки ‘ как из центра сделана засечка, после чего построен вектор E_2М. При таком построении угол α получается автоматически.

Примеры векторных диаграмм (то есть совокупности векторов, изображающих синусоидальные величины одинаковой частоты для различных углов сдвига фаз между e₁ и e₂) даны на рисунке 10, б–е.

Обратите особое внимание на рисунок 10, е, который соответствует рисунку 10, г и показывает, что как бы ни располагалась на чертеже векторная диаграмма, сдвиг фаз от этого на ней не изменяется и это весьма важно

Способы

Таким образом, для получения переменного тока достаточно вращать в поле постоянного магнита проволочную рамку с подсоединенной к ее концам электрической цепью. Источником энергии выступает сила, вращающая рамку и преодолевающая сопротивление магнитного поля.

Каждые пол-оборота проводники рамки меняют направление движения относительно полюсов магнита, соответственно, меняется и направление ЭДС в рамке.

Получение переменного тока

Угол между вектором скорости и силовыми линиями поля меняется по закону α = w*t, где:

W — угловая скорость вращения рамки, рад/с;
T — время, прошедшее с начального момента, когда вектор скорости был параллелен силовым линиям, с.

То есть ЭДС зависит от sin (wt): E = f (sin (wt)). Следовательно, график изменения значения ЭДС с течением времени имеет вид синусоиды. Вызванный этой ЭДС переменный ток называют, соответственно, синусоидальным.

Описанный простейший генератор можно усовершенствовать:

постоянный магнит меняют на электрический, размещая в статоре несколько катушек (обмотка возбуждения). В итоге получают равномерное магнитное поле и тем самым добиваются идеальной синусоидальности ЭДС (повышается качество работы приборов). Обмотку возбуждения питает маломощный генератор постоянного тока либо аккумулятор;
вместо одной рамки размещают на роторе несколько: ЭДС кратно увеличивается. То есть ротор также представляет собой обмотку.

Проблемная часть такого генератора — подвижный контакт между вращающимся ротором и электрической цепью.

Он состоит из медного кольца и графитовых щеток, прижимаемых к кольцу пружинами. Чем выше мощность генератора, тем менее надежен этот узел: он искрит, быстро изнашивается. Поэтому в мощных промышленных генераторах, установленных на электростанциях, обмотки статора и ротора меняют местами: обмотку возбуждения размещают на роторе, а индуцирующую — на статоре.

Подвижный контакт остается, но из-за малой мощности обмотки возбуждений требования к нему снижаются. Частота промышленного переменного тока — 50 Гц. То есть напряжение периодически меняет направление и величину 50 раз в секунду или 3000 раз в минуту. При наличии 2-х полюсов в обмотке возбуждения для достижения такой частоты и ротор должен вращаться со скоростью 3000 об/мин.

В генераторах тепловых и атомных электростанций так и происходит. Но в гидроэлектростанциях вращать ротор с такой скоростью невозможно физически: движителем служит падающая вода, а ее скорость намного меньше скорости перегретого пара с давлением в 500 атм.

Кроме того, ротор гидростанции имеет огромные размеры и при частоте вращения в 3000 об/мин.

Его удаленные от центра участки двигались бы со скоростью сверхзвукового истребителя, что приведет к разрушению конструкции. Для сокращения количества оборотов увеличивают число пар полюсов в электромагните. Частота вращения при этом составит W = 3000 / n, где n — число пар полюсов. То есть при наличии 10-ти пар полюсов для генерации переменного тока с частотой 50 Гц ротор необходимо вращать со скоростью всего 300 об/мин, а при 20-ти парах — 150 об/мин.

В электротехнике практикуют и другой способ получения переменного тока — преобразованием постоянного. Применяется электронное устройство — инвертор, состоящее из силовых транзисторов, управляющей ими микросхемы и прочих элементов. На выходе инвертора можно получить переменное напряжение любой величины и частоты. Самые простые схемы выдают прямоугольное переменное напряжение, более сложные и дорогие — стабилизированное синусоидальное.

Примеры применения инверторов:

импульсные блоки питания и инверторные сварочные аппараты. Сетевой ток с частотой 50 Гц выпрямляется и затем подается на инвертор, дающий на выходе переменный ток с частотой 60-80 кГц. Назначение: при столь высокой частоте резко уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем, то есть устройство в целом становится более компактным и экономичным;
автономные дизельные и бензиновые генераторы для питания оборудования, чувствительного к качеству напряжения. Дизель-генератор в чистом виде дает низкокачественный ток, поскольку при преобразовании нагрузки частота вращения вала у него меняется. Инвертор устраняет все эти колебания и дает на выходе стабильное, качественное напряжение;
ЛЭП на постоянном токе.

Передавать особенно значительные мощности на сверхбольшие расстояния по ряду причин выгоднее постоянным током, а не переменным. В конечной точке его преобразуют инвертором в переменный промышленной частоты и отправляют в местную энергосистему.

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.

Цепи постоянного тока

Всем известно, что на постоянном токе трансформаторы не работают, тогда как в таких случаях повысить напряжение? В большинстве случаев постоянку повышают с помощью дросселя, полевого или биполярного транзистора и ШИМ-контроллера. Другими словами, это называется бестрансформаторный преобразователь напряжения. Если эти три основных элемента соединить как показано на рисунке ниже и на базу транзистора подавать ШИМ сигнал, то его выходное напряжение повысится в Ku раз.

Ku=1/(1-D)

Также рассмотрим типовые ситуации.

Допустим вы хотите сделать подсветку клавиатуры с помощью небольшого отрезка светодиодной ленты. Для этого вполне хватит мощности зарядного от смартфона (5-15 Вт), но проблема в том, что его выходное напряжение составляет 5 Вольт, а распространенные типы светодиодных лент работают от 12 В.

Тогда как повысить напряжение на зарядном устройстве? Проще всего повысить с помощью такого устройства как «dc-dc boost converter» или «импульсный повышающий преобразователь постоянного напряжения».

Такие устройства позволяют повысить напряжение с 5 до 12 Вольт, и продаются как с фиксированной величиной, так и регулируемые, что позволит в большинстве случаев поднять с 12 до 24 и даже до 36 Вольт. Но учтите, что выходной ток ограничен самым слабым элементом цепи, в обсуждаемой ситуации – током на зарядном устройстве.

При использовании указанной платы выходной ток будет меньше входного во столько раз, во сколько поднялось напряжение на выходе, без учета КПД преобразователя (он в районе 80-95%).

Подобные устройства строят на базе микросхем MT3608, LM2577, XL6009. С их помощью можно сделать устройство для проверки реле регулятора не на генераторе автомобиля, а на рабочем столе, регулируя значения с 12 до 14 Вольт. Ниже вы видите видео-тест такого устройства.

Интересно! Любители самоделок часто задают вопрос «как повысить напряжение с 3,7 В до 5 В, чтобы сделать Power bank на литиевых аккумуляторах своими руками?». Ответ прост – использовать плату-преобразователь FP6291.

На подобных платах с помощью шелкографии указано назначение контактных площадок для подключения, поэтому схема вам не понадобится.

Также часто возникающая ситуация — необходимость подключить к автомобильному аккумулятору 220В прибор, а бывает что за городом очень нужно получить 220В. Если бензинового генератора у вас нет – используйте автомобильный аккумулятор и инвертор, чтобы повысить напряжение с 12 до 220 Вольт. Модель мощностью в 1 кВт можно купить за 35 долларов – это недорогой и проверенный способ подключить 220В дрель, болгарку, котёл или холодильник к 12В аккумулятору.

Если вы водитель грузовика, вам не подойдёт именно указанный выше инвертор, из-за того, что в вашей бортовой сети скорее всего 24 Вольта

Если вам нужно поднять напряжение с 24В до 220В – то обратите на это внимание при покупке инвертора

Хотя стоит отметить, что есть универсальные преобразователи, которые могут работать и от 12, и от 24 вольт.

В случаях, когда нужно получить высокое напряжение, например, поднять с 220 до 1000В, можно использовать специальный умножитель. Его типовая схема изображена ниже. Он состоит из диодов и конденсаторов. Вы получите на выходе постоянный ток, учтите это. Это удвоитель Латура-Делона-Гренашера:

А так выглядит схема несимметричного умножителя (Кокрофта-Уолтона).

С его помощью вы можете повысить напряжение в нужное число раз. Это устройство строится каскадами, от числа которых зависит сколько вольт на выходе вы получите. В следующем видео описан принцип работы умножителя.

Кроме этих схем существует еще множество других, ниже изображены схемы учетвертителя, 6- и 8-кратных умножителей, которые используются для повышения напряжения:

Наверняка вы не знаете:

Что такое линейное и фазное напряжение
Как сделать 380В из 220
Что такое ограничитель перенапряжения

Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока

Ученых и практиков от электротехники давно занимает вопрос соединения воедино положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня ни у кого не вызывают удивления инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.

Не менее впечатляющими достижениями импульсной техники могут похвастаться производители источников бесперебойного питания, сетевых импульсных стабилизаторов напряжения, систем получения электроэнергии от альтернативных источников с возможностью аккумулирования и последующего преобразования запасенной энергии при возникновении потребности. Возможности импульсной техники изучены и использованы далеко не полностью. Мы в самом начале этого пути единения постоянного и переменного тока. Совсем не за горами автомобили на электричестве и прочие чудеса, которые станут явью с внедрением новых открытий и разработок в области импульсных источников электроэнергии.

Переменный электрический ток
(AC, аббревиатрура от англ. alternating current) — это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (~).

Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.

Основные параметры переменного тока

Для его описания используют следующие параметры (см. график):

Период (T)

— длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;
Частота (f)

— параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения — 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.
Амплитуда тока (Im)

— максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика — высота синусоиды;
Фаза

— состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.

Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.

Применение переменного тока

Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.

Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.