Получение переменной ЭДС: краткое описание данного процесса

Вопросы и ответы

Что такое переменный ток

Переменный ток – это электрический ток, который регулярно меняет направление (полярность). Во всем мире электрическая энергия чаще всего передается с синусоидальным напряжением. Причинами такого предпочтения являются простота генерации и простота преобразования синусоидального напряжения.

Простейшую форму переменного напряжения можно получить, периодически меняя полярность источника постоянного напряжения. Это напряжение не используется для крупномасштабного электроснабжения. Причина кроется в расширенном частотном спектре такой формы волны, что приводит к большому расходу энергии на преобразование и передачу электроэнергии на большие расстояния.

Графическое представление синусоидальной ЭДС

На практике в блоке питания используется только синусоидальное напряжение. Графическое представление на временной оси такого напряжения дает типичную синусоиду. Помимо однофазного, для привода электродвигателей используется трехфазное переменное напряжение.

Принцип работы сети переменного тока

Чтобы понять, что такое фаза в электричестве, нужно представить характеристики переменного тока. Отличается от постоянной периодическими изменениями, как по смыслу, так и по направлению. Его характеристиками являются напряжение в данный момент времени и частота (отношение числа циклов к единице времени). Переменный ток находится в розетках и напрямую подключен к электрощиту.

Однофазный ток

Он подается от распределительного щита по двум проводам (фазе и нейтрали), между которыми находится напряжение 220 вольт. В электричестве фаза — это провод, по которому электрический ток проводится к розетке или электроприбору. Что такое ноль в электричестве? Это снова кабель, идущий от розетки, по которому ток направляется обратно.

Иногда вопрос, что интересует ноль, связан с заземлением. Физически это разные провода, хотя потенциалы у них одинаковые. Однофазный ток может подаваться к потребителю как двумя проводами (без заземления), так и тремя (с ним). Заземление выполняется для отвода утечки, защиты жильцов от поражения электрическим током и техники от перегрузки.

Двухфазный ток

Это комбинация двух однофазных, сдвинутых друг относительно друга на 90°. Конструктивно это выглядит как комбинация двух фазных проводов (с заданным сдвигом) и двух нулевых.

Как образуется переменный ток

Для того, чтобы заряды двигались по проводнику, а это сила тока, необходимо наличие источника тока. Этот источник создает электродвижущую силу, которая заставляет заряды двигаться. В постоянных источниках это могут быть химические, механические и другие средства достижения этой мощности. Для промышленного переменного источника в основном используется механический метод.

Чтобы понять этот метод, представьте металлическую проволоку, согнутую в рамку. Затем мы занесем его в подковообразный магнит. Под действием магнитного поля свободные электроны будут двигаться к одному из концов рамки. Если его повернуть на 180°, магнитное поле переместит электроны на другой конец рамки. В тот момент, когда рамка вращалась, заряды двигались и создавали ток.

Если рамка вращается с определенной скоростью, в ней также будут двигаться заряженные частицы. Если изобразить движение электрона по рамке графически, то получится синусоида. Он покажет, как напряжение увеличивается по мере приближения рамки к магниту и уменьшается по мере удаления от магнита.

Конечно, обычным вольтметром такое напряжение определить вряд ли удастся, но если каркас состоит из множества проводов, то напряжение будет повышаться.

То же самое происходит и на электростанциях. Большие катушки вращаются внутри постоянных магнитов или магниты вращаются вокруг катушек, что не влияет на принцип работы. Таким образом получается переменное напряжение, которое, в отличие от постоянного, меняет направление или силу.

История открытия переменного напряжения

Постоянный ток известен давно, но серьезное отношение к нему проявлял немецкий физик Георг Симон Ом. Закон, названный в его честь, был введен в действие в 1826 году. Его предприятие подхватил Томас Алва Эдисон, американский предприниматель и изобретатель.

В 1884 году ученый, изобретатель, инженер, физик Никола Тесла устроился на работу в Эдисон. Его заинтересовала идея создания электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Сегодня такой двигатель называют асинхронным. Работая у Эдисона, молодой изобретатель усовершенствовал электродвигатели своего работодателя, но вместо ожидаемого вознаграждения получил лишь насмешки.

Покинув Эдисона, Тесла какое-то время был без гроша в кармане, пока наконец не встретил нужных людей. Дальнейшая жизнь прошла в воплощении некоторых его мечтаний и постоянной борьбе со сторонниками постоянного тока в лице Томаса Эдисона. Эта битва продолжалась даже после гибели участников и завершилась в 2007 году полной победой AC над DC.

Почему переменный ток используется чаще постоянного?

Короткий ответ на этот вопрос заключается в том, что все дело в универсальности. Что можно сделать с переменным напряжением, вот несколько направлений:

  • пройти трансформацию;
  • изменить частоту;
  • получать многофазные цепи;
  • обеспечивает лучшую производительность в определенных областях.

Одним из главных преимуществ является возможность трансформации. Правда постоянное напряжение можно изменить и с помощью делителя или умножителя напряжения, но это будет электрическая схема. Для гальванической развязки требуется трансформатор с двумя или более независимыми цепями.

Кроме того, трансформатор намного проще умножителей напряжения и позволяет значительно увеличить напряжение. Почему так важно повышать напряжение в цепи? Дело в том, что по закону Ома, чем выше напряжение, тем меньше потери при передаче, а это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния.

Все беспроводные устройства используют переменную составляющую, называемую промежуточной частотой, для беспроводной передачи сигнала. Набор частот позволяет использовать множество радиоустройств, не мешая друг другу. Длинноволновые сигналы способны распространяться на большие расстояния и огибать землю. Ультракороткие частоты, наоборот, распространяются прямолинейно, что позволяет создавать радиотелескопы для изучения космоса, недр Земли и океана.

При использовании синусоидального тока становится возможным увеличить мощность передачи к потребителям электроэнергии. Это достигается за счет увеличения количества фаз. Мощность однофазного и трехфазного двигателя будет существенно различаться при одинаковых габаритах. А передача большей мощности будет достигаться в трехфазной сети при том же сечении провода.

Для выпрямления переменного тока достаточно использовать простое устройство, называемое выпрямителем, а вот создать синусоидальный переменный ток с помощью радиодеталей было бы несколько хлопотно. До относительно недавнего времени для освещения использовались лампы накаливания.

Использование постоянного и переменного тока дает разные цветовые результаты, белый свет дают лампы переменного тока. Правда, в современных лампах, работающих на фотодиодах, используется постоянная составляющая, но по мощности они пока не дотягивают до аналогов.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Когда Никола Тесла ушел от Томаса Эдисона, последний устроил информационную атаку на изобретения Николы Теслы, утверждая, что переменный ток опасен для жизни человека. На самом деле все дело в величине стресса, который применялся к подопытным животным.

Тесла, чтобы опровергнуть такое утверждение, пропустил через себя высокочастотный ток. И это действительно так. Чем выше частота, тем меньше заряда проходит внутрь человека и накапливается на его коже.

С точки зрения КПД разница в работе ламп накаливания говорит сама за себя. Их мощность и цветопередача были лучше у Николы, чем у Томаса. Именно поэтому у Николы появлялось все больше и больше заказчиков по освещению различных объектов. Кроме того, передача сигнала по воздуху могла осуществляться только с переменной волной, что, конечно, невозможно для постоянного тока. Но как распространяются радиоволны?

Через эфир

Еще в 17 веке Рене Декарт выдвинул гипотезу о существовании эфира. К такому предположению привело непонимание того, как свет передается в вакууме. Поэтому они стали считать, что в любом пространстве существует некая физическая среда, обладающая способностью проводить через себя различные волны.

Однако развитие теории относительности сделало этот термин ненужным. Кроме того, тот факт, что эфир, как его понимали ранее, не имеет смысла, привел к исключению его использования. Например, теория эфира противоречила закону распространения волн в газах и жидкостях. Само понимание природы света также опровергало такую ​​гипотезу.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Другим сторонником, сам того не ведая, был Генрих Рудольф Герц. В 28 лет, став профессором физики, он начал проводить эксперименты по передаче радиоволн на расстояние. В его распоряжении было только примитивное оборудование: гальванические элементы, катушки, электроды с латунными шариками и всевозможные цинковые пластины и шарики, служившие конденсаторами.

Соединив пластины параллельно катушке, он получил колебательный контур, в котором длина волны изменялась перемещением пластин вдоль катушки или изменением расстояния между пластинами. Эта схема была подключена к источнику питания. Другая катушка была размещена в непосредственной близости от первой. Таким образом, был получен повышающий трансформатор, повышавший выходное напряжение.

Концы второй катушки он соединил с двумя электродами с шариками на концах. Высокое напряжение, полученное в результате трансформации, подавалось на сферы, и между ними возникал разряд в виде крупного искрового разряда. Так был построен радиопередатчик.

На расстоянии нескольких метров он устанавливал ствольную коробку в виде разомкнутого кольца или рамки. К концам также были прикреплены шарики. Прием проверяли разрядом между шарами, доказывая возможность передачи сигнала на расстояние по воздуху. Свое устройство он назвал вибратором Герца. С тех пор 1888 год считается годом открытия электромагнитных волн.

Генрих также предполагал существование эфира, через который осуществлялся перенос, но впоследствии Гендрик Лоренц доказал несостоятельность такой гипотезы. Тем не менее разработка резонансного контура, доказательство существования электромагнитных волн и другие исследования хорошо зарекомендовали себя в современной радиотехнике. Его именем назван прибор для измерения частоты.

Где используется переменное напряжение

На наличие переменного тока указывают такие знаки ~ или ≈, а также буквы AC. Это обозначение можно встретить на многих электроприборах, например, на индукционных плитах. В них используется мощное электромагнитное поле, нагревающее дно металлической чаши.

Такие же волны, но более мощные, используются в доменных печах, которые установлены в огромных змеевиках. Меньшие рулоны также используются в сталепрокатных или прессовых цехах. Они позволяют очень быстро нагревать металл, и работают точечно, что обеспечивает хорошую экономию электроэнергии.

Электрические котлы, водонагреватели, холодильники, утюги и многие другие бытовые приборы могут быть обозначены знаком сорта. Синхронные и асинхронные, одно-, двух- и трехфазные двигатели используются на различных предприятиях и в домах. А вот без чего невозможно представить современного человека, это мобильный телефон и интернет.

Передача информации

Передача информации происходит почти так же, как и более ста лет назад. Надо признать, что технологии шагнули далеко вперед, но принцип остался прежним. С помощью колебательного контура формируется так называемая несущая частота, и на нее накладывается сигнал. Декодер используется для декодирования принятого сигнала. Обычно используются высокие частоты, которые передаются по прямой линии.

Тот же метод связи используется для связи с самолетами и спутниками. Спутники могут служить посредниками, принимая сигнал из одной точки земного шара и передавая его в другую.

Электрификация железных дорог на переменном напряжении

Не остались в стороне и железные дороги. Тепловозы постепенно заменяются электровозами. По способу получения пищи их делят на следующие виды:

  • проконсультироваться;
  • перезаряжаемый;
  • контактно-накопительный;
  • бесконтактный.

В основном для перевозки грузов и пассажиров используется контактная сеть постоянного или переменного тока. Если используется переменный дисплей, создается однофазная сеть, так как трехфазную сеть создать сложно. Интерес представляет бесконтактная передача. Вдоль путей проложена шина и на нее подается ток высокой частоты. Создаваемый магнитный поток улавливается приемником электровоза и передается на электродвигатели.

Хотя в начале шла война между сторонниками постоянного тока и переменного тока, современная жизнь показала, что человеку, а точнее используемому человеком электрооборудованию нужны оба вида.

 

Теория

С одной стороны, всем известно, что первое знакомство человечества с электрической энергией произошло на примере постоянного тока. Только в 1831 году изучение явления магнитной индукции привело к генерации переменного тока. Первые эксперименты включали электрический проводник, помещенный в магнитный поток.

Например, рассмотрим общий проводник, приведенный в состояние замкнутого контура, края проводника можно подключить к измерительному устройству для регистрации изменений электрических величин.

Далее вам нужно:

  • возьмите хороший магнит, если под рукой есть мощный неодимовый, он сработает лучше всего;
  • подключить к гальванометру проводник, всю электрическую цепь разместить на столе или другой поверхности из изоляционного материала;
  • поднесите магнит к проводнику как можно ближе, желательно, чтобы расстояние было не более 10 мм;
  • совершает резкое движение в перпендикулярной плоскости относительно поводка;
  • обратите внимание на прибор, стрелка гальванометра будет отклоняться от положения равновесия во все стороны — в результате электромагнитных колебаний в проводнике наводится ЭДС индукции, вызывающая возникновение переменного тока в замкнутой цепи.

Повторите манипуляции с магнитом несколько раз, и вы увидите, как гальванометр плавно отклоняется в сторону по мере приближения полюса к проводнику и столь же плавно возвращается в исходное положение при удалении магнита.

Отклонение стрелки указывает на изменение величины тока и потенциала, наведенных в металле. Амплитуда колебаний тока не постоянна во времени, поэтому эта величина называется переменной.

Обратите внимание, что если вы переместите магнитный полюс близко к проводу, стрелка будет отклоняться в одном направлении, если вы перевернете его с противоположным магнитным полюсом, направление стрелки изменится соответственно.

Схема — это всего лишь пример для понимания сути получения переменного тока, так как ЭДС в ней будет слишком мала и тока не хватит даже на питание светодиода. В промышленных масштабах вместо витка используются целые обмотки с большим количеством витков. На практике не имеет значения, движется ли магнит относительно проводника или замкнутая цепь движется относительно магнитного полюса.

Поэтому для изменения ЭДС в обмотках генератора может быть использован как принцип вращения ротора из магнитного материала внутри обмоток статора, так и наоборот, обмотки ротора внутри магнитного статора.

Величина самой ЭДС определяется из соотношения между физическими параметрами по следующей формуле:

Формула электродвижущей силы

где n — количество колебаний

а отношение dB/dt представляет собой скорость изменения электромагнитной индукции во времени.

Способы получения

На сегодняшний день существует довольно большое количество способов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого понадобится каркас из любого металла, концы которого позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к раме установлены два магнита, направленные противоположными полюсами.

Следует учесть, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие с большим сечением и высокой проводимостью. При вращении цепи в ее электрической сети будет индуцироваться ЭДС, которая вызовет протекание переменного тока.

Каркас и магниты
Рис. 1. Рамка и магниты

Как видно на рисунке выше, при одинаковом максимальном расстоянии между сторонами металлического кольца от полюсов магнита величина ЭДС равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока исходит из нуля.

Затем рамка перемещается, и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова уменьшится до нуля.

При изменении положения меняется и направление протекания переменного тока, что отображается на графике как переход кривой в отрицательную плоскость графика. Конечно, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому они используют усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по конструкции аналогична трансформаторной установке. Применяется для выработки и передачи переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из которых являются реверсивными.

По своей конструкции он напоминает рамку, но в трехфазном варианте — для каждой из фаз в статоре расположена своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все фазные обмотки смещены относительно друг друга на 120° в геометрической плоскости.

Блок асинхронного генератора
Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

За счет физического смещения обмоток в них индуцируется переменный ток с запаздыванием относительно предыдущей фазы, которое требуется ротору для преодоления соответствующего расстояния. Из-за этого напряжение и ток в каждой из фаз сдвинуты друг относительно друга.

Частота вращения определяет скорость, с которой синусоида пересекает ось абсцисс в единицу времени. В бытовых сетях промышленная частота переменного тока составляет 50 Гц.

Напряжение в трехфазной сети
Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Однако асинхронные машины, как и генераторы, имеют ряд недостатков:

  • большие пусковые токи;
  • отставание электродвижущей силы от индуцирующего ее магнитного поля;
  • меньше контроля над системой.

Поэтому схема генератора синхронного типа сейчас применяется достаточно часто. Конструктивно он аналогичен предыдущей модели, с тем отличием, что имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Это значительно снижает пусковые токи и облегчает работу.

схема синхронного генератора
Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

Благодаря развитию технологий переменный ток в современном мире можно легко получить не только от трехфазных генераторов. Важную роль играют солнечные электростанции, вырабатывающие постоянный ток, который редко используется непосредственно в быту и производстве. Для преобразования готового постоянного тока в переменный используются специальные устройства — преобразователи.

Схема инвертора
Рис. 5. Схема преобразователя

На рис. 5 выше показан пример простейшего инвертора для выработки переменного тока. Как видите, на пару транзисторов VT1 и VT2 подается постоянное напряжение от аккумулятора. Из-за различий в скорости открытия один из транзисторов откроется раньше и весь ток будет проходить через него, пока не будет достигнут определенный прототип полупериода.

Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточна для увеличения напряжения на трансформаторе Тр до 220В.

Это самый простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать той же частоты, что и асинхронные генераторы и рассматривается нами только в качестве примера. Более сложные модели выпускаются для домашнего и промышленного использования.

Читайте также: Дроссель для ламп: схема подключения, принцип работы, замена,

Преимущество трехфазного тока

Трехфазный ток представляет собой три независимых напряжения переменного тока, которые сдвинуты по фазе на 120 градусов. Отдельные фазы могут использоваться независимо как отдельные системы для потребителей малой мощности.

Трехфазный переменный ток

Трехфазные токи имеют, кроме всего прочего, то преимущество, что сечение проводников вообще можно уменьшить при той же передаваемой мощности, а передача на большие расстояния при высоком напряжении сопровождается меньшими потерями мощности. Кроме того, можно построить экономичные и надежные асинхронные двигатели.

Частота характеризует количество колебаний в периодическом процессе, отнесенное к интервалу времени, и измеряется в герцах (Гц). Наиболее часто используемая частота переменного тока составляет 50 Гц, что соответствует частоте сети электроснабжения общего пользования в ЕС и России.

Трехфазный генератор

Трехфазный генератор представляет собой особый вид электрического генератора, который индуцирует три независимых переменного напряжения в трех обмотках статора, смещенных на 120 градусов. Три обмотки статора соединены по схеме треугольник или звезда. Обмотки звезды подключаются, когда требуется нейтральный проводник.

Существуют трехфазные синхронные и асинхронные генераторы. Синхронные генераторы используются для крупномасштабного производства электроэнергии. Они используются, например, на тепловых электростанциях, гидроэлектростанциях или атомных электростанциях.

Генератор для ТЭЦ

Асинхронные генераторы используются в меньшем диапазоне мощностей, например, в ветряных электростанциях и генераторах аварийного питания.

Хотя промышленные электрические сети имеют трехфазный ток, в бытовую розетку обычно подается однофазный переменный ток. Однако для некоторых устройств, требующих большой мощности, используется трехфазный ток, их можно подключать к специальным трехфазным разъемам.

Генератор переменного тока

Получить переменный ток можно с помощью генератора. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции. Электродвижущая сила возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур. Для получения переменной ЭДС необходимо изменить магнитный поток так, чтобы скорость изменения следовала синусоидальному закону.

Простейшая динамо-машина представляет собой вращающийся постоянный магнит, создающий в обмотке статора переменное напряжение, характеризующееся электродвижущей силой (ЭДС), измеряемой в вольтах. Электрическое напряжение возникает, когда витки катушки провода пересекаются силовыми линиями движущегося магнита.

Получает переменный ток

Исторически первыми громоздкими и неэкономичными генераторами в эпоху зарождения электричества были машины с постоянными магнитами.

Но в середине 19 века был открыт принцип, позволяющий заменить использовавшиеся ранее стальные магниты электромагнитами самоиндукции, что привело к повышению экономической эффективности генераторов. Заслуга в создании таких устройств принадлежит инженеру-электрику русского происхождения М. О. Доливо-Добровольскому и сербскому изобретателю Николе Тесле.

Устройство генераторов электрического тока

Промышленное получение электротока

Многих интересует, где происходит промышленное производство переменного тока. Для этого используются электростанции. Они бывают нескольких видов. В основном это гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС), тепловые (ТЭС). Они получают электрический ток, используя принцип электромагнитной индукции.

Для приема и передачи электрического переменного тока на тепловых электростанциях необходим турбогенератор, с помощью которого энергия отработанного горючего топлива преобразуется в электрический переменный ток. На гидроэлектростанциях механическая энергия воды преобразуется в электрическую с помощью гидрогенератора. На атомных электростанциях электрический переменный ток получают при делении урана в реакторах.

Определение генератора электрического тока

Электричество передается в дома по линиям электропередач. Использование линий электропередач позволяет доставлять электроэнергию на очень большие расстояния. Так как прохождение электричества связано с некоторыми потерями из-за нагрева проводов, то при транспортировке обычно уменьшают силу тока, а напряжение повышают.

Для этого используются повышающие трансформаторы, а перед их подачей в дом напряжение снижают до 220 вольт, но уже понижающими трансформаторами.

Описательные величины

Есть некоторые физические параметры, которые описывают переменный ток:

  • Амплитуда колебаний. Это максимальное отклонение электрического тока I от среднего значения. Амплитуда колебаний выражается в тех же единицах измерения, что и основная величина. Поскольку в качестве единицы измерения тока используется ампер, амплитуда колебаний имеет ту же размерность.
  • Частота циклических колебаний. Это число полных колебаний I за 2π секунд. Единицей циклической частоты является рад/с (радиан в секунду) или 1/с (радиан — безразмерная величина), а также секунда в степени -1.
  • Период колебаний. Это время для полного размаха. Размерность секунд.
  • Частота колебаний. Обратная величина периода колебаний. Это число колебаний в единицу времени. Размерность составляет герц (Гц) или одну секунду до -1 градуса. Следует отметить, что в разных странах частота электрического тока, запускаемого по линиям электропередач, различна. В большинстве стран она составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц. В Японии используются оба стандарта.

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

Формула переменного тока

Эта формула считается упрощенной, так как предполагается, что в первый раз t0 = 0. Если отсчет времени начинается не с 0, выражение имеет вид:

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

Синусоидальный переменный ток

На рисунке видно, что одна ось координат — I (электрический переменный ток), а другая ось — t (время). Соответственно на графике показана зависимость I от t, то есть зависимость тока от времени. В позициях 1, 3, 5, 7, 9, 11 наблюдается наибольшее значение амплитуды. Такой график называется синусоидой.

Как возникает электроток

После того, как будет представлено выражение для нахождения величины переменного электрического тока, необходимо выяснить, откуда он берется. Мы постараемся объяснить это кратко и просто.

Принцип получения переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции, которое описывается законом Фарадея. Чтобы лучше понять, рассмотрите картинку. На ней показано простейшее устройство для получения переменного тока.

Принцип получения электрического переменного тока

Это каркас из токопроводящего материала. Его помещают в магнитное поле. Стрелки на рисунке — линии магнитного поля. При установившемся вращении на концах цепи появляется синусоидальный ток. Это связано с тем, что каждый раз через рамку проходит разное количество силовых линий, что объясняется законом Фарадея.

Кроме того, закон учитывает скорость вращения, следовательно, и частоту, и период. Эти свойства, как было сказано выше, описывают основное понятие статьи – переменный ток.

Как уже было сказано, электричество можно получить, используя энергию воды, атомной энергии, ветра или солнца. Преобразование осуществляется устройствами, называемыми генераторами. Все они работают по похожему алгоритму.

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

Статор представляет собой полый внутри цилиндр. Это медный провод. В нем за счет переменного магнитного потока, создаваемого вращающимся ротором, возникает переменный ток.

Ротор представляет собой электромагнит, через который протекает постоянный ток. Вращается под действием механической силы, такой как вода или пар. При вращении меняется магнитное поле, поэтому изменяется и магнитный поток в статоре, в результате чего образуется переменный ток.

Если присмотреться, вокруг ротора есть цепь с большим количеством витков. В этом случае она называется катушкой.

Генератор электроэнергии

Параметры

В характеристике переменного тока различают основные и дополнительные параметры.

  • частота;
  • период;
  • амплитуда;
  • эффективное значение.

Дополнительный:

  • угловая частота;
  • фаза;
  • мгновенное значение.

Рассмотрим их подробно.

Частота

Буквенное обозначение ф, единица измерения герц (Гц). Указывает количество полных циклов колебаний тока в секунду.

Частота переменного тока на выходе простого генератора определяется скоростью вращения ротора. В системе электроснабжения России и других стран бывшего СССР используется ток частотой 50 Гц.

Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте

В некоторых случаях частоту увеличивают за счет преобразования тока. Например, в инверторных сварочных аппаратах и ​​импульсных источниках питания — до 20 — 80 кГц. На этой частоте значительно уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем. В некоторых устройствах частота настроена на несколько МГц.

Период

Обозначение – «Т», единица измерения – секунда. Период — продолжительность полного цикла колебаний тока. Этот параметр связан с частотой следующим соотношением:

Т = 1/ф.

Следовательно, в сети период тока равен 1/50 = 0,02 с = 20 мс.

Амплитуда

Максимальное значение тока или ЭДС соответствует пику полуволны. Обозначается соответственно Im и Um. За период эти значения дважды достигают значений амплитуды — с положительным и отрицательным знаком.

Действующее значение

Это постоянный ток, который соответствует заданной переменной по выполненной работе. Постоянно изменяющийся переменный ток неудобно использовать в расчетах, так как он заменяется действующим значением. Обозначается буквами I и U.

Для синусоидального тока и ЭДС определяется по формуле:

I = 2^(-1/2) * Im = (1/1,414) * Im = 0,707 Im;

U = 2^(-1/2) * мкм = 0,707 мкм;

Действующим значением является напряжение бытового тока 220 В. Амплитуда 311 В. Аналогично, если говорят, что нагрузка использует ток 5А, то имеют в виду действующее значение. Амплитуда тока 7,07 А.

Угловая частота

Задает скорость изменения угла α в формуле расчета ЭДС. Соответствует угловой частоте вращения ротора. Так как угол ai за период изменяется на 2π при стандартной частоте f = 50 Гц, то угловая частота будет: ω = 2π * 50 = 100 π.

Фаза — характер изменения угла α относительно точки отсчета времени. Токи и ЭДС могут быть в фазе или иметь сдвиг. Последняя измеряется в радианах, градусах или долях периода. Говорят, что при фазовом сдвиге π (1/2 периода) величины находятся в противофазе.

Фазовый сдвиг переменного тока и напряжение

Как определить ноль и фазу собственными силами.

Для определения нуля и фазы тока существуют специальные тестовые отвертки.

Он работает по принципу пропускания тока низкого напряжения через тело использующего его человека. Отвертка состоит из следующих частей:

  • Советы по подключению к фазному потенциалу розетки;
  • Резистор, уменьшающий амплитуду электрического тока до безопасных пределов;
  • Светодиод, загорающийся при наличии в цепи тока фазного потенциала;
  • Плоский разъем для создания цепи через тело оператора.

Принцип работы с тестовой отверткой показан на фото ниже.

Помимо тестовых отверток, есть и другие способы определить, какой штырь розетки подключен к фазе тока, а какой к нулю. Некоторые электрики предпочитают использовать более точный тестер, используя его в режиме вольтметра.

Показания стрелки вольтметра означают:

  1. Наличие напряжения 220 В между фазой и нулем
  2. Нет напряжения между землей и нейтралью
  3. Нет напряжения между фазой и нейтралью

На самом деле в последнем случае стрелка должна показывать 220 В, но в данном случае центральный контакт розетки не соединен с потенциалом земли.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector