Сравнительная таблица
Сравнительный график переменного тока и постоянного тока
| Переменный ток | Постоянный ток | |
| Количество энергии, которое можно нести | Безопасно переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. | Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока оно не начнет терять энергию. |
| Причина направления потока электронов | Вращающийся магнит вдоль провода. | Устойчивый магнетизм вдоль провода. |
| частота | Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны. | Частота постоянного тока равна нулю. |
| направление | Он меняет свое направление, пока течет по кругу. | Он течет в одном направлении в цепи. |
| ток | Это величина, изменяющаяся во времени | Это ток постоянной величины. |
| Поток электронов | Электроны продолжают переключать направления – вперед и назад. | Электроны неуклонно движутся в одном направлении или «вперед». |
| Получен из | Генератор переменного тока и сеть. | Ячейка или батарея. |
| Пассивные параметры | Сопротивление. | Только сопротивление |
| Фактор силы | Лежит между 0 и 1. | это всегда 1. |
| Типы | Синусоидальный, Трапециевидный, Треугольный, Квадратный. | Чистый и пульсирующий. |
Переменный и постоянный ток. Горизонтальная ось – это время, а вертикальная ось представляет напряжение.
Постоянный ток
Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.
От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.
Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.
Переменный ток
Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».
Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.
Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.
При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.
В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.
Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.
Примеры использования переменного и постоянного тока
Приблизительно постоянным считается ток разряда автомобильного аккумулятора. Напряжение здесь постепенно падает, а потому даже при одинаковой нагрузке эффект разнится хронометрически. В целом, происходит это плавно. Ток течёт в одном направлении и проявляет приблизительно постоянную плотность. Аналогично работают:
- Аккумулятор сотового телефона.
- Батарейка любого типа.
- Аккумулятор питания ноутбуков.
В природе источников постоянного тока (генераторов), за исключением матушки-Земли, нет. Человеку гораздо удобнее создавать роторы, которые, вращаясь с конкретной частотой, создают условия для образования в катушках статора переменного электрического тока. Потом промышленная частота 50 Гц проходит по проводам и через подстанцию подаётся на потребителя.
Это касается и переменного, и постоянного тока. Теперь пришла пора сказать, что в промышленности преобразование постоянного тока в переменный и обратно не практикуется. Из соображений экономии двигатели работают от трёх фаз. Каждая считается переменным током частоты 50 Гц. Говорили выше, что у любой гармоники присутствует фаза. В рассматриваемом случае фаза равна 120 градусов. А круг образуется за счёт 360 градусов. Получается, что три фазы равно отстоят друг от друга. При подобном раскладе генераторам ГЭС легче производить энергию, поступающую в дома в неизменном виде. Но в квартиру заходит единственная фаза переменного тока.
Поэтому бытовые приборы по внутреннему устройству сильно отличаются от промышленных. Важными признаются параметры переменного тока. В любом государстве они стандартизированы и чётко выдерживаются. К параметрам переменного тока относят:
- Действующее значение напряжения – вызывающее в обычном проводнике постоянное идентичного номинала. Действующее значение ниже амплитуды в корень из двух раз либо близко к указанному. Требования для РФ составляют 220-230 В плюс-минус 10% от номинала.
- К частоте переменного тока предъявляются повышенные строгие требования. Предел отклонений от 50 Гц измеряется десятыми долями процента. Потому стабилизации движения вала на ГЭС уделяется столько внимания. От скорости его вращения зависит параметр.
- Нелинейные искажения считаются отдельной темой. Требований множество, определиться непросто. Особенно строго нормируются гармоники основной частоты, к примеру: 100, 150, 200, 250 Гц.
Подобные требования предъявляются и к параметрам постоянного тока. Допустим, известные автомобильные аккумуляторы в действительности включают в арсенал не 12, а 14 В. По мере разряда вольтаж падает. Если на аккумуляторе зарегистрировано напряжение 11,9 В, банка считается вышедшей из строя. Предлагаем внимательно читать инструкции. Дополним: в отдельных ноутбуках присутствует заряд бережного расхода энергии аккумулятора. В этом случае уровень поддерживается в рамках двух третей от полного. Считается, что тогда батарея прослужит дольше.
Итак, требования направлены на поддержание долгого и правильного функционирования оборудования. Параметры постоянного и переменного тока считаются фактором, определяющим надёжность и работоспособность системы.
Определение переменного напряжения
Переменное напряжение — это вид электрического напряжения, характеризующийся постоянным изменением своей величины и полярности во времени.
Для определения переменного напряжения можно использовать различные методы и приборы. Один из основных способов — использование осциллографа. Осциллограф представляет собой устройство, которое позволяет визуализировать изменение электрического сигнала во времени.
С помощью осциллографа можно измерять амплитуду, частоту и фазу переменного напряжения. Для этого необходимо подключить осциллограф к источнику переменного напряжения и настроить его на соответствующие параметры сигнала.
Важно учитывать, что переменное напряжение может иметь различные формы. Например, синусоидальное напряжение представляет собой гармоническую функцию, изменяющуюся по синусоидальному закону
Другие формы переменного напряжения включают прямоугольные, треугольные и пилообразные сигналы.
Определение переменного напряжения является важным для различных областей науки и техники. Знание его параметров позволяет эффективно проектировать и отлаживать электронные схемы, проводить измерения и контролировать работу электрооборудования.
Закон Ома.
Постоянное и переменное напряжение
Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.
На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?
Все любят качаться на качелях:
Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.
Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:
то в другую:
переменное напряжение
Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».
Победа Теслы
Бо́льшая часть раннего распределяемого электричества была постоянным током, а стандартов для потребителей не существовало. Например, дуговые лампы нуждались в нескольких тысячах вольт, а лампы накаливания Эдисона требовали 110 В, трамваи Сименса работали от 500 В, а промышленные двигатели на предприятиях могли в разы отличаться по напряжению.
Электрические компании вынуждены были создавать и содержать одновременно несколько генерирующих линий для различного класса нагрузок. Можно сказать, что для повсеместного использования сетей DC было два серьёзных препятствия:
- близость генераторов к нагрузкам;
- сложности с обеспечением разнообразия напряжений.
Хорватский учёный Тесла, работавший с Эдисоном, считал, что использование переменного тока в электрических сетях может решить эти проблемы. Их разногласия относительно перспектив переменного напряжения закончились тем, что исследователь АС продолжил свои работы уже с конкурентом Эдисона — Джорджем Вестингаузом. Тесла не открыл переменный ток, но был изобретателем синхронного генератора и асинхронного двигателя, а также автором патентов, касающихся работы многофазных устройств.
Несмотря на то что антирекламная кампания прошла успешно и дала ощутимые плоды, радость победы для Эдисона была недолгой. В 1892 г. немецкий физик Поллак изобрёл механический выпрямитель, с помощью которого стало возможным заряжать электрические батареи, и существование транспортировки DC потеряло своё последнее оправдание. Уже в 1893 году Чикагская мировая ярмарка была освещена от сети АС, что стало началом триумфа переменного тока в XX веке, а конкурентные события между изобретателями вошли в историю как «война токов».
Напряжение в цепях переменного тока
Электрическое поле — что это такое, понятие в физике
В таких бытовых и производственных цепях значение разности потенциалов на их концах непостоянно и изменяется во времени. При этом в определенный момент на одном конце цепи наблюдается максимальное значение данной характеристики, а на другом – минимальное. Графически такое изменение имеет вид синусоиды с двумя вершинами, соответствующими максимальным и минимальным значениями.
На заметку. Синусоидальную сущность разности потенциалов в данном случае можно наблюдать при помощи такого измерительного прибора, как осциллограф.
Генератор переменного тока
Переменное напряжение, которое получается на выходе обмотки этого генератора, получается примерно синусоидальным.
На самом деле получить идеально синусоидальный процесс невозможно, но мы будем рассматривать именно гармонический процесс как наиболее простой, а всеми отклонениями от синусоидального процесса для начала можно пренебречь.
Синусоида достаточно сложная кривая и расчеты всех значений по синусоиде затруднительны. Более просто те же самые процессы гармонического колебания можно изобразить вращающимся вектором. Синусоида строится как набор точек, которые соответствуют положению конца радиус – вектора. Радиус – вектор переменной величины равен ее максимальному значению, а изменения переменной величины отражаются положением этого вектора.
Мгновенное значение переменной величины (точка на синусоиде) соответствует данному положению вращающегося радиус – вектора. Вертикальная проекция радиус вектора, определяет мгновенное значение переменной величины. Эта проекция радиус-вектора — противолежащий катет треугольника, а он, как известно, равен радиус вектору (гипотенузе) на синус угла поворота радиус вектора. То есть, положение точки – ее высота на синусоиде определяется синусом угла поворота радиус-вектора.
Радиус-вектор рассматривают как вращающийся вокруг точки начала, против часовой стрелки. График синусоиды откладывается на шкале времени вправо. Каждая точка синусоиды получается, как проекция конца радиус вектора в данный момент. А поскольку он крутится, значит, каждое следующее положение вектора, можно определить углом его положения.
Каждая точка синусоиды может быть описана углом положения радиус вектора в данный момент.
Для того, чтобы понятны формулы вспомним, как измеряются углы окружности.
Традиционное измерение в градусах –
360 –вся окружность
270 –три четверти окружности половина
180 – половина окружности
90 — четверть
Анализ синусоиды в градусах неудобен, поэтому используется измерение углов в радианах.
Что такое «ПИ». π – это число, которое показывает сколько раз диаметр окружности укладывается в ее длине – Важнейшая мировая константа, она равна 3,14
Построим в окружности угол так, чтобы радиусы приходили в точки окружности на концах дуги равной тоже радиусу. Таких кусочков дуги укладывается в окружности 6,28 раза, значит, таких углов можно уложить в окружность тоже 6,28.
Угол, который опирается на дугу, равную радиусу называется радиан, в окружности 6,28 радиан. А что такое 6,28 – это 2 π, то есть, в окружности 2π радиан.
Тогда просто сравнить и понять
360 –вся окружность 6, 28 радиан — 2 π
270 –три четверти окружности 3 π/2
180 – половина окружности 3,14 радиана — π
90 — четверть окружности π/2
Значит, угол можно измерять в градусах и можно в радианах с коэффициентом π, в нашем случае это гораздо удобнее.
Как протекает переменный синусоидальный процесс во времени? Какой величины будет мгновенное значение переменной через такое-то время? Это зависит от скорости вращения радиус вектора.
Угловая скорость или угловая частота.
Скорость это путь на время. Полный путь вращающегося вектора это 2π -целая окружность, и этот путь надо разделить на время Т, за которое радиус вектор, проходит всю окружность. Время Т называется период вращения. Таким образом угловая частота обозначается ω и равна она 2 π /Т
Теперь у нас есть возможность определить значение переменной величины в любой точке (момент t) , то есть, любое мгновенное значение. Например, мгновенное значение переменного напряжения.
u=UmSin ωt, где t – это мгновение времени от нуля, в которое нас интересует переменная величина.
u — мгновенное значение переменного напряжения
Um — максимальное значение переменной величины (радиус –вектор)
Sin ωt – закон изменения переменной величины
Электрическая цепь с постоянным током
В электрической цепи постоянного тока электродвижущая сила, которая направлена внутрь источника электроэнергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток такого же направления. Его можно определить по закону Ома для всей цепи:
$I = \frac {E}{R + R_{BT}}$, где:
- $R$ — это сопротивление внешней цепи, которая состоит из соединительных проводов и приемника;
- $ R_{BT} $ — сопротивление внутренней цепи, которая состоит из источника электрической энергии.
Определение 1
Если все элементы электрической цепи и их сопротивления не зависят от направления и значения тока и электродвижущей силы, то такие элементы называют линейными.
Стоит отметить, что в одноконтурной постоянной электрической цепи, что имеет один источник электрической энергии, ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению цепи.
Из этого следует, что $E-R_{BT} L = RI$, откуда:
$I = \frac {(E – R_{BT} l)}{R}$ или $I = \frac {U}{R} $, где:
$U = E – R_{BT} l$ — это напряжение источника электроэнергии, которое направляется от положительного полюса к отрицательному.
При неизменной электродвижущей силе, напряжение зависит только от электрического тока, который определяет падение напряжения $ R_{BT} l$ внутри источника электроэнергии, но только в том случае, если сопротивление внутренней электрической цепи $ R_{BT} = const $.
Выражение $I = \frac {U}{R} $ — это закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение $U$, что совпадает с электрическим током $I $ этого же участка цепи.
Зависимость напряжения от электрического тока $U (I)$ при $E — const$ и $ R_{BT} = const $ называется внешней (вольтамперной характеристикой линейного источника электроэнергии). По данной характеристике можно определить соответствующее напряжение для любого тока, а по формулам, что приведены ниже, — рассчитать мощность приемника электроэнергии:
$P_2 = RI^2 = \frac {E2R}{(R + R_{BT} )^2}$
Мощность источника электроэнергии:
$P_1 = (R + R_{BT} ) I^2 = \frac {E^2}{R + R_{BT} }$
КПД установки в цепи постоянного тока:
$\eta = \frac {P_2}{P_1} = \frac {R}{R + R_{BT} } = \frac {1}{ 1 +\frac {R_{BT} }{R}} $
Точка Х вольтамперной характеристики источника электроэнергии соответствует режиму холостого хода при разомкнутой электрической цепи. В таком случае электрический ток $l_X = 0$, а напряжение $U_X = E$.
Точка К необходима для того, чтобы охарактеризовать режим короткого замыкания, который возникает при соединении зажимов источников электроэнергии. Внешнее сопротивление приравнивается нулю $R=0$. В этом случае формируется электрический ток короткого замыкания $I_K = \frac {E}{R_{BT} }$, который в несколько раз превышает номинальный ток $I_HOM$. Это случается по причине того, что внутреннее сопротивление источника электроэнергии $R_{BT}
Точка С соответствует согласованному режиму, при котором сопротивление внешней электрической цепи приравнивается сопротивлению внутренней цепи $ R_{BT} $ источника электроэнергии. В таком режиме формируется электрический ток $I_c = \frac {E}{2R_{BT} }$ внешней цепи и отвечает наибольшей мощности $R2_max = \frac {E2}{4R_{BT} }$. Коэффициент полезного действия в таком случае приравнивается нулю: $\eta c = 0$.
Учитывая все вышеизложенное, согласован режим, при котором:
$\frac {P2}{P2_max} = \frac {4R^2}{(R + R_{BT} )^2} = 1$ и $I_c = \frac {E}{2R} = 1$
Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках значительно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами, которые обуславливают сопротивление приемников $R$ и $ R_{BT} $. В результате этого работа систем на высоком КПД.
Изучение явлений, которые протекают в электрических цепях, упрощается, если происходит их замена на схемы замещения. Эти схемы представлены в виде математических моделей с идеальными элементами. Данные схемы подробно отображают свойства электрической цепи и при соблюдении конкретных условий делают анализ электрического состояния цепей значительно проще.
Трехфазная система
Наибольшее распространение в электротехнике получила симметричная трехфазная система э. д. с. Она представляет три одинаковые по частоте и амплитуде переменные э. д. с., между которыми существует сдвиг на 1/3 периода. Совокупность токов, возникающих под действием этих э. д. с., называется трехфазной системой токов или, как обычно говорят, трехфазным током.
Если нагрузки всех трех фаз во всех отношениях одинаковы (например, представляют собой обмотки трехфазного электродвигателя, или театральную люстру, в которой каждая из фаз питает одинаковое количество одинаковых ламп, или является трехфазной конденсаторной батареей и тому подобным), то трехфазная система токов будет симметричной. Это самый благоприятный и самый простой случай.
В симметричной системе значения токов всех фаз равны, токи одинаково сдвинуты относительно соответствующих напряжений, а между токами смежных фаз сдвиг равен 1/3 периода.
В практике же часто встречаются несимметричные нагрузки. Например, всегда существует несимметрия в осветительных сетях, значительную асимметрию создает электрическая тяга на переменном токе. Симметрия резко нарушается в аварийных режимах (короткое замыкание, обрыв одного провода, нарушение контакта в одной из фаз и тому подобное).
Трехфазный ток был изобретен в 1891 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским и получил широчайшее распространение благодаря своим замечательным свойствам: а) с помощью трехфазного тока можно передать энергию с затратой значительно меньшего количества проводникового материала, чем потребовалось бы при передаче однофазным током; б) с помощью трехфазного тока в неподвижных обмотках электродвигателей создается вращающее магнитное поле, увлекающее за собой роторы самых простых по конструкции и самых распространенных асинхронных электродвигателей.
В зависимости от вида соединений трехфазных генераторов, трансформаторов и электроприемников можно получить те или иные практические результаты.
Видео 3. Получение электрической энергии переменного тока
1 В электротехнике мгновенные значения синусоидальных величин принято обозначать строчными (маленькими) буквами, в нашем примере e1 и e2: максимальные значения обозначаются прописными (большими) буквами с индексом «м», в нашем примере E1М и E2М.2 Действующие значения обозначают прописными буквами без индекса «м»: E, U, I.