Что применяется для получения переменного тока

Почему переменный ток используется чаще постоянного?

Если ответить коротко на этот вопрос, то все дело в его многофункциональности. Что можно делать с переменным напряжением, вот несколько направлений:

подвергать трансформации;

менять частоту;

получать многофазные цепи;

в некоторых областях дает лучшие характеристики.

Одно из главных преимуществ – возможность трансформации. Правда, постоянное напряжение можно также менять с помощью делителя напряжения или умножителя, но это будет одна электрическая цепь. Для гальванической развязки нужен трансформатор, в котором используется две и более независимых цепей.

Кроме того, трансформатор намного проще умножителей напряжения и позволяет значительно увеличивать напряжение

Почему так важно повышать напряженность 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 радиоустройства для передачи сигнала без проводов используют переменную составляющую, называемую промежуточной частотой. Набор частот позволяет использовать множество радиоустройств, которые не мешают друг другу. Длинноволновые сигналы способны распространяться на большие расстояния, огибая Землю. Ультракороткие частоты, напротив, распространяются по прямой, позволяя создавать радиотелескопы для изучения космоса, недр Земли, океана.

При использовании синусоидального тока возникает возможность увеличивать мощность передачи к электропотребителям. Достигается это увеличением числа фаз. Мощность однофазного и трехфазного двигателя будет значительно отличаться при одних и тех же габаритах. А передача большей мощности будет достигнута в трехфазной сети при одинаковом сечении проводов.

Чтобы выпрямить переменный ток, достаточно использовать несложное устройство, называемое выпрямитель, а вот из постоянного сделать переменный синусоидальный с помощью радиодеталей будет несколько хлопотно. До сравнительно недавнего времени для освещения использовались лампы накаливания. Использование постоянного и переменного тока дают разные результаты цветопередачи, белый свет дают лампы переменного тока. Правда, современные лампы, работающие на фотодиодах, используют постоянную составляющую, но по мощности они еще не достигли своих собратьев.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Когда Никола Тесла ушел от Томаса Эдисона, последний устроил информационную атаку против изобретений Николы Тесла, уверяя, что переменный ток опасен для жизни человека. На самом деле все дело в величине напряжения, которое подавалось на испытуемых животных. Тесла для опровержения такого утверждения пропускал через себя ток высокой частоты. И это действительно так. Чем выше частота, тем меньше заряд проходит через внутренности человека, скапливаясь на его коже.

Что касается эффективности, то разница работы ламп накаливания говорит сама за себя. Их мощность и цветовая передача была лучше у Николы, чем у Томаса. Поэтому у Николы появлялось все больше заказчиков для освещения различных объектов. Кроме того, передача сигнала по воздуху могла осуществляться только с переменной волной, что, конечно же, невозможно для постоянного тока. Но как распространяются радиоволны?

Через эфир

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

Однако разработка теории относительности сделала этот термин ненужным. Кроме того, сам факт того, что эфир, как он понимался раньше, не имеет смысла, привело к устранению из употребления. Например, теория эфира противоречила закону распространения волн в газах и жидкостях. Само понимание природы света также опровергло такую гипотезу.

Различия токов

Конечно же, главным различием переменного и постоянного тока является возможность переправки DC на большое расстояние. При этом, если таким же путем переправить постоянный ток, его просто не останется. По причине разности потенциалов он израсходуется. Так же стоит отметить то, что преобразовать в переменный очень сложно, в то время как в обратном порядке подобное действие вполне легко выполнимо.

Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.

Ну и последнее по очереди, но не по смыслу — все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.

Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного — это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.

Передача тока на большие расстояния

У некоторых людей возникает вопрос, на который выше был дан поверхностный ответ: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если не знать всех тонкостей электротехники, то можно согласиться с этим вопросом. Действительно, ведь если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380 В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Да и на их обслуживание тратиться не пришлось бы, разве не так? Оказывается, что нет.

Построение графика переменного тока

Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?

Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.

Особенности передачи

Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.

Дело в том, что частота переменного тока в электрических сетях общего пользования в России — 50 Гц (герц). Это означает амплитуду колебания заряда между положительным и отрицательным, равную 50 изменений в секунду. Говоря простым языком, каждую 1/50 с. заряд меняет свою полярность, в этом и заключается отличие постоянного тока — в нем колебания практически либо совершенно отсутствуют. Именно по этой причине DC расходуется сам по себе, протекая через длинный проводник. Кстати, частота колебаний, к примеру, в США отличается от российской и составляет 60 Гц.

График разности постоянного и переменного тока

Генерирование

Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.

Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому — габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.

Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.

Два великих изобретателя в свое время начали так называемую «войну токов», которая закончилась только лишь в 2007 году. А противниками в ней были Никола Тесла совместно с Джорджем Вестингаузом, ярые сторонники переменного напряжения, и Томас Эдисон, который стоял за применение повсеместно постоянного тока. Так вот, в 2007 году город Нью-Йорк полностью перешел на сторону Теслы, ознаменовав тем самым его победу. На этом стоит немного подробнее остановиться.

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.

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.

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.