Практическая работа получение переменного тока

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность. связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P=IxU. единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.

IV. Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям – одна из важнейших задач энергетики.
Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.

Необходимость передачи электроэнергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации генерирующих мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь – превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев.

Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:

Из формулы следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла – меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.
Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше.
Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение:

Следовательно, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах:

Из формулы следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.
С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.

Сложение и вычитание синусоид

В электроустановках, в которых действует несколько э. д. с., они в зависимости от способа соединения могут либо складываться, либо вычитаться. Это же относится к токам в местах разветвлений.

В цепях постоянного тока сложение и вычитание производят алгебраически. Это значит, что если одна э. д. с. равна 5 В, а другая 18 В, то их сумма составляет 5 + 18 = 23 В, а разность 5 – 18 = –13 В. Знак минус указывает на изменение направления тока на обратное по сравнению с тем, которое было бы только от одной э. д. с. 5 В.

В цепях переменного тока сложение и вычитание производятся более сложно.

Чтобы сложить две синусоиды e1 и e2 нужно: а) пересечь их в нескольких местах вертикалями 0, 1, 2, 3, 4, 5 … и так далее, на которых синусоиды отсекут мгновенные значения э. д. с. (рисунок 11, а); б) попарно алгебраически сложить мгновенные значения и полученные суммы, представляющие собой мгновенные значения суммарной э. д. с., отложить на тех же вертикалях (рисунок 11,б); в) соединить плавной кривой вершины суммарных мгновенных значений, получив, таким образом, суммарную синусоиду из другой, например e1 + e2.

Рисунок 11. Сложение и вычитание синусоид

Чтобы вычесть одну синусоиду из другой, например e1 из e2 (рисунок 11, а), нужно вычитаемой синусоиде дать обратный знак, то есть попросту начертить ее зеркальное изображение –e1 (рисунок 11, в). Затем синусоиды e2 и –e1 складывают (рисунок 11, г), как описано выше. Одним словом, вычитание синусоид основывается на известном правиле, которое гласит, что вычесть – все равно, что прибавить то же самое с обратным знаком.

Преобразование

Понятно, что в розетках мы получаем переменный ток. Но часто для электрических приборов необходим постоянный вид. Для этой цели служат специальные выпрямители. Процесс состоит из следующих действий:

  • подключение моста с четырьмя диодами, имеющих необходимую мощность;
  • подключение фильтра или конденсатора на выход с моста;
  • подключение стабилизаторов напряжения для уменьшения пульсаций.

Преобразование может происходить как из переменного в постоянный ток, так и наоборот. Но последний случай будет реализовать значительно труднее. Потребуются инверторы, которые, помимо прочего, стоят совсем недешево.

11 странных признаков, указывающих, что вы хороши в постели Вам тоже хочется верить в то, что вы доставляете своему романтическому партнеру удовольствие в постели? По крайней мере, вы не хотите краснеть и извин.

10 очаровательных звездных детей, которые сегодня выглядят совсем иначе Время летит, и однажды маленькие знаменитости становятся взрослыми личностями, которых уже не узнать. Миловидные мальчишки и девчонки превращаются в с.

9 знаменитых женщин, которые влюблялись в женщин Проявление интереса не к противоположному полу не является чем-то необычным. Вы вряд ли сможете удивить или потрясти кого-то, если признаетесь в том.

15 симптомов рака, которые женщины чаще всего игнорируют Многие признаки рака похожи на симптомы других заболеваний или состояний, поэтому их часто игнорируют

Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.

7 частей тела, которые не следует трогать руками Думайте о своем теле, как о храме: вы можете его использовать, но есть некоторые священные места, которые нельзя трогать руками. Исследования показыва.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость)

В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот»

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

Что такое переменный ток. Определение переменного тока

Переменный ток — это направленное движение заряженных частиц, направление движения которых меняется на противоположное через равные промежутки времени. Если постоянный ток течет в одном направлении и не меняется по величине, то переменный ток может быть в данный момент положительным, а через определенный промежуток времени отрицательным.

Получение переменного тока

Вырабатывают переменный ток генераторы переменного напряжения, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Форма переменного тока может быть различной и зависит от его назначения. Форма переменного тока промышленного назначения и для бытовых нужд населения носит синусоидальный характер.

Он имеет такие характеристики как амплитуда, частота и период. Периодом синусоидального тока является его полный цикл колебания и измеряется временем совершения одного цикла колебания. Такие циклы повторяются и поэтому переменный ток еще называют циклическим.

Период обозначается буквой Т и выражается в секундах. Другим параметром синусоидального тока является частота, которая обратно пропорциональна периоду т. е. F = 1/Т. Если период переменного тока равен 1 секунде, то частота его будет равна 1 Гц.

Период, частота и амплитуда переменного тока

Существует два стандарта переменного тока — это 50 Гц и 60 Гц. В России используется частота сети 50 Гц, а в Канаде и США 60 Гц. Такой параметр как амплитуда, определяется его наибольшей величиной в определенный промежуток времени, она может иметь отрицательное или положительное значение.

Механизм получения

Известно, что существует два вида переменного тока:

  1. однофазный;
  2. трехфазный.

Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

Стоит рассмотреть отличия в способах получения этих родов тока.

Однофазного

В 1-фазном генераторе все катушки индуцируемой обмотки подсоединены к одной линии. Питание потребителей осуществляется 2-жильным проводом (фаза и нейтраль). Напряжение в 1-фазной сети — 220 В.

Трехфазного

Индуцируемая обмотка 3-фазного генератора состоит из 3-х частей, расположенных на равном удалении друг от друга и подключенных каждая к своей линии. То есть угол между ними составляет 1200. В результате в каждой линии ток смещен по фазе относительно соседней на тот же угол.

Такая нагрузка называется симметричной и для ее подключения нейтральный провод вообще не нужен: токи каждой фазы в общих точках взаимно гасятся. Но зачастую нагрузка бывает асимметричной: помимо 3-фазных отдельными фазами запитывают 1-фазных потребителей.

Тогда токи в фазах неодинаковы и взаимного погашения не случится — нужен хотя бы 1 нейтральный провод.

Основные преимущества 3-фазного электроснабжения:

  • упрощается передача большой мощности.
  • появляется возможность создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателях.

На промышленных электростанциях стоят только 3-фазные генераторы.

При обрыве нейтрального провода на подключенные к разным фазам 1-фазные потребители подается напряжение в 380 В, что приводит к их поломке. Потому в странах Запада нейтральным проводом оснащают каждую фазу. У нас же из-за экономии пока применяют один общий.

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:

  1. 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;
  2. 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.

Получение и передача переменного электрического тока

При вращении магнита внутри проводящей рамки (в некоторых устройствах рамка неподвижна, а вращается магнит) в рамке будет индуцироваться переменный ток (см. рис.а). Концы рамки прикреплены к полукольцам. В этом случае при вращении рамки по часовой стрелке на правом конце рамки всегда будет положительный полюс, а на левом — отрицательный, и направление тока во внешней цепи останется неизменным.

Это норма работы генератора. Только в промышленном генераторе роль рамки играет статор, а роль магнита — ротор с намагничивающей обмоткой, по сути — вращающийся электромагнит

Для производства переменного тока используются электромеханические устройства — индукционные генераторы. В них получаемая механическая энергия передается ротору, ротор вращается, в результате механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию через электромагнитную индукцию.

Сила индукционного тока, возникающего в рамке, будет меняться от нуля, когда плоскость рамки параллельна линиям магнитной индукции, до максимального значения, когда рамка перпендикулярна вектору магнитной индукции, а затем уменьшается до нуля. Для уменьшения пульсации тока, используют две рамки, расположенных перпендикулярно друг другу (см. рис.б). Индукционный ток при этом значительно выравнивается. 

В современных генераторах большое число подобных рамок, что дает возможность получить постоянный ток. 

Если концы рамки присоединить не к полукольцам, а к кольцам или непосредственно к контактным пластинам, и подсоединить к ним внешнюю цепь, то во внешней цепи направление и значение силы тока будут периодически меняться. 

В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц. Это означает необходимость ротору двухполюсного генератора совершить 50 оборотов за секунду. Так, на атомной электростанции ротор совершает 3000 оборотов в минуту, что как раз и дает частоту генерируемого тока в 50 Гц. Направление генерируемого тока изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.

Обмотка генератора состоит из трех частей, поэтому переменный ток получается трехфазным. Это значит, что в каждой части обмотки статора получаемые ЭДС смещены по фазе относительно друг друга на 120°. Действующее значение генерируемого на электростанции напряжения варьируется от 6,3 до 36,75 кВ, в зависимости от вида генератора.

Дело в том, что потери энергии в передающих проводах пропорциональны квадрату величины тока и прямо пропорциональны сопротивлению проводов (см. Закон Джоуля-Ленца). Значит для более эффективной передачи и распределения электроэнергии, напряжение необходимо сначала повышать в несколько раз, чтобы во столько же раз уменьшился ток и вследствие сильно сократились транспортные потери.

И только повышенное напряжение имеет смысл передавать на ЛЭП. Электричество от электростанции сначала подается на трансформаторную подстанцию. Здесь напряжение повышается до 110–750 кВ и только после — подается на провода ЛЭП. Но потребителю необходимо 220 или 380 вольт, поэтому в конце линии высокое напряжение повторно понижают, при помощи опять же трансформаторных подстанций, до 6–35 кВ.

На подстанции вблизи нашего дома или встроенной в дом, установлен трансформатор. Здесь напряжение снова понижается — от 6–35кВ до 220 (380) вольт, которые уже раздаются потребителям. Через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей.

Схема как сделать из постоянного тока переменный — Портал о стройке

Люди всего земного шара в настоящее время имеют возможность получить знания в различных технических направлениях. Нам всем остается лишь воспользоваться знаниями, современной имеющейся базой научных открытий как отечественных так и зарубежных ученых.

Чтобы получить необходимые знания для разрешения каких-либо технических вопросов, мы обращаемся к тому или иному источнику информации. Человек, допустим открывает учебник по электротехнике и получает различную техническую информацию, к примеру:

  • переменное напряжение является синусоидальным напряжением;
  • коллекторный двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока;
  • каждый диод обладает своим потенциальным барьером

и так далее.

И зачастую получается, что человеку трудно понять прочитанное. Он может запомнить информацию, но не осознавать того, что он прочитал. То-есть, кроме того что мы прочитали, нам необходимо понять явления физики.

Для чего нужен постоянный ток

Что из себя представляет постоянный ток? В чем различие между переменным и постоянным током? Чтобы нам ответить на эти и другие вопросы, — нам нужно вспомнить физику и электротехнику.

Постоянный ток — название происходит от самого слова постоянный, то-есть ток, в котором отсутствуют пульсации, — в отличие от переменного тока. К таким источникам энергии \постоянного тока\ относятся химические источники тока:

  • первичные источники;
  • электрохимические аккумуляторы.

Первичные источники тока — это различные батарейки \разового пользования\, не подлежащие своему восстановлению в первоначальное состояние — после их разрядки.

К электрохимическим аккумуляторам относятся различные типы аккумуляторов, способность которых проявляется в возвращении их в свое первоначальное химическое состояние в процессе воздействия электрического тока, — зарядки аккумулятора. Другими словами, зарядили:

  • аккумулятор авто;
  • аккумулятор шуруповерта;
  • аккумуляторы соединенные в батареи — для телефонной связи,

— в результате, получаем неоднократную возможность в их дальнейшей эксплуатации, эксплуатации источников постоянного тока.

Какие преимущества мы находим в применении постоянного тока? Данную электрическую энергию можно аккумулировать, допустим, для той же самой ветряной электростанции, — при отсутствии ветра.

Следовательно, вывод такой, что в приведенных источниках электрической энергии отсутствует частота, — в виду отсутствия пульсаций тока.

Где еще можно наблюдать применение постоянного тока? Постоянный ток необходим также для питания электродвигателей — работающих от постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока применяются как тяговые двигатели, в которых допускается плавное вращение ротора, к примеру, в электровозе.

Вот мы и ответили на такой простой вопрос «для чего нужен постоянный ток».

Однополупериодный выпрямитель тока

Однополупериодный выпрямитель тока — это наиболее упрощенная схема выпрямления тока.

рис.1

рис.2

Рассмотрим две схемы, разница которых состоит в том, что в первой схеме однополупериодного выпрямителя тока, — параллельно нагрузке подключен конденсатор. Первая схема \рис.1\ состоит из:

и подключенной нагрузки ко вторичной обмотке трансформатора.

Во второй схеме однополупериодного выпрямителя тока, цепь вторичной обмотки трансформатора состоит из диода и подключенной нагрузки \рис.2\. В электротехнике, диоды состоящие в схеме, — еще называют вентилями. Если в своих описаниях схем Вы даете пояснение и заменяете слово «диод» словом «вентиль», — разницы не будет никакой.

На представленных кривых изменения напряжения \рис.1\ видно, что:

  • переменное напряжение в схеме наблюдается перед вентилем \диодом\;
  • после вентиля напряжение пульсирующее — положительной полярности

и после конденсатора, параллельно включенного перед нагрузкой, — напряжение выглядит как бы сглаживающим. То-есть конденсатор состоящий в схеме после диода, — сглаживает пульсацию. Поэтому, конденсаторы еще называют фильтрами.

Но для питания отдельных схем-блоков, к примеру в радиотехнике такие схемы выпрямления тока не подходят, так как пульсации будут создавать фон переменного тока, а это в свою очередь будет приводить к искажению звукового сигнала.

Для питания схем:

  • телевизоров;
  • транзисторных радиоприемников;
  • электронных приборов,

— схемы выпрямления, в целом состоят из так называемых реактивных элементов — дросселей и конденсаторов.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий

Adblock
detector