Получение переменного электрического тока

Переменным током, в традиционном понимании, называется ток, получаемый благодаря переменному, гармонически изменяющемуся (синусоидальному) напряжению. Переменное напряжение генерируется на электростанции, и постоянно присутствует в любой настенной розетке.

Для передачи электроэнергии на большие расстояния также используется именно переменный ток, поскольку переменное напряжение легко повышается при помощи трансформатора, и таким образом электрическую энергию можно передать на расстояние с минимальными потерями, а затем обратно понизить с помощью трансформатора до приемлемого для бытовой сети значения.

Генерация переменного напряжения (и соответственно тока) осуществляется на электростанции, где промышленные генер аторы переменного тока приводятся во вращение от турбин, движимых паром высокого давления. Пар получается из воды, которая сильно разогревается теплом, выделяемым в процессе ядерной реакции или при сжигании ископаемого топлива, в зависимости от типа конкретной электростанции. В любом случае, вращение генератора переменного тока — это и есть причина образования переменного напряжения и тока.

Для ответа на вопрос, как в генераторе образуется переменный ток, достаточно рассмотреть элементарную модель, состоящую из куска провода, и магнита, попутно вспомнив силу Лоренца и закон электромагнитной индукции. Допустим, провод длиной 10 см лежит на столе, а у нас в руке сильный неодимовый магнит, размер которого немного меньше провода. Присоединим к концам провода чувствительный гальванометр или стрелочный вольтметр.

Поднесем магнит одним из полюсов близко к проводу, на расстояние менее 1 см, и быстро проведем магнитом над проводом поперек него слева направо — пересечем магнитным полем магнита проводник. Стрелка гальванометра резко отклонится в определенную сторону, затем вернется в исходное положение.

Перевернем магнит другим полюсом к проводу. И снова, движением руки слева на право, быстро пересечем магнитным полем экспериментальный проводник. Стрелка гальванометра резко отклонилась в другую сторону, затем вернулась в исходное положение. Вместо того чтобы переворачивать магнит, можно сначала совершить движение слева направо, а потом — справа налево, эффект смены направления генерируемого тока получится аналогичным.

Эксперимент показал, что для получения переменного напряжения нам необходимо либо двигать магнит поперек провода вправо-влево, либо пересекать проводник чередующимися магнитными полюсами. В генераторе на электростанции (и во всех традиционных генераторах переменного тока) применен второй вариант.

Принцип действия генератора — получение переменной электродвижущей силы (напряжения)

Переменное синусоидальное напряжение

Генератор переменного тока на электростанции состоит из ротора и статора. Механическая энергия вращающейся турбины передается ротору. Магнитное поле ротора сконцентрировано на его полюсных наконечниках, и создается либо закрепленными на нем постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора.

Обычно обмотка статора состоит из трех отдельных обмоток, смещенных относительно друг друга в пространстве, что приводит к возникновению переменного напряжения и тока в каждой из трех обмоток. Таким образом, каждая из трех обмоток статора является источником переменного напряжения, причем мгновенные значения напряжений смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Это и называется трехфазный переменный ток.

Получение трехфазного переменного напряжения и тока

Ротор генератора с двумя магнитными полюсами, вращающийся с частотой 3000 оборотов в минуту, дает 50 пересечений каждой фазы обмотки статора за секунду. А поскольку между магнитными полюсами имеется нулевая точка, то есть место, где индукция магнитного поля равна нулю, то во время каждого полного оборота ротора наведенное в обмотке напряжение переходит через ноль, затем изменяет полярность. В результате напряжение на выходе имеет форму синусоиды и частоту 50 Гц.

Когда источник переменного напряжения соединен с нагрузкой, в цепи получается переменный ток. Напряжение и максимально допустимый ток статора тем больше, чем сильнее магнитное поле ротора, т.е. чем больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных генераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу основного генератора.

Источник

Как получить переменный электрический ток?

Практически все знают, что в бытовой сети повсеместно используется переменное напряжение, как результат, питание всех домашних устройств осуществляется переменным током. Однако, далеко не всем известны способы получение переменного тока, особенности формирования электрической величины и способы, которыми он генерируется на практике. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим как теоретический, так и практический аспект данного вопроса.

Теория

С одной стороны каждому известно, что первое знакомство человечества с электрической энергией произошло на примере постоянного тока. Только в 1831 году исследование явления магнитной индукции привели к генерации переменных токов. Первые эксперименты задействовали электрический проводник, помещаемый в магнитный поток.

Для примера вам следует рассмотреть обычный проводник, приведенный в состояние замкнутого контура, края проводника можно подключить к измерительному прибору для фиксации изменения электрических величин.

Далее вам необходимо:

• взять хороший магнит, если под рукой имеется мощный неодимовый, то он подойдет лучше всего;
• подключите проводник к гальванометру, всю электрическую цепь положите на стол или другую поверхность из изолирующего материала;
• поднесите магнит к проводнику как можно ближе, желательно, чтобы расстояние было не больше 10 мм;
• сделайте резкое движение в перпендикулярной плоскости по отношению к проводнику;
• обратите внимание на прибор, стрелка гальванометра отклонится от равновесного положения в какую-либо сторону – в результате электромагнитных колебаний в проводнике наводится ЭДС индукции, которая и обуславливает возникновение переменного тока в замкнутом контуре.

Повторите манипуляцию с магнитом несколько раз, и вы увидите, как гальванометр равномерно отклоняется в сторону, по мере приближения полюса к проводнику и так же равномерно возвращается в исходную позицию по мере удаления магнита. Отклонение стрелки свидетельствует об изменении величины тока и потенциала, индуцируемых в металле. Амплитуда колебаний тока не постоянна во времени, из-за чего данная величина и называется переменной.

Заметьте, если перемещать возле провода один магнитный полюс, то стрелка будет отклоняться в одном направлении, если повернуть противоположным магнитным полюсом, то и направление отклонения стрелки соответственно изменится.

Один контур представляет собой лишь пример для понимания сути получения переменного электрического тока, так как ЭДС в нем будет слишком малой и мощности не хватит даже для питания светодиода. В промышленных масштабах вместо вращения витка используют целые обмотки с множеством витков. На практике не имеет значения, происходит движение магнита относительно проводника или это замкнутый контур движется по отношению к полюсу магнита.

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

Сама величина электродвижущей силы определяется из соотношения физических параметров по такой формуле:

где n – это количество витков обмоток

а соотношение dФ_B/dt – это скорость изменения электромагнитной индукции во времени.

Способы получения

Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.

Рис. 1. Рамкой и магнитами

Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.

При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.

По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.

Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.

Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:

• большие пусковые токи;
• отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
• меньшая степень контроля за системой.

Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.

Рис. 5. Схема инвертора

На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.

Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.

Источник

Получение переменного тока в быту и на производстве: теоретическая база, способы и приемы получения

Переменный ток — это ток электрической цепи, который на протяжении определенного периода времени меняется по своему значению и направлению. В отдельных ситуациях его величина может меняться, а направление оставаться прежним.

Преимущество переменного тока перед постоянным током в том, что он дешевле по передачи и проще по преобразованию. В рамках данной публикации мы обсудим получение переменного тока в бытовых условиях и в промышленности. Начнем!

Основатель электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в начале 19 столетия. Этот физический закон теперь носит его имя. Он проводил эксперименты по получению переменного тока с двумя конструкциями.

Одна из них включала в себя железный стержень и два намотанных проводника, которые не имели связи друг с другом.

Он использовал специальный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов – гальванометр, и подключал его к источнику питания.

Прибор для получения тока, подключенный ко второму переходнику, заставлял стрелку прибора двигаться. Таким образом, он доказал, что получение магнитного поля оказывает влияние на движение заряженных частиц в проводнике.

Следующая конструкция, с которой был опыт по получению переменного тока – это диск. Это изделие, выполненное из металла, к которому подсоединяются два скользящих проводника.

Они в это время подключены к измерительному прибору. Фарадей раскручивал диск около магнита, после чего стрелка гальванометра также начала двигаться, показывая получение переменного тока.

Благодаря этим экспериментам, у ученого родилась формула, которая объясняет получение электротока и все происходившие процессы. Выглядит она следующим образом. «ЭДС индукции»:

где E – электродвижущая сила индукции;

N – количество намоток проводника, который двигают в силовом поле;

– насколько быстро меняется силовой поток касательно проводников.

В профессиональной литературе можно встретить еще одну формулу выражения получения электродвижущей силы. Она зависит от величины магнитной индукции, и выглядит следующим образом:

Давайте вспомним формулу, которая связывает магнитный поток и индукцию. Исходя из этого, можно понять, как была выведена формула ЭДС индукции через магнитную индукцию:

Именно по такому алгоритму происходило получение электротока в экспериментах. А теперь обсудим, какое отношение имеет получение переменный ток к бытовым процессам.

Как можно получить переменный электрический ток дома

Предположим, что мы имеем некоторую конструкцию, которая способна проводить переменный электрический ток. Что будет, если она попадет под влияние силового поля?

Если следовать формулам, которые мы привели выше, при вращении через данную конструкцию будет протекать переменный ток определённой напряженности.

Если конструкция будет оборачиваться равномерно, то на ее концах образуется цепь переменного электротока. Она будет иметь форму синусоиды.

Весь этот процесс объясняется тем, что через конструкцию в разных ее положениях проходит большое число различных силовых потоков.

Если конструкция вращается, то значение электродвижущей силы не будет распределяться равномерно, а будет коррелировать от положения осей конструкции.

Во время получения оборачиваемости токопроводящей конструкции от количества оборотов за определенное время будет зависеть, как частота переменного электротока, так и значение движущей силы на концах изделия.

Для того, чтобы движущая сила достигла некоторого значения при стабильной частоте, на проводнике добавляют количество намоток. Из-за этого проводимая конструкция превращается в катушку.

В промышленности цепь переменного электротока образовывается по такому же принципу.Сейчас можно встретить множество электрических станций, которые применяют генераторы с таким электрическим током.

Чаще всего применяют синхронные движки, которые удобно регулировать по частоте и величине электродвижущей силы переменного тока. Кроме этого, они устойчивы к вспышкам перегрузок в электрической сети.

На электрических станциях широкую популярность приобрели генераторы из трех фаз.

Этот вариант был выбран с точки зрения экономичности и технических характеристик, которые необходимы для получения движущегося силового поля.

А без него не будет работать ни один электрический двигатель, которые и лежат в основе работы любого электрического производства в нашей стране.

Подвижную часть любого двигателя (ротор)приводят в действие определенные силы. Количество полюсов может быть совершенно разным, при этом.

Например, если движущаяся часть оборачивается со скоростью 3000 оборотов в минуту, то, чтобы допиться величины переменного электротока с частотой около 50 Гц, необходим генератор с двойной полярностью.

Если же количество оборот сокращается в два раза, число полюсов возрастает с обратной пропорциональностью.

На движимой части двигателя (роторе) расположена намотка возбуждения, по которой поступает электроток от генератора-побудителя. Ток может поступать и от полупроводникового побудителя при помощи механизма со специальными щетками.

В отличие от коллекторных двигателей, щетки находятся на кольцах. Это обеспечивает изменение силового поля намоток по величине – во время регулирования электротока побудителя. При этом силовое поле катушки остается неизменным по знаку и направлению.

Исходя из этого принципа работы, выбираются предпочтительные условия для поддержания функционирования генератора с переменным электрическим током.

Как мы видим, переменный электроток для масштабных производств образовывается при помощи явления электромагнитной индукции.

Пример рассмотрен на основе генераторов с тремя фазами.В домашних условиях можно также применять и генераторы с одной фазой.

Для ремонтных работ чаще всего используют трехфазные механизмы. Это объясняется тем, что основные строительные приборы питаются от трехфазной сети.Это, например, бетономешалки, циркулярные пилы, некоторые модели сварочных приборов.

Обращаем ваше внимание, что для получения электротока подходят только синхронные генераторы. Асинхронные двигатели – не выдерживают большой нагрузки. Их чаще всего покупают для получения электрического обеспечения дач или коттеджей.

Цифровые инверторы для получения электротока

Следует сказать, что применение электрических станций на бензине или дизеле не всегда практично и удобно. Чтобы выйти из такой ситуации, нужно получение переменного электрического тока, преобразовав его в постоянный.

С этим справится специальный преобразовательный прибор – инвертор. Такой специальный прибор преобразует величину и характер электротока.

На рынке его мощность стартует от 12 или 24 Вольт и достигает 220. Логично, что эти инверторы постоянные 12 или 24 Вольта меняют на 220 Вольт переменного тока при частоте 50 Гц.

Эта схема образует цепь электротока в виде получения модифицированной синусоидальной линии.

Конечно, она не очень подойдет для питания индуктивной напряженности некоторых строительных инструментов, но для одноразового использования такой метод можно применять.

Отметим, что инверторы, для получения электротока, которые модифицируют синусоидальную линию электротока, стоят на порядок больше, а их конструкции намного сложнее.

На заметку! Если вы покупаете недорогие платы на китайских сайтах, не нужно думать, что частота будет 50 Гц. Большая часть таких приборов позволяет получать ток напряженностью 220В. Он подойдет для работы множества ламп Ильича или бытовых обогревателей.

На этом все! В данной статье мы постарались сжато объяснить, как происходит получение электротока переменной цепи для разных целей. Принцип такого получения известен человечеству уже более двухсот лет.

Запомните, что преимущественное большинство приборов, которые мы встречаем дома или на производствах, завязаны на использовании исключительно тока переменной цепи.

Верим, что данная информация была для вас полезной и интересной. В завершении рекомендуем ознакомиться с видеороликом, где специалисты показывают работу генератора по получению переменного электротока.

Источник