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

Откуда он берется: принципы получения однофазного и трехфазного переменного тока

Несмотря на то что многие приборы работают на постоянном токе, вся энергосистема страны построена на переменном.

Последний обладает рядом преимуществ: простота трансформации, низкая стоимость генераторов и двигателей. Как же происходит получение переменного тока?

Принцип получения переменного тока

Преобразование механической энергии в электрическую происходит за счет электромагнитной индукции. Это явление состоит в следующем: если магнитный поток (МП), пересекающий проводник, изменить, в дальнейшем возникнет электродвижущая сила (ЭДС). Добиться изменения МП можно путем перемещения проводника в магнитном поле.

Электродвижущая сила источника тока

ЭДС при этом равна Е = B * L * V * sin α, где:

• B — индукция МП, Гн;
• L — длина проводника, м;
• V — скорость движения сердечника относительно поля, м/с;
• α — угол между вектором скорости проводника и силовыми линиями поля.

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.

Источник