Что такое переменный ток (AC)?

Большинство студентов, изучающих электричество, начинают свое изучение с так называемого постоянного тока . (DC), то есть электричество, текущее в постоянном направлении и / или имеющее напряжение с постоянной полярностью.

Постоянный ток - это вид электричества, производимого батареей (с определенными положительными и отрицательными клеммами), или вид заряда, генерируемый при трении определенных типов материалов друг о друга.

Переменный ток против постоянного

Каким бы полезным и простым для понимания ни был постоянный ток, это не единственный используемый «вид» электричества. Определенные источники электричества (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) естественным образом вырабатывают напряжения, меняющие полярность, меняя положительную и отрицательную с течением времени на противоположные.

Либо как полярность переключения напряжения, либо как направление переключения тока вперед и назад, этот «вид» электричества известен как переменный ток (AC):

Постоянный и переменный ток

В то время как знакомый символ батареи используется как общий символ для любого источника постоянного напряжения, круг с волнистой линией внутри является общим символом для любого источника переменного напряжения.

Можно задаться вопросом, зачем кому-то нужна такая вещь, как AC. Верно, что в некоторых случаях переменный ток не имеет практического преимущества перед постоянным током.

В приложениях, где электричество используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеет значения, пока на нагрузку поступает достаточно напряжения и тока, чтобы произвести желаемое тепло (рассеивание мощности). Однако с помощью переменного тока можно создавать электрические генераторы, двигатели и системы распределения энергии, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, и поэтому мы обнаруживаем, что переменный ток используется преимущественно во всем мире в приложениях с большой мощностью.

Чтобы подробно объяснить, почему это так, необходимы некоторые базовые знания об AC.

Генераторы переменного тока

Если машина сконструирована так, чтобы вращать магнитное поле вокруг набора неподвижных катушек с проволокой с вращением вала, то в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея на катушках с проволокой будет создаваться переменное напряжение, когда этот вал вращается. P>

Это основной принцип работы генератора переменного тока, также известного как генератор переменного тока . :Рисунок ниже

Работа генератора

Обратите внимание, как полярность напряжения на проволочных катушках меняется на противоположные по мере прохождения противоположных полюсов вращающегося магнита.

При подключении к нагрузке эта изменяющая полярность напряжения создает в цепи обратное направление тока. Чем быстрее вращается вал генератора, тем быстрее будет вращаться магнит, что приведет к появлению переменного напряжения и тока, которые чаще меняют направление за заданный промежуток времени.

Хотя генераторы постоянного тока работают по тому же общему принципу электромагнитной индукции, их конструкция не так проста, как их аналоги переменного тока.

В генераторе постоянного тока катушка с проволокой устанавливается на валу, где магнит находится на генераторе переменного тока, и электрические соединения с этой вращающейся катушкой выполняются через неподвижные угольные «щетки», контактирующие с медными полосками на вращающемся валу.

Все это необходимо для переключения изменяющейся выходной полярности катушки на внешнюю цепь, чтобы внешняя цепь видела постоянную полярность:

Работа генератора постоянного тока

Показанный выше генератор будет производить два импульса напряжения за один оборот вала, причем оба импульса имеют одинаковое направление (полярность). Чтобы генератор постоянного тока производил постоянную Напряжение, а не короткие импульсы напряжения каждые 1/2 оборота, есть несколько наборов катушек, периодически контактирующих с щетками.

Схема, показанная выше, немного упрощена, чем то, что вы видите в реальной жизни.

Проблемы, связанные с установлением и разрывом электрического контакта с движущейся катушкой, должны быть очевидны (искрение и нагрев), особенно если вал генератора вращается с высокой скоростью. Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше.

Генератор переменного тока (генератор переменного тока) не требует для работы щеток и коммутаторов, поэтому он невосприимчив к этим проблемам, с которыми сталкиваются генераторы постоянного тока.

Двигатели переменного тока

Преимущества переменного тока перед постоянным током с точки зрения конструкции генератора также отражены в электродвигателях.

В то время как двигатели постоянного тока требуют использования щеток для электрического контакта с движущимися катушками проволоки, двигатели переменного тока этого не делают. Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы (идентичны для этого руководства), двигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током через его неподвижные катушки провода для вращения вращающегося магнита. на валу, а двигатель постоянного тока зависит от контактов щетки, замыкая и размыкая соединения, чтобы направить обратный ток через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

Трансформеры

Итак, мы знаем, что генераторы переменного тока и двигатели переменного тока имеют тенденцию быть проще, чем генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Эта относительная простота означает большую надежность и более низкую стоимость производства. Но для чего еще нужен AC? Конечно, это должно быть что-то большее, чем детали конструкции генераторов и двигателей! Действительно, есть.

Существует эффект электромагнетизма, известный как взаимная индукция . , при этом две или более катушек провода размещены так, что изменяющееся магнитное поле, создаваемое одной, индуцирует напряжение в другой. Если у нас есть две взаимно индуктивные катушки, и мы запитываем одну катушку переменным током, мы создадим переменное напряжение в другой катушке. При использовании в таком виде это устройство называется трансформатором . :

Трансформатор «преобразует» переменное напряжение и ток.

Основное значение трансформатора - это его способность повышать или понижать напряжение от катушки с питанием к катушке без питания. Напряжение переменного тока, индуцированное в обесточенной («вторичной») катушке, равно напряжению переменного тока на питаемой («первичной») катушке, умноженному на отношение витков вторичной катушки к виткам первичной катушки.

Если вторичная обмотка питает нагрузку, ток через вторичную обмотку прямо противоположен:ток первичной обмотки умножается на соотношение первичных и вторичных витков. Эта взаимосвязь имеет очень близкую механическую аналогию, в которой крутящий момент и скорость используются для представления напряжения и тока соответственно:

Зубчатая передача умножения скорости снижает крутящий момент и увеличивает скорость. Понижающий трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток.

Если соотношение обмоток меняется на обратное, так что первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная обмотка, трансформатор «увеличивает» напряжение от уровня источника до более высокого уровня на нагрузке:

Редукторная передача увеличивает крутящий момент и снижает скорость. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток.

Способность трансформатора с легкостью повышать или понижать переменное напряжение дает переменному току преимущество, не имеющее себе равных с постоянным током, в области распределения мощности на рисунке ниже.

При передаче электроэнергии на большие расстояния гораздо эффективнее делать это с помощью повышенных напряжений и пониженных токов (провод меньшего диаметра с меньшими резистивными потерями мощности), затем понижать напряжение и повышать ток для промышленность, бизнес или потребительское использование.

Трансформаторы обеспечивают эффективную передачу электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния.

Трансформаторная технология сделала возможным распределение электроэнергии на большие расстояния. Без возможности эффективно повышать и понижать напряжение было бы непомерно дорого строить энергосистемы для чего-либо, кроме использования на близком расстоянии (не более нескольких миль).

Какими бы полезными ни были трансформаторы, они работают только с переменным током, а не с постоянным током. Поскольку явление взаимной индуктивности зависит от изменения магнитные поля и постоянный ток (DC) могут создавать только постоянные магнитные поля, трансформаторы просто не будут работать с постоянным током.

Конечно, постоянный ток может прерываться (пульсировать) через первичную обмотку трансформатора для создания изменяющегося магнитного поля (как это делается в автомобильных системах зажигания для выработки питания высоковольтной свечи зажигания от низковольтной батареи постоянного тока), но импульсный постоянный ток не так уж отличается от переменного тока.

Возможно, именно поэтому переменный ток в большей степени, чем какая-либо другая причина, находит такое широкое применение в энергосистемах.

ОБЗОР:

• DC означает «постоянный ток», что означает напряжение или ток, который сохраняет постоянную полярность или направление, соответственно, с течением времени.
• AC означает «переменный ток», что означает напряжение или ток, который со временем меняет полярность или направление соответственно.
• Электромеханические генераторы переменного тока, известные как генераторы . , имеют более простую конструкцию, чем электромеханические генераторы постоянного тока.
• Конструкция двигателей переменного и постоянного тока очень точно соответствует принципам проектирования генераторов.
• трансформатор представляет собой пару взаимно индуктивных катушек, используемых для передачи мощности переменного тока от одной катушки к другой. Часто количество витков в каждой катушке устанавливается для увеличения или уменьшения напряжения от активной (первичной) катушки к обмотанной (вторичной) катушке.
• Вторичное напряжение =Первичное напряжение (вторичные витки / первичные витки)
• Вторичный ток =первичный ток (первичные витки / вторичные витки)

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Базовая таблица источников питания переменного и постоянного тока
• Таблица повышающих, понижающих и изолирующих трансформаторов