Большинство студентов начинают изучение электричества с так называемого постоянного тока (DC), то есть электричества, протекающего в постоянном направлении и/или обладающего напряжением с постоянной полярностью.
Постоянный ток – это вид электричества, производимый батареей (у которой определено, какой вывод положительный, а какой отрицательный), или разновидность электрического заряда, генерируемого при трении определённых типов материалов друг о друга.
Переменный ток против постоянного тока
Каким бы полезным и простым для понимания ни был постоянный ток, это не единственный используемый «вид» электричества. Определённые источники электричества (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) вырабатывают напряжение, меняющее полярность, изменяя положительную полярность на отрицательную (и затем наоборот) с течением времени.
Если имеет место подобное переключение полярности напряжения, либо происходит изменения направления тока (он движется то в одном направлении по цепи, то в противоположном), то такой «вид» электричества известен как переменный ток (AC):
Рис. 1. Переменный/постоянный ток (AC/DC).
Нам уже хорошо знакомо обозначение батареи, используемое как обобщённый символ для произвольного источника напряжения, генерирующего постоянный ток. Круг с S-образной линией внутри является обобщённым символом для произвольного источника напряжения, генерирующего переменный ток.
Можно задаться вопросом: зачем вообще понадобился этот странный AC? Такой вопрос не лишён оснований, действительно, 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 имеют значения, пока на нагрузку подаётся достаточное напряжение и ток для получения желаемого тепла (которое и есть рассеивание энергии электрической цепи в окружающее пространство). Однако с помощью переменного тока можно создавать электрические генераторы, двигатели и системы распределения энергии, которые гораздо эффективнее, чем постоянный ток. И тогда выясняется, что переменный ток используется преимущественно во всем мире в приложениях большой мощности.
Чтобы подробнее пояснить, почему это так, сначала необходимо получить некоторое начальное представление, а что это, собственно, вообще такое – AC?
Альтернаторы – генераторы переменного тока
Если механизм сконструирован таким образом, что с помощью вращающегося вала происходит обращение магнитного поля вокруг набора неподвижных катушек, то, пока этот вал вращается, на катушках будет создаваться переменное напряжение. Всё это происходит в соответствии с законом Фарадея об электромагнитной индукции.
Это и есть основной принцип работы генератора переменного тока, также известного как альтернатор. Проиллюстрируем основной принцип его работы:
Рис. 2. Принцип работы генератора переменного тока (альтернатора).
Обратите внимание, как полярность напряжения на проволочных катушках меняется на противоположную по мере того, как меняется относительное расположение неподвижной катушки и противоположных полюсов вращающегося магнита.
При подключении к нагрузке эта изменяющая полярность напряжения создаёт в цепи обратное направление тока. Чем быстрее вращается вал генератора, тем быстрее переворачивается магнит, что приводит к появлению переменного напряжения и тока, которые всё 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 для переменного тока.
В генераторе постоянного тока на вращающемся валу установлена катушка с проводом (а не магнит), а неподвижный магнит находится рядом. Электрическое соединение с этой вращающейся катушкой обеспечивается через неподвижные угольные «щётки», контактирующие с медными полосками на вращающемся валу.
Всё это необходимо для переключения изменяющейся выходной полярности катушки на внешнюю цепь, чтобы для внешней цепи полярность оставалась постоянной:
Рис. 3. Работа генератора постоянного тока
Такой генератор будет производить два импульса напряжения за один оборот вала, причем оба импульса будут однонаправленой полярности. Чтобы генератор постоянного тока вырабатывал постоянное напряжение, а не короткие импульсы напряжения каждые пол-оборота, в системе действует не одна катушка, а несколько наборов катушек, что обеспечивает периодический контакт с «щётками».
Схема на рисунке 3 заметно упрощена, а так DC-генераторы имеют ещё более сложную конструкцию.
При постоянных «соединение/разрыв» для электрического контакта с движущейся катушкой наблюдаются очевидные проблемы (в первую очередь, это искрение и нагрев), особенно если вал генератора вращается с высокой скоростью. Если рядом с генератором находятся легковоспламеняющиеся материалы или в воздухе содержатся взрывоопасные пары, ситуация с искрообразованием «щёточных» контактов ещё опаснее.
Преимущества переменного тока перед постоянным током с точки зрения конструкции генератора также отражены в электродвигателях.
В то время как для двигателей постоянного тока требуются «щётки» для электрического контакта с движущимися проволочными катушками, для двигателей переменного тока этой проблемы нет. Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы (в рамках этого курса можем считать их вообще идентичными). Двигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током, проходящим через его неподвижные проволочные катушки при вращении на валу магнита. Двигатель постоянного тока зависит от «щёточных» контактов, замыкающих и размыкающих соединение, что создают обратный ток, проходящий через вращающуюся катушку каждые пол-оборота (т.е. при каждом повороте на 180°).
Мы уже упоминали в прошлых лекциях про такой эффект электромагнетизма, как взаимная индукция, при котором две или более проводных катушек размещаются таким образом, что переменное магнитное поле, создаваемое одной катушкой, индуцирует напряжение в другой. Если у нас есть две взаимно индуктивные катушки, и запитываем одну катушку переменным током, то создаётся переменное напряжение в другой катушке. Используемое в таком виде устройство известно как трансформатор:
Рис. 4. Трансформатор «преобразует» (т.е. повышает или понижает) переменное напряжение и переменный ток.
Основное назначение трансформатора - его способность «передавать» повышенное или пониженное напряжение с катушки с питанием на катушку 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 катушка питает нагрузку, сила тока через вторичную катушку определяется прямо противоположным образом, нежели напряжение: и будет равна силе тока первичной катушки, умноженной на соотношение числа первичных и вторичных витков. Это имеет очень близкую механическую аналогию, когда крутящий момент и скорость зубчатой передачи используются для того, чтобы показать соответственно напряжение и силу тока в катушках трансформатора:
Рис. 5. Редуктор с повышающим крутящим моментом снижает крутящий момент и увеличивает скорость вращения. Понижающий трансформатор понижает напряжение и увеличивает силу тока.
Если соотношение обмоток сделать обратным, по сравнению с предыдущим примером, т.е. чтобы первичная обмотка имела меньше витков, чем вторичная, то такой трансформатор уже «увеличивает» напряжение от уровня источника до более высокого уровня на нагрузке:
Рис. 6. Редуктор с понижающим крутящим моментом повышает крутящий момент и уменьшает скорость вращения. Повышающий трансформатор повышает напряжение и уменьшает силу тока.
Способность трансформатора с лёгкостью повышать или понижать переменное напряжение в области распределения мощности даёт переменному току решающее преимущество, не имеющее чего-либо равноценного, по сравнению с постоянным током. Это показано на рисунке ниже.
При передаче электроэнергии на большие расстояния крайне эффективнее делать это с помощью высоких напряжений и низких токов (тогда требуются провода меньшего диаметра с меньшими потерями резистивной мощности), затем понижая напряжение и повышая ток для промышленных или частных потребителей.
Рис. 7. Трансформаторы обеспечивают эффективную передачу электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния.
Трансформаторная технология сделала возможной распределённую подачу электроэнергии на большие расстояния. Без эффективного повышения/понижения напряжения непомерно дорого строить энергосистемы для чего угодно, разве что только для небольших расстояний (не более нескольких миль).
Конечно, постоянный ток может прерываться (пульсировать) в первичной обмотке трансформатора для создания изменяющегося магнитного поля (это используется в автомобильных системах зажигания для выработки питания высоковольтной свечи зажигания от низковольтной батареи постоянного тока). Однако импульсный постоянный ток мало чем по своей сути отличается от переменного тока.
Возможно, именно поэтому переменный ток находит такое широкое применение в энергосистемах.
Итог
DC означает «постоянный ток», что означает напряжение или силу тока, с течением времени сохраняющие постоянную полярность или направление.
AC означает «переменный ток», что означает напряжение или силу тока, с течением времени меняющие полярность или направление.
Принципы конструкции двигателей переменного или постоянного тока очень точно соответствуют принципам конструкции генераторов переменного или постоянного тока.
Трансформатор представляет собой пару взаимно индуктивных катушек, используемых для передачи переменного тока от одной катушки к другой. Часто количество витков в каждой катушке устанавливается для увеличения или уменьшения напряжения от (первичной) активной катушки к (вторичной) катушке без питания.
_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B8_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_4_29052021_1501.jpg)
