Меню

В чем преимущество переменного тока перед постоянным током

Преимущества переменного тока. Основные понятия

Линейные электрические однофазные цепи переменного (синусоидального) тока.

Лекция 2.

Под переменным током подразумевается электрический ток, изменяющийся в течение времени по значению и направлению за равные промежутки времени.

Ведя речь о переменном токе, обычно имеют в виду синусоидальный ток, т.е. ток, изменяющийся по синусоидальному закону и проходящий в замкнутой цепи под действием синусоидальной ЭДС.

К преимуществам переменного тока следует отнести следующие:

1. Проще (с помощью трансформатора) изменять рабочее напряжение.

2. Возможность получения источников электрической энергии большой мощности.

3. Возможность повышения КПД при передаче электроэнергии на большие расстояния за счёт повышения напряжения ЛЭП.

4. Двигатели переменного тока (в частности, асинхронные двигатели, в которых отсутствуют движущиеся электрические контакты) проще и дешевле двигателей постоянного тока.

Величины, характеризующие синусоидальный ток:

1. Амплитуда – максимальное значение периодически изменяющейся величины Еm, Um, Im.

2. Наименьший интервал времени, по истечении которого мгновенные значения периодического электрического тока повторяются, называется периодом или циклом. Период обозначается буквой Т.

Рис. 2.1 Кривая синусоидального

3. Частота – число циклов в единицу времени (в секунду). Единицей частоты служит Герц, равный одному периоду в одну секунду.

4. Угловая частота (угловая скорость) – характеризуется углом поворота в единицу времени.

За время одного цикла рамка повернётся на угол 360 о =2p. Следовательно, угловую частоту можно выразить следующим образом:

Для частоты f = 50Гц, w=314 с -1 =314 рад/с

5. Мгновенное значение – это значение переменной величины в любой конкретный момент времени t1 и обозначается малыми буквами e, i, u т.е.

т.е. синусоидальная величина характеризуется амплитудой, угловой частотой и начальной фазой y.

6. Среднее значение переменного тока и напряжения и ЭДС.

За среднее значение синусоидального тока можно принять такое значение постоянного тока, при котором за полпериода (Т/2) поставляется такое же количество электричества, что и при синусоидальном токе.

Рис. 2.2 Среднее значение тока.

Среднее значение переменного тока за период равно нулю.

Средние значения электрических величин важны при рассмотрении пульсирующих токов.

7. Действующие (эффективные) значения переменного тока, напряжения и ЭДС.

Действующее значение переменного тока I равно величине такого постоянного тока, которая за время, равное одному циклу переменного тока T, выделит в том же сопротивлении R такое же количество тепла, что и переменный ток i.

Количество тепла, выделенное переменным током в проводнике в течение периода

Такое же количество тепла может быть получено и в том случае, если в проводнике будет протекать постоянный ток.

Количество тепла, выделенное постоянным током I в сопротивлении R за период Т:

Следовательно, действующее значение синусоидального тока (напряжения, ЭДС) меньше своей амплитуды в раз:

Все электроизмерительные приборы переменного тока (кроме электронных) показывают действующие значения электрических величин.

Стандартные напряжения U=127В или U=220B выражают действующие значения этих напряжений. Однако, изоляцию электротехнических и других устройств следует рассчитывать, исходя из знаний амплитудных значений этих напряжений:

Поэтому в настоящее время для сверхдальних передач стремятся применять постоянный ток высокого напряжения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки

Программирование микроконтроллеров Курсы

Постоянный и переменный ток преимущества и недостаткиКакой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?

Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.

Постоянный или переменный ток

Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.

Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.

I1 = P/U1 = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.

I2 = P/U2 = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.

Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.

Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.

Pпот1 = I1 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.

Читайте также:  Что такое электрический ток в различных средах определение

Pпот2 = I2 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.

Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.

Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.

Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.

Преимущества переменного тока

Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.

Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.

Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.

Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.

Недостатки постоянного тока

Из выше изложенного следуют такие недостатки.

  1. Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
  2. Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
  3. Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.

Недостатки переменного тока

  1. Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.

Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.

  1. Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.

Преимущества и недостатки переменного тока

Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.

Преимущества постоянного тока

  1. Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
  2. Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Автономный инвертор, асинхронный двигатель

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Читайте также:  Диоды в электрической цепи переменного тока

Преимущества и недостатки постоянного тока

Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.

Выводы: постоянный или переменный ток

Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.

Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.

Источник

Переменный ток и постоянный ток: отличие

В чём разница переменного и постоянного тока

Общее понятие электрического тока можно выразить как движение различных заряженных частиц (электронов, ионов) в некотором направлении. А его величину охарактеризовать числом заряженных частиц, которые прошли через проводник за определенный промежуток времени.

Переменный ток и постоянный ток отличие 01

Если величина заряженных частиц в 1 кулон проходит через определенное сечение проводника за время в 1 секунду, тогда можно говорить о силе тока в 1 ампер протекающего через проводник. Таким образом определяется количество ампер или сила тока. Это общее понятие тока. А теперь рассмотрим понятие переменного и постоянного тока и их различие.

Постоянный электрический ток по определению – это ток, который течёт только в одном направлением и не меняет его со временем. Переменный ток характерен тем, что меняет свое направление и величину со временем. Если графически постоянный ток отображается как прямая линия, то переменный ток течет по проводнику по закону синуса и графически отображается как синусоида.

Графическое изображение постоянного тока

Графическое изображение постоянного тока

Так как переменный ток меняется по закону синусоиды, то он имеет такие параметры как период полного цикла, время которого обозначается буквой Т. Частота переменного тока обратна периоду полного цикла. Частота переменного тока выражается числом полных периодов в определенный промежуток времени (1 сек).

Графическое изображение переменного тока

Графическое изображение переменного тока

Таких периодов в нашей электросети переменного тока равно 50, что соответствует частоте 50 Гц. F = 1/Т, где период для 50 Гц равен 0,02 сек. F =1/0,02 = 50 Гц. Обозначается переменный ток английскими буквами AC и знаком «

». Постоянный ток имеет обозначение DC и значок «-». Кроме того переменный ток может быть однофазным или многофазным. В основном используется трехфазная сеть.

Почему в сети переменное напряжение, а не постоянное

Переменный ток имеет много преимуществ перед постоянным током. Низкие потери при передаче переменного тока в линиях электропередач (ЛЭП) по сравнению с постоянным током. Генераторы переменного тока простые и дешевые. При передаче на большие расстояния по ЛЭП высокое напряжение достигает 330 тысяч вольт с минимальным током.

Чем меньше ток в ЛЭП, тем меньше потерь. Передача постоянного тока на большие расстояния понесет немалые потери. Также высоковольтные генераторы переменного тока значительно проще и дешевле. Из переменного напряжения легко получить более низкое напряжение через простые трансформаторы.

Также, значительно дешевле получить постоянное напряжение из переменного, чем наоборот, использовать дорогие преобразователи постоянного напряжения в переменное. Такие преобразователи имеют низкий КПД и большие потери. По пути передачи переменного тока используют двойное преобразование.

Сначала с генератора получает 220 – 330 Кв, и передают на большие расстояния до трансформаторов, которые понижают высокое напряжение до 10 Кв и далее идут подстанции которые понижают высокое напряжение до 380 В. С этих подстанций электроэнергия расходится по потребителям и поступает в дома и на электрощиты многоквартирного дома.

Три фазы трехфазного тока

Три фазы трехфазного тока сдвинутые на 120 градусов

Для однофазного напряжения характерна одна синусоида, а для трехфазного три синусоиды, смещенные на 120 градусов относительно друг друга. Трехфазная сеть также имеет свои преимущества перед однофазными сетями. Это меньше габариты трансформаторов, электродвигатели также конструктивно меньших размеров.

Имеется возможность изменить направление вращения ротора асинхронного электродвигателя. В трехфазной сети можно получить 2 напряжения – это 380 В и 220 В, которые используются для изменения мощности двигателя и регулировки температуры нагревательных элементов. Используя трехфазное напряжение в освещении можно устранить мерцание люминесцентных ламп, для чего их подключают к разным фазам.

Постоянный ток используется в электронике и во всех бытовых приборах, так как он легко преобразуется из переменного за счёт его деления на трансформаторе до нужной величины и дальнейшего выправления. Источником постоянного тока являются аккумуляторы, батареи, генераторы постоянного тока, светодиодные панели. Как видно различие в переменном и постоянном токе немалое. Теперь мы узнали – Почему в нашей розетки течет переменный ток, а не постоянный?

Источник



Трехфазный ток: его описание

Трехфазный переменный ток. Очень многие слышали о существовании такого. Однако сталкиваются с этим током люди, работающие на производствах. В быту трехфазный ток не находит пока применения. Только если вы не решили установить у себя в гараже токарный или фрезерный станок, предназначенный для промышленных нужд.

Читайте также:  Чем больше напряжение что происходит с током

Что такое ток?

Током называют упорядоченное движение заряженных частиц по проводнику. В металлическом проводнике (провода, кабели) проводят ток электроны. В воздухе и жидкости – ионы.

Источник тока или то, откуда начинают свое движение электроны, обозначают знаком «+», а то, куда они приходят, обозначают знаком «-». Это поведение электрического тока называют постоянным током. Он на протяжении всего времени, пока замкнута цепь, не меняет своего направления.

График постоянного тока

Переменный ток

Переменному току свойственно изменять свое направление течения по проводнику. Для нашей сети частота изменения направления, то есть, ток протек в одном направлении, а затем вернулся, равна 50 Гц.

Генерация переменного тока происходит следующим образом: в статор, в котором намотаны обмотки, устанавливается электромагнит, который создает магнитное поле, которое, в свою очередь, и заставляет упорядоченно двигаться заряженные частицы. При прохождении рядом с обмоткой магнитного поля сила тока возрастает, и он протекает в одну сторону.

После прохождения пика сила магнитного потока относительно обмотки спадает до нуля, а затем противоположным полюсом магнита снова возрастает сила тока. Только в этот раз он протекает в обратном направлении. Питание на электромагнит приходит в зависимости от конструкции генератора переменного тока.

график переменного тока

Трехфазный переменный ток

По-простому объяснить его можно так: это ток, который меняет свое направление одновременно по 3 проводникам. Смысл этого заключается в том, что пока одна фаза находится в пике, то есть, дает максимум тока, две другие — наполовину от максимального значения. И так получается, что ток будто бы растекается между двумя оставшимися фазами. Такое перетекание плавно, поэтому график синусоидальный.

Преимущество переменного тока перед постоянным

Теперь о преимуществе трехфазного переменного тока. Объяснить это достаточно просто. Прежде всего:

  • Машины, генерирующие переменный трехфазный ток, намного проще в устройстве и обслуживании, чем генераторы постоянного тока.
  • Также они дешевле в обслуживании и ремонте.

Машины, работающие на переменном токе, также просты в ремонте и обслуживании, у них отсутствует искрящий коллектор, как у двигателя постоянного тока. Искрящий коллектор является причиной помех радиосигнала, как аналогового, так и цифрового, поэтому некоторая электроника буквально «сходит с ума» рядом с такими агрегатами. Машины постоянного тока требуют регулярного осмотра, замены щеток, а также их сложнее ремонтировать, и, как следствие, дороже.

Переменный ток в любой момент можно выпрямить при помощи диодного моста. Но он будет пульсировать.

график переменного и постоянного тока

Для того, чтобы избавиться от пульсаций, в цепь устанавливают конденсатор и катушку. Эта конструкция называется L-C фильтром. При повышении тока конденсатор заряжается, немного снижая максимальную величину, а при его падении разряжается, сглаживая пульсации, и напряжение перестает падать до нуля. Катушка способна сгладить остаточные пульсации. Трехфазный ток выравнивается при помощи выпрямителя Миткевича или Ларионова, при этом на выходе пульсации уже мизерные.

Низкая пульсация

Выпрямитель Миткевича выглядит так:

выпрямитель Миткевича

Недостатки переменного тока

В первую очередь, довольно низкое напряжение, которое может нанести вред здоровью или даже стать причиной смерти: всего 42 В при том, что для постоянного тока считается опасным 110 В. Конечно, эта цифра для каждого своя и зависит от множества факторов.

Также у машин переменного тока ограничена максимальная скорость вращения: 3000 об. /мин. Это предел асинхронного двигателя. Скорость вращения может быть ниже. Это зависит от количества полюсных пар.

Для повышения скорости вращения асинхронного двигателя, а также для динамического управления скоростью придется использовать частотный преобразователь. Чем выше частота, тем выше скорость вращения магнитного потока в пространстве, а значит и ротора. Такие частотные преобразователи довольно дорогие.

Также недостатком является то, что получить трехфазный ток из постоянного — очень недешевый процесс. Для преобразования чистого синусоидального напряжения используют инвенторы. Такие устройства довольно дорогие в производстве. На рынке можно встретить автоинвентор — прибор, который устанавливается в автомобиль для получения с 12 В постоянного тока 220 переменного на выходе.

синусоидальный график

Проблема в том, что там на выходе переменный ток, но не синусоидальный. Скорее, там находится раскачанный постоянный ток. Такие устройства намного дешевле, но, к примеру, двигатель от них работать не будет. Суть в том, что магнитный поток в моторе плавно перетекает при вращении, а в данном случае он будет меняться вспышками, что делает невозможным работу асинхронного двигателя, и, скорее всего, выведет его из строя.

Заключение

В заключение хотим сказать, что перечисленные недостатки переменного тока, на наш взгляд, несущественны, так как они имеют более дешевые аналогичные решения. Переменный ток более универсален, а высокие мощности проще преобразуются. Последнее происходит при помощи силовых трансформаторов. Потери, которые образуются на переходах у переменного тока, ниже, чем у постоянного. К примеру, для передачи электричества на большие расстояния напряжение повышают до огромных величин (35, 110, 220, 550 кВ) для того, чтобы уменьшить потери. С постоянным током эта история не пройдет, так как устройства в теории будут очень дорогими или же принесут огромные потери.

Итак, можно сделать вывод о том, что трехфазный ток — это самое оптимальное решение со стороны транспортирования, преобразования и эксплуатации.

Источник