Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Змінний струм - єдиний на сьогоднішній день спосіб дешевої передачі електроенергії на відстані. Він перевершує постійний струм по ряду параметрів, в тому числі і по простоті трансформації. У цій статті ми розповімо, як отримують змінний електричний струм в побуті і на виробництві.Електромагнітна індукція і закон Фарадея
Майкл Фарадей в 1831 році відкрив закономірність, згодом названою його ім'ям - закон Фарадея. У своїх дослідах він використовував 2 установки. Перша складалася з металевого сердечника з двома намотаних і не пов'язаними між собою провідниками. Коли він підключав один з них до джерела живлення, то стрілка гальванометра, який підключений до другого провідника, смикалася. Так було доведено вплив магнітного поля на рух заряджених частинок в провіднику.
Другий установкою є диск Фарадея. Це металевий диск, до якого підключено два ковзних провідника, а вони в свою чергу з'єднані з гальванометром. Диск обертають поблизу магніту, а при обертанні на гальванометрі також відхиляється стрілка.
Отже, висновком цих дослідів була формула, яка пов'язує проходження провідника через силові лінії магнітного поля.
Тут: E - ЕРС індукції, N - число витків провідника, який переміщують в магнітному полі, dФ / dt - швидкість зміни магнітного потоку щодо провідника.
На практиці також використовують формулу, за допомогою якої можна визначити ЕРС через величину магнітної індукції.
e = B * l * v * sinα
Якщо згадати формулу зв'язує магнітний потік і магнітну індукцію, то можна припустити, як відбувався висновок формули вище.
Ф = B * S * cosα
Так зароджувалася генерація струму. Але давайте поговоримо, як отримують змінний струм ближче до практики.
Способи отримання змінного струму
Припустимо у нас є рамка з провідного матеріалу. Помістимо її в магнітне поле. Згідно із згаданими вище формула, якщо рамку почати обертати, через неї потече електричний струм. При рівномірному обертанні на кінцях цієї рамки вийде змінний синусоїдальний струм.
Це пов'язано з тим, що в залежності від положення по осі обертання рамку пронизує різне число силових ліній. Відповідно і величина ЕРС наводиться не рівномірно, а згідно з положенням рамки, як і знак цієї величини. Що ви бачите нагий графіку вище. При обертанні рамки в магнітному полі від швидкості обертання залежить як частота змінного струму, так і величина ЕРС на висновках рамки. Щоб досягти певної величини ЕРС при фіксованій частоті - роблять більше витків. Таким чином виходить не рамка, а котушка.
Отримати змінний струм в промислових масштабах можна таким же чином, як описано вище. На практиці знайшли широке застосування електростанції з генераторами змінного струму. При цьому використовуються синхронні генератори. Оскільки таким чином легше контролювати як частоту, так і величину ЕРС змінного струму, і вони можуть витримувати короткочасні струмові перевантаження в багато разів.
За кількістю фаз на електростанціях використовуються трифазні генератори. Це компромісне рішення, пов'язане з економічною доцільністю і технічною вимогою створення обертового магнітного поля для роботи електродвигунів, які складають левову частку від всього електрообладнання в промисловості.
Залежно від роду сили, яка приводить в рух ротор, число полюсів може бути різним. Якщо ротор обертається зі швидкістю 3000 об / хв, то для отримання змінного струму з промисловою частотою в 50 Гц потрібен генератор з 2 полюсами, для 1500 об / хв - з 4 полюсами і так далі. На малюнки нижче ви бачите пристрій генератора синхронного типу.
На роторі знаходяться котушки або обмотка збудження, струм до неї надходить від генератора-збудника (Генератор Постійного Току - ГПТ) або від напівпровідникового збудника через щітковий апарат. Щітки розташовуються на кільцях, на відміну від колекторних машин, в результаті чого магнітне поле обмоток збудження не змінюється у напрямку і знаку, але змінюється по величині - при регулюванні струму збудника. Таким чином автоматично підбираються оптимальні умови для підтримки робочого режиму генератора змінного струму.
Отже, отримати змінний струм в промислових масштабах вдалося способом, заснованому на явищах електромагнітної індукції, а саме за допомогою трифазних генераторів. У побуті використовують і однофазні та трифазні генератори. Останні рекомендується купувати для будівельних робіт. Справа в тому, що велика кількість електричних інструментів та верстатів можуть працювати від трьох фаз. Це електродвигуни різноманітних бетономішалок, циркулярних пив, та й потужні зварювальні апарати також харчуються від трифазної мережі. Причому для таких завдань підходять саме синхронні генератори, асинхронні не підходять - через їх погану роботу з пристроями, у яких великі пускові струми. Асинхронні побутові електростанції більше підходять для резервного електропостачання приватних будинків і дач.
електронні перетворювачі
Однак не завжди раціонально або зручно використовувати бензинові або дизельні побутові електростанції. Є вихід - отримати однофазний або трифазний змінний електричний струм з постійного. Для цього використовують перетворювачі або, як їх ще називають інвертори.
Інвертор - це пристрій, який перетворює величину і рід електричного струму. У магазинах можна знайти інвертори 12-220 або 24-220 Вольт. Відповідно ці прилади постійні 12 або 24 Вольта перетворюють в 220В змінного струму з частотою в 50Гц. Схема найпростішого подібного перетворювача на базі драйвера для полумостового перетворювача IR2153 зображена нижче.
Така схема видає модифіковану синусоїду на виході. Вона не зовсім підходить для харчування індуктивного навантаження, типи двигунів і дрилів. Але якщо не на постійній основі - то цілком можна використовувати і такий простий інвертор.
Перетворювачі постійного струму в змінний з чистою синусоїдою на виході коштують значно дорожче, а їх схеми значно складніше.
Важливо! Купуючи дешеві плати-модулі з «аліекспресс» не розраховуйте ні на чистий синус, ні на 50Гц частоту. Більшість таких пристроїв видають високочастотний струм з напругою 220В. Його можна використовувати для харчування різних нагрівачів і ламп розжарювання.
Ми коротко розглянули принципи отримання змінного струму в домашніх умовах і в промислових масштабах. Фізика цього процесу відома вже майже 200 років, проте основним популяризатором цього способу отримати електричну енергію був Нікола Тесла в кінці XIX - першій половині XX століття. Більшість сучасного побутового та промислового обладнання орієнтовані на використання іменного змінного струму для електроживлення.
Наостанок рекомендуємо переглянути відео, на якому наочно показується як працює генератор змінного струму:
Напевно ви не знаєте:
- Чим відрізняється змінний струм від постійного
- Способи зниження напруги
- Як отримати електрику з землі