Файл: Источники постоянного и переменного тока и их применение.doc
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 123
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Трехфазные генераторы, например, применяются для питания трехфазной тепловой пушки на 6 кВт 380В для обогрева складских помещений.
Однофазные генераторы применяются в больницах - при аварийном отключении электроэнергии.
Генератору необходимо придать механическое вращение якоря. Источниками для этого служат двигатели внутреннего сгорания:
- газовые;
- бензиновые;
- дизельные и другие. К другим источниками получения электрической энергии относятся: ветряные электростанции; водяные электростанции; турбинные электростанции.
Рис. 3
На рисунке показано схематическое изображение устройства генератора переменного тока (рис.3). Рамку здесь можно представить как якорь, состоящий из одного витка провода. Рамка обозначена сторонами А, Б, В, Г. Два проводника (А и Б) при вращении рамки, пересекают магнитные силовые линии постоянного магнита С, Ю. При пересечении проводниками силовых линий, в проводниках наводится электродвижущая сила - ЭДС. ЭДС двух проводников по своему значению противоположны друг другу в тот момент, когда они пересекают эти силовые линии.
Рис. 4
Величина ЭДС (рис.4), протекающего тока в рамке, будет зависеть:
- от величины магнитной индукции постоянного магнита (N, S);
- длины проводника;
- скорости пересечения проводником магнитных силовых линий и угла наклона проводника (рис.5) по отношению к силовым линиям постоянного магнита sin угла альфа между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий поля.
Рис. 5
При вращении рамки в магнитном поле, в ней наводится ЭДС двух противоположных значений и ток на графике (рис.6) получается пульсирующим.
Рис. 6
Один период Т состоит из двух противоположных пульсаций тока, верхний полупериод - положительный и нижний полупериод - отрицательный. Полупериод обозначен на графике как 1/2 Т.
Поэтому, ток в этом примере рассматривается как:
- пульсирующий;
- синусоидальный.
Задача 2:
Условие задачи: В подводящих ветвях текут: а) постоянный; б) переменный ток (см. рис.). Какой ток будет в ветвях в случае а? В случае б)?
Решение:
В случае постоянного тока ток будет течь в ветви, где есть катушка индуктивности и резистор. Тока в ветви конденсатора не будет.
В случае б) ток будет во всех ветвях.
Ответ: Тока в ветви конденсатора не будет. В случае б) ток будет во всех ветвях.
Применение переменного тока
Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.
Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.
Достоинства и недостатки переменного тока
При начале строительства передающих электросетей использование трансформаторов было единственной возможностью получать высокие напряжения и затем снижать их до нужного уровня при распределении к потребителям. Такая технология называлась трансформаторной, и до сих пор структура транспортировки электроэнергии не изменилась. Почти повсеместно используется переменный ток, который представляет собой трехфазные системы.
Позже стали конструироваться линии постоянного тока, которые последние годы используются все шире. Возросший интерес к их применению объясняется существенными недостатками систем переменного тока: в длинных линиях потери электроэнергии значительны. Причинами их являются наличие емкостного и индуктивного сопротивлений. При быстрой смене направления потока электронов наблюдается похожий на перезарядку конденсаторов эффект. Возникают дополнительные емкостные токи. Особенно это сказывается на наземных и подводных кабелях, изолирующий слой которых обладает высоким конденсаторным эффектом. Индуктивное сопротивление линий появляется потому, что электрические токи генерируют магнитные поля, меняющиеся с частотой тока. Появляются индуктивные токи.
Важно! Оба вида реактивных сопротивлений возрастают с увеличением протяженности линий.
Достоинства переменного тока:
-легкая трансформация напряжения;
-возможность комбинирования различных систем передачи; возможность использования общесистемной частоты.
Недостатки переменного тока:
- необходимость компенсации реактивной мощности при транспортировке на значительные расстояния; сравнительно высокие потери.
Условие: В сеть переменного тока с действующим напряжением 220 В включено активное сопротивление 55 Ом. Определить действующее и амплитудное значение силы тока.
Решение: Действующее значение силы тока
Амплитудное значение силы тока связано с действующим соотношением 
Ответ: 4А; 5,7 А.
Источники переменного тока более распространены, чем источники постоянного тока, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ.
Источники переменного тока применяются для питания измерительных схем и аппаратуры, для создания специальных испытательных сигналов, используемых при снятии характеристик, регулировке и настройке различных радиоустройств. Они отличаются от обычных тем, что обеспечивают возможность более точной установки, регулировки и контроля параметров (частоты, формы и значения напряжения, мощности) выходных сигналов в широком диапазоне частот.
Источники переменного тока получают первичное напряжение от промышленной сети переменного трехфазного тока напряжением 380/220В и частотой 50Гц. Для обеспечения ЭВМ бесперебойным энергоснабжением в аварийных ситуациях или в нестационарных условиях эксплуатации предусматривается также дополнительный агрегат гарантированного электропитания (АГП), в качестве которого могут быть использованы небольшие электростанции, аккумуляторы и другие первичные источники. Необходимость в АГП определяется назначением и конкретными условиями эксплуатации ЭВМ.
Источником переменного тока обычно служит ламповый генератор. Это связано с тем, что прохождение постоянного тока вызывало бы электролиз и в результате - изменение концентраций вблизи электродов. В качестве детектора обычно применяют катодный осциллограф.
Источником переменного тока может служить любой генератор звуковых частот с диапазоном 50 - 2 000 гц.
Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельные электроцепи с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°.
Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока
Ученых и практиков по электротехники давно занимает вопрос объединения положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня существуют инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.
Технологические возможности источников питания определяются внешними вольтамперными характеристиками.
Статическая характеристика источника питания представляет собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянном значении напряжения питающей сети в установившемся режиме.
По виду статических вольтамперных характеристик источники питания можно подразделить на источники с падающими (ПВХ) «крутыми» и «пологими», или жёсткими (ЖВХ) внешними характеристиками. Источники с внешними характеристиками двух видов называются универсальными.
Передача тока на большие расстояния
Иногда возникает вопрос: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Но это не так.
Оказывается, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2А и напряжении в 25000В можно использовать тот же провод, как и для 220В с теми же 2А. Так что же из этого следует?
Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.
- DC идеально подходит для зарядки аккумуляторов и батарей элементов. Им нужно такое питание, потому что зарядная мощность всегда должна идти в одном направлении. Соответственно, устройства, работающие от аккумуляторов, также нуждаются в DC, например, фонарик или ноутбук;
- Телевидение, радио, компьютерная техника используют DC;
- Используемые в промышленности и в быту электродвигатели работают как на АС, так и на DC. То же относится к плитам, утюгам, чайникам и лампам накаливания;
- DC нужен для установок электролиза, где важно наличие неизменных полюсов. Только иногда полярность соблюдать не обязательно, в частности при электролизе газов. Тогда может применяться переменный электроток;
- Около половины мировых контактных сетей железнодорожного транспорта используют DC. В начале развития электрифицированных железных дорог были попытки применения трехфазных двигателей, но создание контактной сети для них столкнулось с проблемами. На DC работает городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Другой способ устройства железнодорожных контактных сетей – применение одной фазы переменного тока;
Для измерения токов, напряжений и мощности существуют приборы. Есть работающие только на DC, как магнитоэлектрические амперметры, а также использующие только АС, как индукционные счетчики. Часто используют универсальную измерительную технику. Оба вида тока востребованы и применяются в различных областях. Какой из них использовать, зависит от принципа работы электрооборудования и приборов.
На сегодняшний день невозможно представить пользование (как в быту, так и на производствах) каким-то одним из видов электричества — практически везде присутствует и постоянный, и переменный ток. Ведь где-то необходим постоянный, но его передача на дальние расстояния невозможна, а где-то переменный.
Конечно, доказано, что АС намного безопаснее, но как быть с приборами, помогающими экономить электроэнергию во много раз, в то время как они могут работать только на DC?
Именно по этим причинам сейчас токи «мирно сосуществуют» в нашей жизни, закончив «войну», которая продлилась более 100 лет. Единственное, что не стоит забывать — насколько бы одно ни было безопаснее другого (постоянное, переменное напряжение — не важно), оно может нанести огромный вред организму, вплоть до летального исхода.
Однофазные генераторы применяются в больницах - при аварийном отключении электроэнергии.
Генератору необходимо придать механическое вращение якоря. Источниками для этого служат двигатели внутреннего сгорания:
- газовые;
- бензиновые;
- дизельные и другие. К другим источниками получения электрической энергии относятся: ветряные электростанции; водяные электростанции; турбинные электростанции.
Рис. 3На рисунке показано схематическое изображение устройства генератора переменного тока (рис.3). Рамку здесь можно представить как якорь, состоящий из одного витка провода. Рамка обозначена сторонами А, Б, В, Г. Два проводника (А и Б) при вращении рамки, пересекают магнитные силовые линии постоянного магнита С, Ю. При пересечении проводниками силовых линий, в проводниках наводится электродвижущая сила - ЭДС. ЭДС двух проводников по своему значению противоположны друг другу в тот момент, когда они пересекают эти силовые линии.
Рис. 4Величина ЭДС (рис.4), протекающего тока в рамке, будет зависеть:
- от величины магнитной индукции постоянного магнита (N, S);
- длины проводника;
- скорости пересечения проводником магнитных силовых линий и угла наклона проводника (рис.5) по отношению к силовым линиям постоянного магнита sin угла альфа между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий поля.
Рис. 5При вращении рамки в магнитном поле, в ней наводится ЭДС двух противоположных значений и ток на графике (рис.6) получается пульсирующим.
Рис. 6Один период Т состоит из двух противоположных пульсаций тока, верхний полупериод - положительный и нижний полупериод - отрицательный. Полупериод обозначен на графике как 1/2 Т.
Поэтому, ток в этом примере рассматривается как:
- пульсирующий;
- синусоидальный.
Задача 2:
Условие задачи: В подводящих ветвях текут: а) постоянный; б) переменный ток (см. рис.). Какой ток будет в ветвях в случае а? В случае б)?
Решение:
В случае постоянного тока ток будет течь в ветви, где есть катушка индуктивности и резистор. Тока в ветви конденсатора не будет.
В случае б) ток будет во всех ветвях.
Ответ: Тока в ветви конденсатора не будет. В случае б) ток будет во всех ветвях.
Применение переменного тока
Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.
Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.
Достоинства и недостатки переменного тока
При начале строительства передающих электросетей использование трансформаторов было единственной возможностью получать высокие напряжения и затем снижать их до нужного уровня при распределении к потребителям. Такая технология называлась трансформаторной, и до сих пор структура транспортировки электроэнергии не изменилась. Почти повсеместно используется переменный ток, который представляет собой трехфазные системы.
Позже стали конструироваться линии постоянного тока, которые последние годы используются все шире. Возросший интерес к их применению объясняется существенными недостатками систем переменного тока: в длинных линиях потери электроэнергии значительны. Причинами их являются наличие емкостного и индуктивного сопротивлений. При быстрой смене направления потока электронов наблюдается похожий на перезарядку конденсаторов эффект. Возникают дополнительные емкостные токи. Особенно это сказывается на наземных и подводных кабелях, изолирующий слой которых обладает высоким конденсаторным эффектом. Индуктивное сопротивление линий появляется потому, что электрические токи генерируют магнитные поля, меняющиеся с частотой тока. Появляются индуктивные токи.
Важно! Оба вида реактивных сопротивлений возрастают с увеличением протяженности линий.
Достоинства переменного тока:
-легкая трансформация напряжения;
-возможность комбинирования различных систем передачи; возможность использования общесистемной частоты.
Недостатки переменного тока:
- необходимость компенсации реактивной мощности при транспортировке на значительные расстояния; сравнительно высокие потери.
Задача 3:
Условие: В сеть переменного тока с действующим напряжением 220 В включено активное сопротивление 55 Ом. Определить действующее и амплитудное значение силы тока.
Решение: Действующее значение силы тока
Амплитудное значение силы тока связано с действующим соотношением Ответ: 4А; 5,7 А.
Источники переменного тока более распространены, чем источники постоянного тока, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ.
Источники переменного тока применяются для питания измерительных схем и аппаратуры, для создания специальных испытательных сигналов, используемых при снятии характеристик, регулировке и настройке различных радиоустройств. Они отличаются от обычных тем, что обеспечивают возможность более точной установки, регулировки и контроля параметров (частоты, формы и значения напряжения, мощности) выходных сигналов в широком диапазоне частот.
Источники переменного тока получают первичное напряжение от промышленной сети переменного трехфазного тока напряжением 380/220В и частотой 50Гц. Для обеспечения ЭВМ бесперебойным энергоснабжением в аварийных ситуациях или в нестационарных условиях эксплуатации предусматривается также дополнительный агрегат гарантированного электропитания (АГП), в качестве которого могут быть использованы небольшие электростанции, аккумуляторы и другие первичные источники. Необходимость в АГП определяется назначением и конкретными условиями эксплуатации ЭВМ.
Источником переменного тока обычно служит ламповый генератор. Это связано с тем, что прохождение постоянного тока вызывало бы электролиз и в результате - изменение концентраций вблизи электродов. В качестве детектора обычно применяют катодный осциллограф.
Источником переменного тока может служить любой генератор звуковых частот с диапазоном 50 - 2 000 гц.
Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельные электроцепи с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°.
Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока
Ученых и практиков по электротехники давно занимает вопрос объединения положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня существуют инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.
Технологические возможности источников питания определяются внешними вольтамперными характеристиками.
Статическая характеристика источника питания представляет собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянном значении напряжения питающей сети в установившемся режиме.
По виду статических вольтамперных характеристик источники питания можно подразделить на источники с падающими (ПВХ) «крутыми» и «пологими», или жёсткими (ЖВХ) внешними характеристиками. Источники с внешними характеристиками двух видов называются универсальными.
Передача тока на большие расстояния
Иногда возникает вопрос: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Но это не так.
Оказывается, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2А и напряжении в 25000В можно использовать тот же провод, как и для 220В с теми же 2А. Так что же из этого следует?
Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.
Другие варианты применения постоянного и переменного тока
- DC идеально подходит для зарядки аккумуляторов и батарей элементов. Им нужно такое питание, потому что зарядная мощность всегда должна идти в одном направлении. Соответственно, устройства, работающие от аккумуляторов, также нуждаются в DC, например, фонарик или ноутбук;
- Телевидение, радио, компьютерная техника используют DC;
- Используемые в промышленности и в быту электродвигатели работают как на АС, так и на DC. То же относится к плитам, утюгам, чайникам и лампам накаливания;
- DC нужен для установок электролиза, где важно наличие неизменных полюсов. Только иногда полярность соблюдать не обязательно, в частности при электролизе газов. Тогда может применяться переменный электроток;
- Около половины мировых контактных сетей железнодорожного транспорта используют DC. В начале развития электрифицированных железных дорог были попытки применения трехфазных двигателей, но создание контактной сети для них столкнулось с проблемами. На DC работает городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Другой способ устройства железнодорожных контактных сетей – применение одной фазы переменного тока;
Для измерения токов, напряжений и мощности существуют приборы. Есть работающие только на DC, как магнитоэлектрические амперметры, а также использующие только АС, как индукционные счетчики. Часто используют универсальную измерительную технику. Оба вида тока востребованы и применяются в различных областях. Какой из них использовать, зависит от принципа работы электрооборудования и приборов.
Заключение
На сегодняшний день невозможно представить пользование (как в быту, так и на производствах) каким-то одним из видов электричества — практически везде присутствует и постоянный, и переменный ток. Ведь где-то необходим постоянный, но его передача на дальние расстояния невозможна, а где-то переменный.
Конечно, доказано, что АС намного безопаснее, но как быть с приборами, помогающими экономить электроэнергию во много раз, в то время как они могут работать только на DC?
Именно по этим причинам сейчас токи «мирно сосуществуют» в нашей жизни, закончив «войну», которая продлилась более 100 лет. Единственное, что не стоит забывать — насколько бы одно ни было безопаснее другого (постоянное, переменное напряжение — не важно), оно может нанести огромный вред организму, вплоть до летального исхода.