Разница между переменным током (AC) и постоянным током (DC)

Обобщенные определения

Физический процесс, при котором заряженные частицы движутся упорядоченно (направленно), называется электротоком. Его принято разделять на переменный и постоянный. У первого направление и величина остаются неизменными, а у второго эти характеристики меняются по определенной закономерности.

Приведенные определения сильно упрощены, хотя и объясняют разницу между постоянным и переменным электротоком. Для лучшего понимания, в чем заключается это различие, необходимо привести графическое изображение каждого из них, а также объяснить, как образуется переменная электродвижущая сила в источнике. Для этого обратимся к электротехнике, точнее ее теоретическим основам.

Различия при транспортировке

Когда ток течет, часть энергии электронов преобразуется в тепло, благодаря активному сопротивлению проводов. Электрические нагреватели тоже основаны на этом эффекте. В конце линии меньше энергии передается потребителю. Рассеиваемые мощности называются потерями. Для уменьшения потерь применяется повышение напряжения при транспортировке. Эти физические зависимости применимы и к постоянному, и к переменному току, однако при реализации схем передачи возникают различия.

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.

ЛЭП переменного тока

Позже стали конструироваться и 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.

1. 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;
2. 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.

Достоинства и недостатки постоянного тока

В первую очередь, чем отличается переменный ток от постоянного, – это присутствием источников потерь на реактивную энергию. Однако постоянный электрический ток предполагает потери на нагрев. Точное их определение зависит от технологии и уровня напряжения. Для высоких напряжений – около 3% на 1000 км.

Другим источником потерь в системах электропередачи на постоянном токе служат подстанции для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот. Суммарные потери намного ниже, чем для переменного тока, но существенными являются материальные затраты на строительство этих подстанций.

Оборудование для высоковольтной ЛЭП постоянного тока

Важно! Для повышения рентабельности линий электропередачи на постоянном токе применяются ЛЭП большой длины.

Техническое развитие в последнее время получила передача электроэнергии на постоянном токе, благодаря разработке новых электронных компонентов для создания высоких уровней напряжения постоянного тока – высокопроизводительных тиристоров или биполярных транзисторов.

Интересно. Сегодня возможны системы передачи постоянного тока с напряжением до 800 кВ и пропускной способностью до 8000 мВт на расстояние более 2000 км.

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

• возможность передачи мощности по подводным, наземным и подземным кабельным линиям на большие расстояния;
• нет потерь из-за реактивной мощности;
• лучшее использование изоляции кабелей.

Недостатки высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

• недостаточно быстрая коммутация существующих каналов постоянного тока;
• мало стандартизированной электротехники;
• не развиты распределительные сети передачи электроэнергии, транспортировка ведется от пункта до пункта.

Источники ЭДС

Источники электротока любого рода бывают двух видов:

• первичные, с их помощью происходит генерация электроэнергии путем превращения механической, солнечной, тепловой, химической или другой энергии в электрическую;
• вторичные, они не генерируют электроэнергию, а преобразуют ее, например, из переменной в постоянную или наоборот.

Единственным первичным источником переменного электротока является генератор, упрощенная схема такого устройства показана на рисунке.

Обозначения:

• 1 – направление вращения;
• 2 – магнит с полюсами S и N;
• 3 – магнитное поле;
• 4 – проволочная рамка;
• 5 – ЭДС;
• 6 – кольцевые контакты;
• 7 – токосъемники.

Определение

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Так звучит определение из учебника по физике. Простыми словами можно перевести так, что у его составляющих всегда есть какое-то направление. Собственно, это направление и является определяющем в сегодняшнем разговоре.
Переменный ток (Alternative Current – AC) отличается от постоянного (Direct Current – DC) тем, что у последнего электроны (носители заряда) всегда движутся в одном направлении. Соответственно отличием переменного тока является то, что направление движения и его сила зависят от времени. Например, в розетке направление и величина напряжения, соответственно и сила тока, изменяется по синусоидальному закону с частотой в 50 Гц (50 раз за секунду изменяется полярность между проводами).

Для так сказать чайников в электрике изобразим это на графике, где по вертикальной оси изображена полярность и напряжение, а по горизонтальной время:

Красной линией изображено постоянное напряжение, оно остаётся неизменным с течением времени, разве что изменяется при коммутации мощной нагрузки или КЗ. Зелеными волнами показан синусоидальный ток. Вы можете видеть, что он протекает то в одну, то в другую сторону, в отличие от постоянного тока, где электроны всегда протекают от минуса к плюсу, а направлением движения электрического тока выбран путь от плюса к минусу.

Если сказать по-простому, то разницей в этих двух примерах является то, что у постоянки всегда плюс и минус находятся на одних и тех же проводах. Если говорить о переменном, то в электроснабжении используют понятия фазы и нуля. Если рассматривать по аналогии с постоянкой, то фаза и ноль являются плюсом и минусом, только полярность меняется 50 раз в секунду (в США и ряде других стран 60 раз в секунду, а в самолётах более 400 раз).

Принцип работы

Механическая энергия преобразуется изображенным на рисунке генератором в электрическую следующим образом:

за счет такого явления, как электромагнитная индукция, при вращении рамки «4», помещенной в магнитное поле «3» (возникающее между различными полюсами магнита «2»), в ней образуется ЭДС «5». Напряжение в сеть подается через токосъемники «7» с кольцевых контактов «6», к которым подключена рамка «4».

Видео: постоянный и переменный ток — отличия

Что касается величины ЭДС, то она зависит от скорости пересечения силовых линий «3» рамкой «4». Из-за особенностей электромагнитного поля минимальная скорость пересечения, а значит и самое низкое значение электродвижущей силы будет в момент, когда рамка находится в вертикальном положении, соответственно, максимальное — в горизонтальном.

Учитывая изложенное выше, в процессе равномерного вращения индуктируется ЭДС, характеристики величины и направления которого изменяются с определенным периодом.

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.

Графические изображения

Благодаря применению графического метода, можно получить наглядное представление динамических изменений различных величин. Ниже приведен график изменения напряжения с течением времени для гальванического элемента 3336Л (4,5 В).

Как видим, график представляет собой прямую линию, то есть напряжение источника остается неизменным.

Теперь приведем график динамики изменения напряжения в течение одного цикла (полного оборота рамки) работы генератора,.

Для наглядности покажем начальное положение рамки в генераторе, соответствующее начальной точке отчета на графике (0°)

Обозначения:

• 1 – полюса магнита S и N;
• 2 – рамка;
• 3 – направление вращения рамки;
• 4 – магнитное поле.

Теперь посмотрим, как будет изменяться ЭДС в процессе одного цикла вращения рамки. В начальном положении ЭДС будет нулевым. В процессе вращения эта величина начнет плавно возрастать, достигнув максимума в момент, когда рамка будет под углом 90°. Дальнейшее вращение рамки приведет к снижению ЭДС, достигнув минимума в момент поворота на 180°.

Продолжая процесс, можно увидеть, как электродвижущая сила меняет направление. Характер изменений поменявшей направление ЭДС будет таким же. То есть она начнет плавно возрастать, достигнув пика в точке, соответствующей повороту на 270°, после чего будет снижаться, пока рамка не завершит полный цикл вращения (360°).

Если график продолжить на несколько циклов вращения, мы увидим характерную для переменного электротока синусоиду. Ее период будет соответствовать одному обороту рамки, а амплитуда – максимальной величине ЭДС (прямой и обратной).

Теперь перейдем к еще одной важной характеристике переменного электротока – частоте. Для ее обозначения принята латинская буква «f», а единица ее измерения – герц (Гц). Этот параметр отображает количество полных циклов (периодов) изменения ЭДС в течение одной секунды.

Определяется частота по формуле: . Параметр «Т» отображает время одного полного цикла (периода), измеряется в секундах. Соответственно, зная частоту, несложно определить время периода. Например, в быту используется электроток с частотой 50 Гц, следовательно, время его периода будет две сотых секунды (1/50=0,02).

Эдисон и Тесла

Ипполит Пикси сумел создать первый генератор переменного тока в 1835 году. Это было устройство на постоянных магнитах, работающее при вращении рукоятки. Предприниматели того времени были заинтересованы в генерации DC и не совсем понимали, где может применяться изобретение и зачем нужно получать AC.

Настоящая конкуренция за стандарты электричества в линиях передач развернулась к концу 1880-х. годов, когда началась борьба между основными энергетическими компаниями за доминирование на рынке собственных запатентованных энергетических систем. Это было соперничество концепций электрификации двух великих изобретателей: Николы Теслы и Томаса Эдисона.

Эдисон изобрёл и усовершенствовал немало устройств, необходимых для первых систем генерации и транспортировки постоянного тока. В течение короткого времени его компания смогла открыть более 200 станций в Северной Америке. Предприятие росло, и изобретатель для выполнения работ по усовершенствованию оборудования нанял Николу Теслу — молодого инженера из Европы. Новый сотрудник предложил вниманию Эдисона революционные для того времени работы, основанные на технологиях переменного значения. Идеи Тесла были отвергнуты и пути изобретателей разошлись.

Джордж Вестингауз, наоборот, отнёсся к открытиям сербского инженера с большим интересом и выкупил все патенты Тесла. После предприятия Вестингауза пережило немало потрясений, в том числе и связанных с мощными пропагандистскими компаниями Эдисона. Финалом борьбы стал момент, когда система Теслы была выбрана для освещения выставки в Чикаго. Это событие познакомило мир с преимуществами многофазной генерации AC и его транспортировки. С тех пор большинство электрических устройств и сетей заказывались уже под новый стандарт. Основными датами войны токов
были:

• 1870 г. — создание Эдисоном первого генератора DC;
• 1878 г. — основание Edison Electric Light Co в Нью-Йорке;
• 1882 г. — открытие Эдисоном генерирующей станции Pearl Street на 5 тыс. огней;
• 1883 г. — изобретение Теслой трансформатора;
• 1884 г. — изобретение Теслой генератора AC;
• 1888 г. — демонстрация Теслой многофазной электрической системы, Вестингауз выкупает его патенты;
• 1888 г. — казнь с помощью электрического стула, изобретённого Эдисоном как средство для пропагандистской компании, демонстрирующей опасность технологий Теслы.
• 1893 г. — триумф Westinghouse Electric Company на Чикагской ярмарке.

Трехфазные генераторы

Заметим, что наиболее экономически выгодным способом получения переменного электротока будет использование трехфазного генератора. Упрощенная схема его конструкции показана на рисунке.

Как видим, в генераторе используются три катушки, размещенные со смещением 120°, соединенные между собой треугольником (на практике такое соединение обмоток генератора не применяется в виду низкого КПД). При прохождении одного из полюсов магнита мимо катушки, в ней индуктируется ЭДС.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

формула напряжения

где

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

q — заряд, Кулон

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

Будет интересно➡ Что понимается под напряжением прикосновения?

напряжение из закона Ома

где

I — сила тока, Амперы

R — сопротивление, Омы

Чем обосновано разнообразие электротоков

У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.

В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:

• задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
• преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
• поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
• двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.

Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:

• чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
• питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
• постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.

Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.

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.

Краткая история электричества

Кто изобрел электричество? А никто! Люди постепенно понимали, что это такое и как им пользоваться.

Все началось в 7 веке до нашей эры, в один солнечный (а может и дождливый, кто знает) день. Тогда греческий философ Фалес заметил, что, если потереть янтарь о шерсть, он будет притягивать легкие предметы.

Потом были Александр Македонский, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, средневековье, крестовые походы, эпидемии, инквизиция и снова войны. Как вы поняли, людям было не до какого-то там электричества и натертых шерстью эбонитовых палочек.

В каком году изобрели слово «электричество»? 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт решил написать труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Именно тогда и появился термин «электричество».

Через сто пятьдесят лет, в 1747 году Бенджамин Франклин, которого мы все очень любим, создал первую теорию электричества. Он рассматривал это явление как флюид или нематериальную жидкость.

Именно Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов (до этого разделяли стеклянное и смоляное электричество), изобрел молниеотвод и доказал, что молния имеет электрическую природу.

Бенджамина любят все, ведь его портрет есть на каждой стодолларовой купюре. Помимо работы в точных науках, он был видным политическим деятелем. Но вопреки распространенному заблуждению, Франклин не был президентом США.

Дальше пойдет перечисление важных для истории электричества открытий.

1785 год – Кулон выясняет, с какой силой противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.

1791 год – Луиджи Гальвани случайно заметил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под действием электричества.

Принцип работы батарейки основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году создает столб Вольта – прототип современной батарейки.

На раскопках рядом с Багдадом нашли батарейку возрастом больше двух тысяч лет. Какой древний айфон с ее помощью подзаряжали – остается загадкой. Зато известно точно, что батарейка уже «села». Этот случай как бы говорит: может быть, люди знали об электричестве намного раньше, но потом что-то пошло не так.

Уже в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл совершили настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, ЭДС индукции, электрические и магнитные явления связали в единую систему и описали фундаментальными уравнениями.

Кстати! Если у вас нет времени, чтобы самостоятельно разбираться со всем этим, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и повсеместные линии электропередач. Кстати, знаменитый электромобиль Тесла работает на постоянном токе.

Конечно, это очень краткая история электричества, и мы не упомянули очень много имен, которые повлияли на прогресс в этой области. Иначе пришлось бы написать целый многотомный справочник.

Используемые виды

В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.

Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:

• Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам.
• Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
• Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
• Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
• Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
• Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.

В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.

Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.

https://youtube.com/watch?v=tl8o5uU5V3c

Преобразование

К бытовым приборам, требующим снабжение схем электричеством типа DC, его подают через блоки питания. Это схемы, включающие в себя понижающий трансформатор и выпрямляющий блок. При подключении блока питания к устройству следят за совпадением их параметров по напряжению и мощности. Параметры указаны на корпусе прибора.

В настоящий момент оба вида электричества отлично уживаются в современном мире. Схемы смешанного питания потребителей только дополняют друг друга.

голоса

Рейтинг статьи