Получение и передача переменного тока. Трансформатор

Особенности переменного тока

Переменный ток имеет отличные свойства от постоянного тока. Они наглядно проявляются при включении в круг индуктивности или емкости.

Если в круг постоянного тока включить катушку с подвижным железным сердечником, а как индикатор – лампу накаливания, то можно увидеть, что изменение индуктивности (введение в катушку железного сердечника) на силу тока не влияет.

Если индуктивность наличествует в цепи переменного тока, то с увеличением индуктивности (постепенным введением в катушку железного сердечника) ток уменьшается. Индуктивность в цепи переменного тока создает определенное сопротивление (но без выделения теплоты), его называют реактивным сопротивлением.

Если в цепь постоянного тока включить батарею конденсаторов переменной емкости, то при любой ее емкости тока не будет (конденсатор разрывает цепь).

Если емкость включена в цепь переменного тока, то ток существует, и будет тем больше, чем больше емкость включена в круг. Емкость в цепи переменного тока создает определенное реактивное сопротивление, обратно пропорциональное емкости.

Заряженные частицы, образующие постоянный ток, движутся хоть и медленно, но все время в одном направлении с неизменной скоростью. В переменном токе направление движения заряженных частиц меняется в соответствии с изменениями ЭДС.

Технический переменный ток (f = 50 Гц) называется квазистационарным, поскольку длина его электромагнитной волны λ \lambda λ = с Т сТ сТ = 6 х 103 км очень велика по сравнению с длиной проводников круга. При этом сила тока в любой момент времени практически одинакова на всех участках цепи. К квазистационарному току можно применить законы Кирхгофа.

Преимущества переменного тока над постоянным в том, что его можно легко трансформировать из одного напряжения в другое, его также проще генерировать, чем постоянный ток.

Способы

Таким образом, для получения переменного тока достаточно вращать в поле постоянного магнита проволочную рамку с подсоединенной к ее концам электрической цепью. Источником энергии выступает сила, вращающая рамку и преодолевающая сопротивление магнитного поля.

Каждые пол-оборота проводники рамки меняют направление движения относительно полюсов магнита, соответственно, меняется и направление ЭДС в рамке.

Угол между вектором скорости и силовыми линиями поля меняется по закону α = w*t, где:

• W — угловая скорость вращения рамки, рад/с;
• T — время, прошедшее с начального момента, когда вектор скорости был параллелен силовым линиям, с.

То есть ЭДС зависит от sin (wt): E = f (sin (wt)). Следовательно, график изменения значения ЭДС с течением времени имеет вид синусоиды. Вызванный этой ЭДС переменный ток называют, соответственно, синусоидальным.

Описанный простейший генератор можно усовершенствовать:

1. постоянный магнит меняют на электрический, размещая в статоре несколько катушек (обмотка возбуждения). В итоге получают равномерное магнитное поле и тем самым добиваются идеальной синусоидальности ЭДС (повышается качество работы приборов). Обмотку возбуждения питает маломощный генератор постоянного тока либо аккумулятор;
2. вместо одной рамки размещают на роторе несколько: ЭДС кратно увеличивается. То есть ротор также представляет собой обмотку.

Проблемная часть такого генератора — подвижный контакт между вращающимся ротором и электрической цепью.

Он состоит из медного кольца и графитовых щеток, прижимаемых к кольцу пружинами. Чем выше мощность генератора, тем менее надежен этот узел: он искрит, быстро изнашивается. Поэтому в мощных промышленных генераторах, установленных на электростанциях, обмотки статора и ротора меняют местами: обмотку возбуждения размещают на роторе, а индуцирующую — на статоре.

Подвижный контакт остается, но из-за малой мощности обмотки возбуждений требования к нему снижаются. Частота промышленного переменного тока — 50 Гц. То есть напряжение периодически меняет направление и величину 50 раз в секунду или 3000 раз в минуту. При наличии 2-х полюсов в обмотке возбуждения для достижения такой частоты и ротор должен вращаться со скоростью 3000 об/мин.

Кроме того, ротор гидростанции имеет огромные размеры и при частоте вращения в 3000 об/мин.

Его удаленные от центра участки двигались бы со скоростью сверхзвукового истребителя, что приведет к разрушению конструкции. Для сокращения количества оборотов увеличивают число пар полюсов в электромагните. Частота вращения при этом составит W = 3000 / n, где n — число пар полюсов. То есть при наличии 10-ти пар полюсов для генерации переменного тока с частотой 50 Гц ротор необходимо вращать со скоростью всего 300 об/мин, а при 20-ти парах — 150 об/мин.

В электротехнике практикуют и другой способ получения переменного тока — преобразованием постоянного. Применяется электронное устройство — инвертор, состоящее из силовых транзисторов, управляющей ими микросхемы и прочих элементов. На выходе инвертора можно получить переменное напряжение любой величины и частоты. Самые простые схемы выдают прямоугольное переменное напряжение, более сложные и дорогие — стабилизированное синусоидальное.

• импульсные блоки питания и инверторные сварочные аппараты. Сетевой ток с частотой 50 Гц выпрямляется и затем подается на инвертор, дающий на выходе переменный ток с частотой 60-80 кГц. Назначение: при столь высокой частоте резко уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем, то есть устройство в целом становится более компактным и экономичным;
• автономные дизельные и бензиновые генераторы для питания оборудования, чувствительного к качеству напряжения. Дизель-генератор в чистом виде дает низкокачественный ток, поскольку при преобразовании нагрузки частота вращения вала у него меняется. Инвертор устраняет все эти колебания и дает на выходе стабильное, качественное напряжение;
• ЛЭП на постоянном токе.

Передавать особенно значительные мощности на сверхбольшие расстояния по ряду причин выгоднее постоянным током, а не переменным. В конечной точке его преобразуют инвертором в переменный промышленной частоты и отправляют в местную энергосистему.

Механизм получения

Известно, что существует два вида переменного тока:

1. однофазный;
2. трехфазный.

Стоит рассмотреть отличия в способах получения этих родов тока.

Однофазного

В 1-фазном генераторе все катушки индуцируемой обмотки подсоединены к одной линии. Питание потребителей осуществляется 2-жильным проводом (фаза и нейтраль). Напряжение в 1-фазной сети — 220 В.

Трехфазного

Индуцируемая обмотка 3-фазного генератора состоит из 3-х частей, расположенных на равном удалении друг от друга и подключенных каждая к своей линии. То есть угол между ними составляет 1200. В результате в каждой линии ток смещен по фазе относительно соседней на тот же угол.

Напряжение в каждой линии в распределительной сети составляет те же 220 В, но междуфазное напряжение из-за сдвига фаз образуется уже 380 В. В 3-фазном устройстве-потребителе, например, двигателе, также имеется три цепи, соединенные в 1-й точке («звезда») или в 3-х («треугольник»).

Такая нагрузка называется симметричной и для ее подключения нейтральный провод вообще не нужен: токи каждой фазы в общих точках взаимно гасятся. Но зачастую нагрузка бывает асимметричной: помимо 3-фазных отдельными фазами запитывают 1-фазных потребителей.

Тогда токи в фазах неодинаковы и взаимного погашения не случится — нужен хотя бы 1 нейтральный провод.

Основные преимущества 3-фазного электроснабжения:

• упрощается передача большой мощности.
• появляется возможность создавать вращающееся магнитное поле в электродвигателях.

На промышленных электростанциях стоят только 3-фазные генераторы.

При обрыве нейтрального провода на подключенные к разным фазам 1-фазные потребители подается напряжение в 380 В, что приводит к их поломке. Потому в странах Запада нейтральным проводом оснащают каждую фазу. У нас же из-за экономии пока применяют один общий.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

• напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
• тока;
• резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

1. мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
2. ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
3. мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

1. ИН с прямоугольным выходным сигналом. С целью обеспечить требуемую пропорциональность Uвых. управляющая схема варьирует относительную длительность импульсов ключами либо сдвигает по фазе сигналы управления противофазных групп ключей (зависит от конструктивных особенностей переключающего модуля);
2. ИН со ступенчатым выходным напряжением. Обрабатывают входной сигнал в два этапа: путем высокочастотного преобразования формируется однополярный ступенчатый сигнал, близкий к синусоиде с уменьшенным вдвое периодом, а при помощи мостового преобразователя он превращается в разнополярный с требуемым периодом;
3. ИН с синусоидальным выходным напряжением. Входной постоянный ток также обрабатывается в 2 этапа: путем высокочастотного преобразования формируется постоянное напряжение, почти равное амплитуде требуемого переменного напряжения, а затем мостовым инвертором, действующим по принципу многократной широтно-импульсной модуляции.

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.