Откуда он берется: принципы получения однофазного и трехфазного переменного тока

Несмотря на то что многие приборы работают на постоянном токе, вся энергосистема страны построена на переменном.

Последний обладает рядом преимуществ: простота трансформации, низкая стоимость генераторов и двигателей. Как же происходит получение переменного тока?

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 получения

Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.

Рис. 1. Рамкой и магнитами

Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.

При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.

По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.

Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.

Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:

• большие пусковые токи;
• отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
• меньшая степень контроля за системой.

Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.

Рис. 5. Схема инвертора

На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.

Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.

Векторы

В технике переменных токов периодические изменения э. д. с. (токов) часто изображают векторами, то есть отрезками прямой определенной длины и определенного направления.

Для определения мгновенных значений вектор должен иметь длину, соответствующую максимальному значению э. д. с. Его начальная фаза совпадает с направлением горизонтальной оси. Затем вектор вращают против часовой стрелки и проектируют на неподвижную вертикальную ось. Длины проекций и определяют мгновенные значения э. д. с. для каждого угла поворота, что иллюстрирует рисунок 9. На рисунке 9 изменения э. д. с. представлены как синусоидой, на которой отмечены мгновенные значения э. д. с. через каждую восьмую часть периода, так и проекциями вектора на ось для тех же долей периода.

Рисунок 9. Определение мгновенных значений э. д. с. при вращении вектора

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.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

• 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.

Принципиальная схема преобразователя

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.

Синусоида

Кривая на рисунке 2 – синусоида показывает, что э. д. с. непрерывно изменяется, причем число ее мгновенных значений в течении периода безгранично: их столько же, сколько точек может поместится на синусоиде. В течение периода мгновенные одинаковые значения э. д. с. одного знака бывают дважды. За период э. д. с. 2 раза достигает наибольших (максимальных, амплитудных) значений, но один раз это положительное, другой раз – отрицательное значение. Одним словом, по синусоиде можно составить самое полное представление об изменениях синусоидальной э. д. с. (тока) с течением времени.

Видео 2. Синусоида

Как выбрать инвертор

Чтобы выбрать подходящий инвертор, необходимо обратить внимание на следующее:

• Мощность устройства должна превышать ту, которую имеют его потребители.
• Необходимо, чтобы характеристики переменного тока (частота, амплитуда, форма импульсов) подходили для использующих его электроприборов.
• При преобразовании немаловажное значение имеет фаза синусоиды. Инвертор должен обеспечивать питание даже тогда, когда потребление подключённых устройств достигает максимума. Это особенно актуально в тех случаях, когда речь идёт об электродвигателях, насосах или компрессорах.

Чтобы рассчитать требуемую мощность преобразователя, необходимо предпринять такие шаги:

1. Нужно из технической документации подключаемых приборов определить их номинальную мощность. Для примера можно привести холодильник (200 Вт) и пылесос (1000 Вт). Суммарная мощность будет равна 200 + 1000 = 1200 Вт.
2. Требуется определить пиковое значение мощности. Для этого полученную величину необходимо умножить на 1.3. В рассматриваемом примере получается 1200×1.3 = 1560 Вт.
3. Дополнительно следует учесть коэффициент, который равен 0.6–0.99. Для вычислений используют минимальное значение: 1560/0.6 = 2600. Результирующее значение выражается в Вольт-Амперах. Оно представляет собой мощность, которую должен обеспечивать инвертор для питания в рассмотренном случае.

Инвертор, обеспечивающий преобразование тока, постоянно отслеживает фазу электросети и поддерживает значение выходного напряжения, которое несколько превышает значение сетевого.