Змінний струм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Координати: абсциса - час, ордината - вольтаж.

Змі́нний струм — електричний струм, сила та напрямок якого періодично змінюються з часом, на відміну від постійного струму, який тече лише в одному напрямку. Змінний струм є формою, в якій електроенергія постачається підприємствам і в житлові будинки, отже це вид електричної енергії, яку споживачі зазвичай використовують, коли вмикають кухонні прилади, телевізори, вентилятори, електричні лампи, тощо у розетки. Поширеним джерелом живлення постійного струму, є акумуляторна батарея в ліхтарику. Скорочення AC і DC зазвичай, використовуються для позначення змінного та постійного струмів, відповідно.

Звичайним виглядом кривої змінного струму в більшості електричних кіл живлення, є синусоїда, верхній півперіод якої відповідає позитивному напрямку струму і навпаки. У деяких застосуваннях, використовуються різні форми кривих, такі як трикутні або прямокутні хвилі (наприклад у джерелах безперервного живлення). Звукові - та радіосигнали, що передаються електричними дротами, також є прикладами змінного струму. Ці види змінного струму котрі несуть дані, такі як звук (аудіо) або зображення (відео), іноді передаються шляхом модуляції сигналу — носія змінного струму. Ці струми зазвичай чергуються на більш високих частотах, ніж ті, що використовуються для передавання електроенергії.

Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом

Хвиля змінного струму
,

де  — амплітуда струму,  — частота,  — фаза струму.

Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази

Індуктивність (L) — елемент кола, який враховує енергію магнітного поля. Під час зміни струму в індуктивності, виникає ЕРС самоіндукції. Щоби крізь індуктивність проходив змінний струм до її виводів треба прикласти напругу індуктивності.

Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.

Фізика змінного струму[ред. | ред. код]

Особливістю змінного струму є те, що деякі складники електричного кола впливають не лише на амплітуду струму, а й на його фазу. Тому для розрахунків електричних кіл, замість опорів використовуються комплексні опори — імпеданси, а всі розрахунки проводяться з використанням комплексних чисел.

Потужність[ред. | ред. код]

Миттєве значення потужності електричного струму дорівнює

, повна потужність
, активна потужність
, реактивна потужність

де U — напруга, а - зсув фаз між напругою та струмом.

Однак зручніше використовувати усереднене значення потужності

,

де  — амплітудне значення сили струму,  — амплітудне значення напруги.

Змінний струм визначають також чинними значеннями сили струму й напруги

Чинне значення, обумовлює енергетичні властивості сигналу. Миттєве значення, визначає показові властивості сигналу. Прилади, показують чинне значення.

Виробництво і передавання змінного струму[ред. | ред. код]

Електрична енергія розподіляється у вигляді змінного струму, оскільки змінну напругу може бути збільшено або

Схематичне зображення передавання електроенергії на великі відстані. C - споживачі, D - знижувальний трансформатор, G - генератор, I - струм у дротах, Pe - потужність, що доходить до кінця лінії передачі, Pt - потужність, що надходить у лінію передачі, Pw - потужність, втрачена в лінії передачі, R - загальний опір в проводах, V - напруга на початку лінії передачі, U - підвищувальний трансформатор.

зменшено за допомогою трансформатора. Це дозволяє ефективно передавати потужність лініями електропередавання за високої напруги, що знижує втрату енергії як тепла, внаслідок опору дроту і перетворювати на більш низьку, безпечнішу до використання напругу. Застосування більш високої напруги приводить до значно ефективнішого передавання енергії. Втрати потужності у дроті, є добутком квадрату струму (I) і опору ( R) провідника. Це означає, що у разі передавання певної потужності по даному дроту, якщо струм зменшується вдвічі (тобто напруга подвоюється), втрати потужності внаслідок опору дроту, будуть зменшені до однієї чверті. Передана потужність дорівнює добутку струму і напруги (за відсутності різниці фаз). Отже, потужність, що передається за більш високої напруги, потребує меншого струму, для передавання тієї ж потужності при меншій напрузі. Потужність часто передається на сотнях кіловольт і знижується до 100 В - 240 В для побутового використання.

Високі напруги мають вади, такі як: потреба посиленої ізоляції, і в цілому збільшені труднощі з безпечного поводження з ними. В електростанції, енергія виробляється за зручної для будови генератора напруги (в Україні 10—20 кВ), а потім підвищується до більшої напруги для передавання. Біля споживачів, напруга передавання знижується до значень, які використовуються побутовим обладнанням. Напругу, що подається на обладнання, таке як освітлення та електродвигун, стандартизовано, з допустимим розбігом величини, за якої призначено роботу електроприладів. Стандартні напруги використання електроенергії та відсоткові відхилення, змінюються в різних електричних мережах, що є у світі. Системи електропередавання високовольтного постійного струму (HVDC) у ХХ столітті стали більш життєздатними, оскільки сучасна технологія забезпечила

3 - фазна система — з'єднання зіркою

дієві засоби зміни

3 - фазна система — з'єднання трикутником

напруги живлення постійного струму. Передавання енергії з постійним струмом високої напруги, в ранню добу розвитку електротехніки, було неможливим, оскільки тоді не існувало економічно доцільного способу зниження напруги постійного струму для потреб кінцевого користувача, таких як живлення ламп розжарення.

Трифазне вироблення електроенергії у 2000-х роках — дуже поширене. Найпростішим способом її отримання, є використання трьох окремих котушок в статорі генератора, фізично зрушених на кут 120 ° (одна третина повної 360° фази) одна до одної. Отже виробляються три струмові сигнали, які однакові за величиною і зміщені на 120° за фазою, один до одного. Перевагою є те, що для вироблення однієї частоти, можуть використовуватися більш низькі швидкості обертання. Наприклад, 2-полюсна машина, яка працює за 3600 об / хв і 12-полюсна машина, що працює при 600 об / хв, виробляють ту ж частоту, а 12-полюсна машина мала -б 36 котушок (з кроком 10 °). Для великих електромашин, краща низька швидкість обертання. Якщо навантаження на трифазну систему врівноважується між фазами, то крізь нейтральну точку не протікає струм. Навіть у разі найгіршого неврівноваженого (лінійного) навантаження, струм нейтралі не буде перевищувати найбільший з фазних струмів. Для нелінійних навантажень (наприклад, широко використовуваних імпульсних джерел живлення у стані перемикання) може знадобитися груба нейтральна шина і нейтральний провідник з урахуванням гармонік. Гармоніки можуть призводити до перевищення рівнів струму в нейтральному провіднику.

Генератор змінного струму[ред. | ред. код]

Генератором змінного струму, є будова з нерухомого статора (складається зі сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт зі сталевим осердям), який обертається всередині нього. Через два контактних кільця, до яких притиснуті ковзні контакти щітки, проводиться електричний струм. Електромагніт створює магнітне поле, котре обертається з кутовою швидкістю обертання ротора та збуджує в обмотці статора ЕРС індукції. Щоби ротор обертався і створював магнітне поле, яке викликає у статорі ЕРС індукції, йому треба надавати енергію. Ротор обертається в електростанціях за допомогою парових (ТЕС та АЕС) або гідротурбін (ГЕС).

Трансформатор[ред. | ред. код]

Докладніше: Трансформатор

Для того, щоб знизити напругу на виході електрогенераторів, до потрібної для споживачів (220 В), та підвищити напругу, необхідну для передачі її по ЛЕП (400-500 кВ), потрібен трансформатор. Він складається з первинної та вторинної котушок і замкненого осердя. У разі подачі змінної напруги на первинну котушку, виникає змінний струм. В осерді він перетворюється на магнітний потік, який потім проходить крізь обидві котушки і викликає в них ЕРС (електрорушійну силу, яка утворюється внаслідок перетинання обмоток змінним магнітним полем).

Розподіл змінного електричного струму[ред. | ред. код]

Дві високовольтні лінії електропередачі змінного струму на одній опорі, системи з ізольованою нейтраллю. Зверху проходить грозозахисний трос. Миколаїв.

У побутових електричних мережах України використовується змінний струм із частотою 50 Гц і напругою 230 В або 400 В[джерело?]. У низці країн (США, Канаді, Японії) у побуті застосовується напруга 120/240 В, 120 В, 100 В — відповідно, частотою 60 Гц.

Історія[ред. | ред. код]

Перша згадка щодо практичного застосування змінного струму зустрічається у Гійома Дюшена, винахідника та розробника електротерапії. У 1855 році він оголосив, що змінний струм краще від постійного струму викликає електротерапевтичний запуск м'язових скорочень[джерело?].

Силовий трансформатор розроблений Люсьєном Голардом і Джоном Діксоном Гіббсом було оприлюднено в Лондоні 1881 року і він привернув увагу компанії Westinghouse. Вони також виставляли свій винахід в Турині в 1884 році, де він знайшов застосування в електричній системі освітлення. Багато з конструкцій винахідників були пристосовані для окремих систем розподілу електроенергії у Великій Британії[джерело?].

У 1882, 1884, і 1885 Голард і Гіббс подали документи для отримання патентів на свій трансформатор, однак патенту не отримали через попереднє використання трансформаторів Ніколою Тесла та через юридичні дії, ініційовані Себастьяном Зіані де Ферранті[джерело?].

Ферранті увійшов в цей бізнес 1882 року, відкривши у Лондоні цех розробки різних електричних пристроїв. Ферранті повірив в успіх змінного струму в системі електророзподілу ще на ранній стадії, і був одним з небагатьох фахівців у цій галузі досліджень у Великій Британії. 1887 року, Лондонська корпорація електропостачання (Лесько) замовила у Ферранті проектування електростанції на Дептфорді. Він проектував будову електростанції та системи розподілу в ній. Після завершення цього проекту в 1891 році електростанція стала першою по-справжньому сучасною електростанцією, що постачала змінний струм для високовольтної мережі, яка розподіляла електроенергію для споживачів на кожній вулиці. Ця базова система, як і раніше, використовується в наші дні по всьому світу. У багатьох будинках у всьому світі досі працюють електролічильники, на яких зазначено патент Ферранті AC[джерело?].

Вільям Стенлі-молодший розробив один з перших практичних ефективних пристроїв для передавання змінного струму між ізольованими електричними колами. Використання пари котушок намотаних на загальне залізне осердя — його будова, звана індукційною котушкою, була одним з перших трансформаторів. Системи змінного струму, що використовуються сьогодні, почали швидко розвиватися після 1886 року. Вони містять ключові концепції, запропоновані Ніколою Тесла, який згодом продав свій патент Джорджу Вестінгаузу. Визначними людьми в цій галузі були Люсьєн Голар, Джон Діксон Гіббс, Карл Вільгельм Сіменс та інші. Системи змінного струму подолали обмеження систем постійного струму, що розроблялися Томасом Едісоном. Вони дозволили ефективно передавати електрику на великі відстані, хоча під час та званої війни струмів Едісон намагався зневажати ідею використання змінного струму, як занадто небезпечну[джерело?].

Одними з перших гідроелектростанцій, що працювали на змінному струмі, були Еймська ГЕС (весна 1891) і перша електростанція Адамса на Ніагарському водоспаді (25 серпня, 1895)[джерело?].

Гідроелектростанція Яруга в Хорватії була запущена в роботу 28 серпня 1895. Два її генератори (42 Гц, 550 кВт кожен) і трансформатори були виготовлені і встановлені угорською компанією Ганц. Лінія електропередачі від ГЕС до міста Шибеник мала довжину 11,5 км. Вона була змонтована на дерев'яних вежах і муніципальних розподільних мережах та використовувала шість трансформаторних підстанцій із перетворенням напруги 3000 В/110 В[джерело?].

Теорія електричних кіл змінного струму швидко розвивалася в другій половині ХІХ і на початку ХХ століття. Помітний внесок у теоретичну основу змінного струму зробили Чарльз Стейнмец, Джеймс Клерк Максвелл, Олівер Хевісайд та багато інших. Розрахунки незбалансованих трифазних систем були спрощені завдяки використанню методу симетричних складових, розробленого Чарльзом Фортеск'ю в 1918 році[джерело?].

Див. також[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

  • ДСТУ 2843-94. Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення. Чинний від 1995-01-01. — Київ: Держспоживстандарт України, 1995. — 65 с.