Stejnosměrný a střídavý proud. Význam transformátorů.

Takže generátor v naší elektrárně přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii. co bude dál? Jakou formou a jak přesně předávat energii spotřebiteli? Jak se vyhnout kolosálním přenosovým ztrátám? Překvapivě taková situace skutečně existovala! V Ruské říši až do začátku 20. století panoval úplný zmatek. U každého „velkého“ spotřebitele elektřiny (továrna, statek úspěšného obchodníka nebo hotel pro lidi ušlechtilé krve) byla postavena samostatná elektrárna. Existovalo mnoho konkurenčních firem poskytujících elektrifikační služby a následně vlastní elektrozařízení na míru pouze pro jejich síť. Každý dodavatel elektřiny si nastavuje vlastní parametry elektrické sítě – napětí, frekvenci. Existovaly dokonce stejnosměrné elektrické sítě! Člověk, který si koupil například žárovky od společnosti Lodygin and Co. Electric Lighting Partnership, je mohl používat pouze v elektrické síti stejné společnosti. V případě připojení do sítě General Electric by tato žárovka okamžitě selhala – síťové napětí této společnosti bylo výrazně vyšší, než bylo nutné, o dalších parametrech nemluvě. Teprve v roce 1913 se císařští inženýři rozhodli přenášet elektřinu na velké vzdálenosti přes nadzemní vedení, čímž se eliminovala potřeba stavět elektrárny „na každé zásuvce“. V předvečer nadcházející velké války a nárůstu vlastenectví začaly úřady uvažovat o náhradě dovozu. No, stejně jako v naší době, po krizi 2014). Mnoho malých západních firem (kromě německých a francouzských) bylo finančně a právně potlačeno a byly dány výhody pouze domácím partnerstvím a podnikům. To vedlo k monopolu na trhu dodavatelů elektřiny a nevědomky ke standardizaci parametrů elektrické sítě. Vzhledem k tomu, že Berlín a Paříž byly již elektrifikovány jedinou elektrickou sítí se střídavým napětím 220 voltů, přijaly tento standard i domácí společnosti. Pro lidi bylo pohodlnější používat jednodruhové elektrospotřebiče bez obav, že jim nový elektrický vysavač v novém bydlišti shoří kvůli jiným parametrům elektrické sítě. Došlo k úplnému vysídlení mnoha malých firem – nikdo nechtěl využívat jejich služeb a jejich zařízení, přestože byly nuceny se přizpůsobit jednotnému standardu elektrické sítě. Stejných 220 voltů AC.

Proč střídavé napětí?

Není to tak dávno, co podle historických měřítek mělo lidstvo dilema: který proud je lepší? Variabilní nebo konstantní? Toto období bylo známé jako „válka proudů“. Ve skutečnosti docházelo ke sporům mezi Nikolou Teslou a Edisonem, největšími vědci-vynálezci té doby. Edison byl pro stejnosměrný proud a Nikola Tesla pro střídavý proud. Tento boj pokračoval více než 100 let, dokonce i po smrti těchto velkých vědců! Ale přesto, v roce 2007, střídavý proud vyhrál konečné vítězství. Jde o to, že stejnosměrný proud při přenosu na velké vzdálenosti ztrácí svou energii zahříváním vodičů. Tady je na vině zákon Joule-Lenz Q = 2 Rt kde Q – množství vyrobeného tepla (Jouly) I – proud procházející vodičem (Ampéry) R – odpor vodiče (ohmy) t – doba průchodu proudu vodičem (v sekundách) Není těžké uhodnout, že čím více proudu protéká dráty a čím delší jsou dráty, tím více se zahřejí, protože odpor drátu je vyjádřen vzorcem: Druhým důvodem bylo, že stejnosměrný generátor musel používat speciální konstrukci, která by umožňovala odvod elektrického proudu z pohyblivých vinutí. Za tímto účelem je vytvořen tzv kolektor, ke kterému byla připájena vinutí generátoru. Kolektor byl celou dobu v pohybu, protože byl připevněn k samotné hřídeli generátoru. Napětí bylo z komutátoru odstraněno pomocí grafitových kartáčů. Stejný princip se stále používá u generátorů a stejnosměrných motorů. Nevýhodou tohoto provedení je, že se časem kartáče a komutátor opotřebovávají. Proto musí být takový generátor často servisován, kartáče musí být vyměněny včas a komutátor musí být vyčištěn. Nejčastěji má takový generátor dva vodiče: plus a mínus. Čím více kolektorových desek (lamel) na takovém generátoru bude, tím čistší bude stejnosměrný proud z takového generátoru. Pokud má takový generátor mnoho lamel a točí se stejnou rychlostí, pak na osciloskopu vidíte přibližně následující obrázek stejnosměrného proudu Generátor střídavého napětí nemá takové nevýhody. Princip jeho fungování je uveden níže V současné době používá tři vinutí rozmístěná o 120 stupňů. Jeden konec každého vinutí je vzájemně propojen a tvoří takzvanou „nulu“. U nás se takové generátory snaží roztočit v tepelných elektrárnách nebo vodních elektrárnách na rychlost 50 otáček/sec. No, nebo 3000 ot./min. To není špatná rychlost.) V Americe se točí na 60 otáček. Jaké jsou otáčky za sekundu? Toto je frekvence. A frekvence, jak si vzpomínáte, je vyjádřena v Hertzech (Hz). Proto je v našich zásuvkách frekvence 50 Hz, v Americe 60 Hz. Takové generátory se nazývají třífázové, protože mají tři fáze: A, B, C. V anglické literatuře můžete vidět označení R, S, T nebo L1, L2, L3. Bod, kde je spojen konec všech vinutí, je označen písmenem N (nula). To znamená, že z generátoru vycházejí 4 vodiče: fáze A, B, C a 0, také známé jako nulový vodič N, které spojují jeden konec každého ze tří vinutí. Když se rotor-magnet otáčí, v každém vinutí vzniká elektrický proud. Pokud použijete osciloskop k zobrazení oscilogramů tří vinutí najednou, můžete vidět něco takového:

Přenos elektrického proudu na velké vzdálenosti

Takže jsme dostali elektrický proud. Nyní to musíme nějak přenést na velké vzdálenosti, nezapomenout na Joule-Lenzův zákon: Q = 2 Rt . To znamená, že musíme nějak zázračně snížit proud, který bude protékat dráty, protože ten je zodpovědný hlavně za velké ztráty. Pro tyto účely je ideální transformátor, ale ne jednoduchý, ale třífázový. To využívá pozoruhodnou vlastnost transformátoru: pokud zvýšíme napětí, pak snížíme proud a naopak snížíme napětí a zvýšíme proud. Proto, abychom mohli přenášet přijatou elektřinu na velké vzdálenosti, musíme několikrát zvýšit napětí, čímž se sníží proudová síla stejným počtem. Níže na obrázku je schéma přenosu elektřiny z generátoru vodní elektrárny ke konečnému spotřebiteli, tedy pro továrny, pro elektromobily a pro vás a mě. U vodních elektráren se napětí zvyšuje na několik kilovoltů, nejčastěji na 110 kV. To vše je dosaženo pomocí třífázového vysokého napětí stupňovací transformátor. Dále se vysokonapěťové napětí pohybuje podél vysokonapěťového vedení (3) a dosahuje města nebo regionálního centra. Proč nemohlo být možné okamžitě vytáhnout dráty z generátoru? Proč bylo nutné zvýšit a pak zase snížit napětí? Vše opět kvůli zákonu Joule-Lenz. Vzhledem k tomu, že se vodní elektrárna nachází ve velmi velké vzdálenosti od spotřebitelů elektřiny, je nutné zvýšit napětí, aby se minimalizovaly ztráty způsobené zahříváním drátů. Jak jsme již řekli, transformátor zvyšuje napětí, ale současně snižuje proudovou sílu o stejnou hodnotu, takže ztráty ve vodičích na velké vzdálenosti jsou výrazně sníženy, na základě vzorce Joule-Lenz Q = 2 Rt. Z rozvodny je pak napětí distribuováno do transformátorových „budek“, které jsou již vidět v každém prostoru. Z těchto „budek“ vychází po přeměně přibližně 380 voltů. Ale je tu jedna nuance. Všude se používají tři dráty, ale nejčastěji se do našich domů dostávají dva dráty. co se děje? Jde ale o to, že existuje něco jako lineární и fáze napětí. Síťové napětí se měří mezi 3 vodiči přenášejícími 380 V. Říká se jim fáze. Tedy zhruba řečeno, jsou to stejné dráty, které vyšly z generátoru někde jinde ve vodní elektrárně. Pokud ale vezmeme kteroukoli z fází a změříme napětí vzhledem k nulovému vodiči, tedy relativně k nule, pak budeme mít fázové napětí 220 V. Ukazuje se, že do našeho domu přichází JEDNA fáze a NULA. Kam směřují další fáze? Jsou rovnoměrně rozděleny mezi obyvatele domu nebo vaší oblasti. To znamená, že k vašemu sousedovi může přijít jiná fáze, ale stejná nula. Z těchto „budek“ vychází po přeměně přibližně 380 voltů. Ale je tu jedna nuance. Všude se používají tři dráty, ale nejčastěji se do našich domů dostávají dva dráty. co se děje? Jde ale o to, že existuje něco jako lineární и fáze napětí. Síťové napětí se měří mezi 3 vodiči přenášejícími 380 V. Říká se jim fáze. Tedy zhruba řečeno, jsou to stejné dráty, které vyšly z generátoru někde jinde ve vodní elektrárně. Pokud ale vezmeme kteroukoli z fází a změříme napětí vzhledem k nulovému vodiči, tedy relativně k nule, pak budeme mít fázové napětí 220 V. Ukazuje se, že do našeho domu přichází JEDNA fáze a NULA. Kam směřují další fáze? Jsou rovnoměrně rozloženy mezi obyvatele domu nebo vaší oblasti. To znamená, že vašemu sousedovi může přijít jiná fáze, ale stejná nula.

Napětí 220 voltů

V RuNet je spousta otázek konkrétně o napětí „ze zásuvky“. Nejčastěji kladená otázka vypadá takto: – Jaký je proud v zásuvce? Zde je otázka samozřejmě položena nesprávně. Proud se nejčastěji označuje jako síla proudu. Lepší otázka by byla: „Jaké je napětí na zásuvce?“ V Rusku máme v domácí síti střídavé napětí s frekvencí 50 Hz, maximální amplitudou přibližně 310 voltů a efektivním napětím 220 voltů. Myslím, že toto bude nejpodrobnější odpověď. Takže teď pojďme zjistit, co je co. Jak vypadá tento „výstupní proud“ na osciloskopu? No, asi takhle: Když jsem byl ještě úplně malý, měli jsme vedle televize velmi zajímavé zařízení. Byla na něm stupnice a večer jsme knoflík upravili tak, aby stupnice ukazovala přesně 220 Voltů, jinak TV odmítala fungovat. S přibývajícím věkem jsem si uvědomil, že se jedná o ruční stabilizátor napětí, protože večer začali všichni sousedé „žrát“ elektřinu, a proto měla síť 190-200 voltů. V dnešní době jsou ve všech televizích a dalších domácích spotřebičích tyto stabilizátory zabudovány přímo uvnitř zařízení, a proto potřeba stabilizátorů prudce zmizela.

Co je fáze a nula

220 voltů k vám přichází přes dva dráty. Někdy je ve spojení s nimi také třetí žlutozelený vodič – to je zem. Tento drát se používá pro bezpečnostní účely. Staré domy takový drát nemají. Zem je v 90 % případů označena jako žlutozelený vodič. Jiné dráty mohou mít různé barvy, ale nejčastěji se snaží označit nulu modrým drátem a fázi jasnou barvou. Například červená. Takže jeden drát teče fáze, jiným způsobem – nula. Nula je vodič pro odstranění elektrického proudu z fáze. Nula nepředstavuje pro člověka nebezpečí, ale přesto je lepší neexperimentovat! Ve fázi se napětí mění velmi rychle, nejprve z nějaké maximální hodnoty (pro 220 voltů je tato hodnota 310 voltů), pak klesne na nulu a poté přejde do záporu a dosáhne hodnoty -310 voltů a poté znovu na nulu a znovu na 310 voltů. Takže za vteřinu stihne tuto operaci provést 50krát, protože generátor ve vodní elektrárně, tepelné elektrárně nebo jaderné elektrárně se točí přesně touto rychlostí.

Jaké procesy probíhají během fáze?

V určitém okamžiku je napětí fáze vyšší než nula. V určitém okamžiku se rovná nule. A v určitém okamžiku se stane méně než nulou. Nebo jinými slovy, nula bude větší v napětí než fáze). Pak se fáze opět rovná nule a pak opět větší než nula a to vše se opakuje, dokud generátor v elektrárně pracuje. Jak jsem již řekl, fáze bez nuly není nic! A i když stojíte na dielektrické podložce, tedy zcela izolujete od kontaktu se zemí, můžete se fáze i dotknout bez újmy na zdraví. ALE! to ani nezkoušejte testovat doma! Dělají to jen ostřílení elektrikáři a mají k dispozici tyto dielektrické rohože a další vychytávky. Ale nikdy, slyšíš, NIKDY! Nedotýkejte se dvou vodičů najednou holýma rukama., zejména je brát jeden po druhém do rukou! Budete vodič spojující obvod 220 V. Nebo jednoduše řečeno, dostanete elektrický šok. Napětí ve vývodu je efektivní napětí a vypočítá se pomocí vzorce: kde U_Д je efektivní napětí, V U_max – maximální napětí, V Proto podle vzorce dostaneme U_max = 310 V Takže vězte, že v elektronice a elektrice, pokud vám bude řečeno, že střídavé napětí, řekněme, 24 voltů, je herectví napětí. Nikdo nepoužívá maximální hodnotu střídavého napětí.

Je prostě nemožné si představit moderní svět bez elektřiny a elektrických spotřebičů. Všechno, na co jsme tak zvyklí: osvětlení, domácí spotřebiče, počítače, televize, je nějak spojeno s napájením. Je však třeba poznamenat, že některá zařízení pracují na střídavý proud, zatímco jiná jsou napájena zdroji stejnosměrného proudu.

Stejnosměrný proud se nazývá proud, který po určitou dobu nemění svůj směr a velikost. Stejnosměrný proud má tedy konstantní napětí a proud.

Používá se stejnosměrný proud:

• Pro přenos elektřiny po vedení vysokého napětí (například 500 kV). To je způsobeno skutečností, že pokud se použije střídavý proud stejného napětí, s přihlédnutím k hodnotám amplitudy napětí a jejich poklesu, mohou tato napětí několikrát překročit hodnotu stejnosměrného napětí. Použití střídavého proudu ve vysokonapěťových drátech povede k dodatečným nákladům na izolační materiály, což výrazně zvýší náklady na elektrické vedení.
• V kontaktních sítích elektrické dopravy – trolejbusy a tramvaje – do 3000 V.
• V sítích do 1000 V pro elektromotory s obtížnými startovacími podmínkami – válcovny, odstředivky atd.
• Pro elektrické sítě do 500 V, používá se pro zdvihací mechanismy – elektrické jeřáby.
• Jako zdroj energie pro různé přenosné domácí spotřebiče – svítilny, audio přijímače, diagnostické přístroje, multimetry, mobilní telefony.

Tok elektronů jde přísně přímočaře, aniž by osciloval nebo se jakkoli měnil. Takový proud nemá frekvenci, protože nedochází k oscilacím. Tok elektronů (každý elektron) se pohybuje striktně jedním směrem od „mínusu“ k „plusu“. To je důvod, proč je tak důležité zachovat polaritu baterií. Pokud připojíte dvě „mínusy“ nebo dvě „plusy“, proud prostě nepoteče.

Za zmínku stojí, že v obtížných startovacích podmínkách – tedy pokud je rozběhový moment vysoký a je vyžadována plynulá regulace rychlosti, trakce a rozběhového momentu – se používají stejnosměrné motory. Jsou to například motory elektrických vozidel, elektrické mlýny a odstředivky.

Stejnosměrný proud najdeme nejčastěji v různých bateriích – akumulátorech a bateriích. Řekněme, že auta používají 12V DC baterie; Pro stavební zařízení se používají například rypadla, buldozery, baterie s napětím 24 V, baterie mobilního telefonu autora je stejnosměrné napětí 3,7 V.

Každý stejnosměrný zdroj má dvě svorky nebo konektory označené plus (+) a mínus (-). Předpokládá se, že stejnosměrný proud se pohybuje od kladného pólu (+) k zápornému pólu (-) a mezi ně lze připojit zařízení (například žárovku).

Ve skutečnosti procesy probíhající ve stejnosměrné elektrické síti probíhají velmi rychle a není možné je zobrazit v reálném čase.

Schematicky je působení stejnosměrného proudu v nejjednodušší síti mnohokrát zpomaleno. Poskytuje nejúplnější obrázek o procesech probíhajících v DC síti.

Střídavý proud – jedná se o proud, který po určitou dobu mění svůj směr. Frekvence změn směru se měří v hertzech. 1 hertz (Hz) znamená, že celý cyklus změny směru (tam a zpět) je dokončen za jednu sekundu. V evropských zemích, včetně Ruska, elektrické sítě pro domácnost používají jednofázový střídavý proud s frekvencí 50 Hz, to znamená, že mění svůj směr 100krát za sekundu.

Za jednu sekundu tak vláknem lampy hořícím na běžném stole projde proud 50x v jednom směru a XNUMXx v opačném směru.

Americké a kanadské rozvodné sítě používají střídavý proud 60 Hz místo běžného střídavého proudu 50 Hz.

Stejně jako má zdroj stejnosměrného proudu dvě svorky – kladnou a zápornou, má jednofázový zdroj střídavého proudu dvě svorky nebo konektory nazývané „fáze“ a „nula“.

Mimochodem, střídavý proud v domácí zásuvce se nazývá jednofázový, právě kvůli přítomnosti jednoho „fázového“ konektoru. Hodnota napětí jednofázového střídavého proudu je 220 V.

Střídavý proud působí následovně: střídavý proud se začne pohybovat z „fáze“ směrem k „nule“, dosáhne ji, zastaví se a poté se pohybuje v opačném směru.

Vlastnosti jednofázového střídavého proudu jsou:

• Průměrná hodnota střídavého proudu za dané období je nulová.
• Střídavý proud za určitou dobu mění nejen směr pohybu, ale také jeho velikost.
• Efektivní hodnota střídavého proudu je síla takového stejnosměrného proudu, při které se průměrný výkon, který se uvolní ve vodiči v obvodu střídavého proudu, rovná výkonu, který se uvolní ve stejném vodiči v obvodu stejnosměrného proudu. Když mluví o proudech a napětích ve střídavé síti, mají na mysli jejich efektivní hodnoty.

Tok elektronů neustále kmitá na určité frekvenci (50 hertzů) a vytváří sinusovku (vlnovku).
Tok elektronů se pohybuje dle libosti, jednotlivé elektrony v toku se také pohybují chaoticky. U střídavého proudu není polarita nutná.

Efektivní střídavé napětí v běžné domácí zásuvce je 220 voltů.

Široké použití střídavého proudu v technologii a pro domácí potřeby je způsobeno tím, že střídavý proud se snadno transformuje. Napětí v AC síti lze snadno zvýšit nebo snížit pomocí speciálního zařízení – transformátoru.

Transformátor je elektromagnetické zařízení, které převádí střídavý proud prostřednictvím elektromagnetické indukce tak, že napětí v síti několikrát klesne nebo vzroste bez změny frekvence a prakticky bez ztráty výkonu.

Pro převod střídavého napětí směrem dolů (například výkonové transformátory z 10 000 V městských sítí na 220 V domácí sítě) se používají snižovací transformátory. Pro převod síťového napětí směrem nahoru se používají stupňovité transformátory.