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?

Принцип получения переменного тока

Преобразование механической энергии в электрическую происходит за счет электромагнитной индукции. Это явление состоит в следующем: если магнитный поток (МП), пересекающий проводник, изменить, в дальнейшем возникнет электродвижущая сила (ЭДС). Добиться изменения МП можно путем перемещения проводника в магнитном поле.

Электродвижущая сила источника тока

ЭДС при этом равна Е = B * L * V * sin α, где:

B — индукция МП, Гн;
L — длина проводника, м;
V — скорость движения сердечника относительно поля, м/с;
α — угол между вектором скорости проводника и силовыми линиями поля.

Направление ЭДС определяют по правилу правой руки: если расположить ее так, чтобы силовые линии поля входили в ладонь, а отогнутый под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, 4 соединенных пальца укажут направление ЭДС.

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.

Получение переменного тока

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:

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;
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.

Фото 4 В генераторах тепловых и атомных электростанций так и происходит. Но в гидроэлектростанциях вращать ротор с такой скоростью невозможно физически: движителем служит падающая вода, а ее скорость намного меньше скорости перегретого пара с давлением в 500 атм.

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.

Примеры применения инверторов:

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:

однофазный;
трехфазный.

Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

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.

Видео по теме

О получении и передаче переменного электрического тока в видео:

В начале XX века развернулась азартная дискуссия между Т. Эдисоном и Н. Теслой по поводу того, на каком токе правильнее строить энергосистему — постоянном или переменном. В споре победил Никола Тесла, потому розетки в наших домах «поставляют» переменное напряжение. Как видно из данной статьи, получают его довольно простым способом.