Teória obvodov striedavého prúdu: čo je striedavé napätie a ako sa generuje

Úvod

Elektrický obvod je úplná vodivá cesta, ktorou elektróny prúdia zo zdroja do záťaže a späť do zdroja. Smer a veľkosť toku elektrónov však závisia od druhu zdroja. V elektrotechnike existujú v zásade dva typy zdroja napätia alebo prúdu (elektrická energia), ktoré definujú druh obvodu, a to sú; Striedavý prúd (alebo napätie) a jednosmerný prúd.

Pre ďalších pár príspevkov sa zameriame na striedavý prúd a prechádzame témami od toho, čo je striedavý prúd po tvary vĺn striedavého prúdu atď.

AC obvody

Ako naznačuje názov (striedavý prúd), striedavé obvody sú jednoducho obvody napájané striedavým zdrojom, buď napätím alebo prúdom. Striedavý prúd alebo napätie, je ten, v ktorom je hodnota buď napätia alebo prúd sa o určitej strednej hodnoty a obracia smer periodicky.

Väčšina súčasných domácich a priemyselných spotrebičov a systémov je napájaná striedavým prúdom. Všetky zapojené spotrebiče na jednosmerný prúd a zariadenia na báze nabíjateľných batérií technicky pracujú na striedavý prúd, pretože všetky používajú určitú formu jednosmerného prúdu pochádzajúceho zo striedavého prúdu buď na nabíjanie batérií, alebo na napájanie systému. Striedavý prúd je teda forma, cez ktorú sa dodáva energia zo siete.

Striedavý obvod vznikol v 80. rokoch, keď sa spoločnosť Tesla rozhodla vyriešiť dlhodobú neschopnosť jednosmerných generátorov Thomasa Edisona. Hľadal spôsob prenosu elektriny pri vysokom napätí a potom použil transformátory na jej zvýšenie alebo zníženie podľa potreby pre distribúciu, a tak dokázal minimalizovať straty energie na veľkú vzdialenosť, čo bol hlavný problém Direct Aktuálne v tom čase.

Striedavý prúd vs jednosmerný prúd (AC vs DC)

AC a DC sa líšia niekoľkými spôsobmi od generácie po prenos a distribúciu, ale pre jednoduchosť si porovnanie s ich charakteristikami pre tento post ponecháme.

Hlavným rozdielom medzi striedavým prúdom a jednosmerným prúdom, ktorý je tiež príčinou ich rozdielnych charakteristík, je smer toku elektrickej energie. V DC elektróny prúdia rovnomerne v jednom smere alebo vpred, zatiaľ čo v striedavom prúde elektróny striedajú elektróny v pravidelných intervaloch. To tiež vedie k striedaniu úrovne napätia pri prepínaní z pozitívneho na negatívny v súlade s prúdom.

Nižšie je uvedená porovnávacia tabuľka, ktorá zdôrazňuje niektoré rozdiely medzi striedavým a jednosmerným prúdom. Keď pôjdeme viac do skúmania obvodov striedavého prúdu, zvýraznia sa ďalšie rozdiely.

Porovnávací základ	AC	DC
Kapacita prenosu energie	Cestuje na veľké vzdialenosti s minimálnymi stratami energie	Pri vysielaní na veľké vzdialenosti sa stráca veľké množstvo energie
Základné informácie o generácii	Otáčanie magnetu pozdĺž drôtu.	Stabilný magnetizmus pozdĺž drôtu
Frekvencia	Zvyčajne 50 Hz alebo 60 Hz v závislosti od krajiny	Frekvencia je nula
Smer	Pri prietoku okruhom pravidelne obracia smer	Stabilný konštantný tok v jednom smere.
Aktuálne	Jeho veľkosť sa časom mení	Konštantná veľkosť
Zdroj	Všetky formy generátorov striedavého prúdu a elektrickej siete	Články, batérie, premena zo striedavého prúdu
Pasívne parametre	Impedancia (RC, RLC atď.)	Iba odpor
Faktor výkonu	Leží medzi 0 a 1	Vždy 1
Tvar vlny	Sínusové, lichobežníkové, trojuholníkové a štvorcové	Rovná čiara, niekedy pulzujúca.

Základný zdroj striedavého prúdu (generátor s jednou cievkou)

Princíp okolo AC generácie je jednoduchý. Ak sa magnetické pole alebo magnet otáča pozdĺž stacionárnej sady cievok (drôtov) alebo rotácie cievky okolo stacionárneho magnetického poľa, generuje sa striedavý prúd pomocou generátora striedavého prúdu (alternátor).

Najjednoduchšia forma generátora striedavého prúdu pozostáva zo slučky drôtu, ktorá sa mechanicky otáča okolo osi, pričom je umiestnená medzi severným a južným pólom magnetu.

Zvážte obrázok nižšie.

Keď sa cievka kotvy otáča v magnetickom poli vytvorenom magnetmi severného a južného pólu, magnetický tok cez cievku sa mení a náboje sú tak pretláčané vodičom, čo vedie k efektívnemu napätiu alebo indukovanému napätiu. Magnetický tok cez slučku je výsledkom uhla slučky vzhľadom na smer magnetického poľa. Zvážte obrázky uvedené nižšie;

Z vyššie uvedených obrázkov môžeme odvodiť, že určitý počet siločiar magnetického poľa bude pri rotácii kotvy prerušený, množstvo „orezaných čiar“ určuje výstup napätia. S každou zmenou uhla rotácie a výsledným kruhovým pohybom kotvy proti magnetickým linkám sa mení aj množstvo „rezaných magnetických liniek“, a tým sa mení aj výstupné napätie. Napríklad čiary magnetického poľa rezané pri nulovom stupni sú nulové, čo vedie k výslednému napätiu nula, ale pri 90 stupňoch sú rezané takmer všetky čiary magnetického poľa, takže v jednom smere sa generuje maximálne napätie v jednom smere. To isté platí pre 270 stupňov, iba ak sa generuje v opačnom smere. Pri rotácii kotvy v magnetickom poli teda dochádza k výslednej zmene napätia, čo vedie k vytvoreniu sínusového priebehu. Výsledné indukované napätie je teda sínusové, s uhlovou frekvenciou ω meranou v radiánoch za sekundu.

Indukovaný prúd vo vyššie uvedenom nastavení je daný rovnicou:

I = V / R

Kde V = NABwsin (hmotn.)

Kde N = rýchlosť

A = plocha

B = magnetické pole

w = uhlová frekvencia.

Skutočné generátory striedavého prúdu sú zjavne zložitejšie, fungujú však na rovnakých princípoch a zákonoch elektromagnetickej indukcie, aké sú popísané vyššie. Striedavý prúd sa tiež generuje pomocou určitých druhov prevodníkov a obvodov oscilátorov, ktoré sa nachádzajú v invertoroch.

Transformátory

Princípy indukcie, na ktorých je založený AC, sa neobmedzujú iba na jeho výrobu, ale aj na ich prenos a distribúciu. Pretože v čase, keď sa počítalo so striedavým prúdom, jedným z hlavných problémov bola skutočnosť, že DC sa nemohol prenášať na veľkú vzdialenosť, takže jedným z hlavných problémov, ktoré bolo treba vyriešiť, aby bola životaschopná, bola schopnosť bezpečne dodávať vysoké napätie (KV) generované zákazníkom, ktorí používajú napätie v rozsahu V, a nie KV. To je jeden z dôvodov, prečo je transformátor označovaný ako jeden z hlavných faktorov umožňujúcich striedavý prúd a je dôležité o ňom hovoriť.

V transformátoroch sú dve cievky zapojené takým spôsobom, že keď je do jednej privádzaný striedavý prúd, indukuje napätie v druhej. Transformátory sú zariadenia, ktoré sa používajú na znižovanie alebo zvyšovanie napätia privedeného na jednom konci (primárna cievka) na vytváranie nižšieho alebo vyššieho napätia na druhom konci (sekundárna cievka) transformátora. Indukované napätie v sekundárnej cievke sa vždy rovná napätiu aplikovanému na primárnej cievke vynásobené pomerom počtu závitov na sekundárnej cievke k primárnej cievke.

Transformátor, ktorý je stupňovitým alebo stupňovým transformátorom, je teda závislý od pomeru počtu závitov na sekundárnej cievke k počtu závitov vodiča na primárnej cievke. Ak je na primárnej cievke viac závitov v porovnaní so sekundárnou, transformátor zníži napätie, ale ak má primárna cievka menší počet závitov v porovnaní so sekundárnou cievkou, transformátor zvýši napätie privedené na primárnu cievku.

Vďaka transformátorom je distribúcia elektrickej energie na dlhý dosah veľmi možná, nákladovo efektívna a praktická. Na zníženie strát počas prenosu sa elektrická energia prenáša z výrobných staníc pri vysokom napätí a malom prúde a potom sa pomocou transformátorov distribuuje do domácností a kancelárií pri nízkom napätí a vysokých prúdoch.

Tu sa teda zastavíme, aby sme článok nepreťažili príliš veľa informáciami. V druhej časti tohto článku sa budeme zaoberať krivkami striedavého prúdu a dostaneme sa k niektorým rovniciam a výpočtom. Zostaňte naladení.