Uzyskiwanie prądu przemiennego: metody i podstawowe definicje

Prąd przemienny jest obecnie jedynym sposobem taniego przesyłania energii elektrycznej na odległość. Przewyższa prąd stały pod wieloma parametrami, w tym łatwością transformacji. W tym artykule dowiesz się, jak uzyskać przemienny prąd elektryczny w życiu codziennym i w pracy.

Indukcja elektromagnetyczna i prawo Faradaya

Michael Faraday w 1831 odkrył wzór, który później został nazwany jego imieniem - Prawo Faradaya. W swoich eksperymentach wykorzystał 2 instalacje. Pierwszy składał się z metalowego rdzenia z dwoma zwiniętymi i niepołączonymi przewodami. Kiedy podłączył jeden z nich do źródła zasilania, strzałka galwanometru podłączonego do drugiego przewodnika drgnęła. W ten sposób udowodniono wpływ pola magnetycznego na ruch naładowanych cząstek w przewodniku.

Drugie ustawienie to dysk Faradaya. Jest to metalowy krążek, do którego podłączone są dwa przewodniki ślizgowe, które z kolei są połączone z galwanometrem. Dysk obraca się w pobliżu magnesu, a podczas obracania się na galwanometrze strzałka również się odchyla.

Tak więc zakończeniem tych eksperymentów była formuła, która łączy przejście przewodnika przez linie siły pola magnetycznego.

Tutaj: E to indukcyjne pole elektromagnetyczne, N to liczba zwojów przewodnika, który porusza się w polu magnetycznym, dF / dt to szybkość zmiany strumienia magnetycznego względem przewodnika.

W praktyce używają również wzoru, który można wykorzystać do określenia pola elektromagnetycznego na podstawie wielkości indukcji magnetycznej.

e = B * l * v * sinα

Jeśli przypomnimy sobie wzór łączący strumień magnetyczny i indukcję magnetyczną, możemy założyć, jak wyprowadzono powyższy wzór.

Ф = B * S * cosα

Tak narodziło się obecne pokolenie. Ale porozmawiajmy o tym, jak uzyskanie prądu przemiennego jest bliższe praktyce.

Metody uzyskiwania prądu przemiennego

Załóżmy, że mamy ramkę wykonaną z materiału przewodzącego. Umieśćmy go w polu magnetycznym. Zgodnie ze wspomnianym powyżej wzorem, jeśli rama zacznie się obracać, przepłynie przez nią prąd elektryczny. Przy równomiernym obrocie na końcach tej ramy uzyskany zostanie przemienny prąd sinusoidalny.

Wynika to z faktu, że w zależności od położenia wzdłuż osi obrotu ramę przenika różna liczba linii sił. W związku z tym wartość pola elektromagnetycznego jest indukowana nie równomiernie, ale zgodnie z położeniem ramy, a także znakiem tej wartości. Co widzisz na powyższym wykresie. Gdy rama obraca się w polu magnetycznym, zarówno częstotliwość prądu przemiennego, jak i wartość pola elektromagnetycznego na zaciskach ramy zależą od prędkości obrotowej. Aby osiągnąć określoną wartość pola elektromagnetycznego przy stałej częstotliwości, wykonuje się więcej zwojów. Okazuje się więc, że nie rama, ale cewka.

W taki sam sposób, jak opisano powyżej, można uzyskać prąd przemienny na skalę przemysłową. W praktyce szeroko stosowane są elektrownie z alternatorami. Wykorzystuje generatory synchroniczne. Ponieważ w ten sposób łatwiej jest kontrolować zarówno częstotliwość, jak i wielkość AC EMF i mogą one wielokrotnie wytrzymać krótkotrwałe przeciążenia prądowe.

W zależności od liczby faz w elektrowniach stosuje się generatory trójfazowe. Jest to rozwiązanie kompromisowe związane z ekonomiczną wykonalnością i technicznym wymogiem stworzenia rotacyjnego pole magnetyczne do pracy silników elektrycznych, które stanowią lwią część wszystkich urządzeń elektrycznych w przemysł.

W zależności od rodzaju siły napędzającej wirnik liczba biegunów może być różna. Jeśli wirnik obraca się z prędkością 3000 obr./min, to do uzyskania prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej 50 Hz potrzebny jest generator z 2 biegunami, dla 1500 obr./min - z 4 biegunami i tak dalej. Na poniższych zdjęciach widać generator typu synchronicznego.

Na wirniku znajdują się cewki lub uzwojenie pola, prąd jest do niego dostarczany z generatora-wzbudnicy (generator prądu stałego - GPT) lub z wzbudnicy półprzewodnikowej przez aparat szczotkowy. Szczotki umieszczone są na pierścieniach, w przeciwieństwie do maszyn kolektorowych, w wyniku czego pole magnetyczne uzwojeń wzbudzenie nie zmienia się w kierunku i znaku, ale zmienia się wielkość - podczas regulacji prądu patogen. W ten sposób automatycznie dobierane są optymalne warunki, aby utrzymać tryb pracy alternatora.

Tak więc możliwe było uzyskanie prądu przemiennego na skalę przemysłową metodą opartą na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, a mianowicie za pomocą generatorów trójfazowych. W życiu codziennym stosuje się zarówno generatory jednofazowe, jak i trójfazowe. Te ostatnie zaleca się kupować do prac budowlanych. Faktem jest, że duża liczba elektronarzędzi i obrabiarek może działać w trzech fazach. Są to silniki elektryczne różnych betoniarek, pił tarczowych, a także potężne spawarki zasilane są również z sieci trójfazowej. Co więcej, generatory synchroniczne nadają się do takich zadań, generatory asynchroniczne nie nadają się - ze względu na ich słabą wydajność z urządzeniami o dużych prądach rozruchowych. Asynchroniczne elektrownie domowe są bardziej odpowiednie do zasilania awaryjnego domów prywatnych i domków letniskowych.

Konwertery elektroniczne

Jednak nie zawsze racjonalne lub wygodne jest stosowanie domowych elektrowni benzynowych lub wysokoprężnych. Jest wyjście - uzyskanie jednofazowego lub trójfazowego przemiennego prądu elektrycznego z bezpośredniego. Aby to zrobić, użyj konwerterów lub, ponieważ są one również nazywane falownikami.

Falownik to urządzenie, które przekształca ilość i rodzaj prądu elektrycznego. W sklepach można znaleźć falowniki 12-220 lub 24-220 Voltów. W związku z tym urządzenia te są konwertowane na stały prąd 12 lub 24 woltów na prąd przemienny 220 V o częstotliwości 50 Hz. Poniżej przedstawiono schemat najprostszego podobnego konwertera opartego na sterowniku dla konwertera półmostkowego IR2153.

Taki obwód wytwarza na wyjściu zmodyfikowaną falę sinusoidalną. Nie nadaje się do zasilania obciążeń indukcyjnych, takich jak silniki i wiertarki. Ale jeśli nie na bieżąco, to całkiem możliwe jest użycie tak prostego falownika.

Przetworniki DC-AC z czysto sinusoidalnym wyjściem są znacznie droższe, a ich obwody są znacznie bardziej złożone.

Ważny! Kupując tanie moduły płyt z aliexpress, nie należy polegać na częstotliwości sinusoidalnej lub 50Hz. Większość z tych urządzeń dostarcza prąd o wysokiej częstotliwości o napięciu 220V. Może być używany do zasilania różnych grzejników i żarówek.

Pokrótce omówiliśmy zasady pozyskiwania prądu przemiennego w domu i na skalę przemysłową. Fizyka tego procesu znana jest od prawie 200 lat, niemniej jednak na przełomie XIX i XX wieku głównym popularyzatorem tej metody pozyskiwania energii elektrycznej był Nikola Tesla. Większość nowoczesnych urządzeń domowych i przemysłowych koncentruje się na wykorzystaniu do zasilania prądem przemiennym.

Na koniec zalecamy obejrzenie filmu, który wyraźnie pokazuje, jak działa alternator:

Prawdopodobnie nie wiesz:

• Jaka jest różnica między prądem przemiennym a prądem stałym?
• Sposoby obniżenia napięcia
• Jak uzyskać prąd z ziemi?