Téměř každý ví, že v domácí síti je široce používáno střídavé napětí, v důsledku toho jsou všechna domácí zařízení napájena střídavým proudem. Ne každý však zná metody získávání střídavého proudu, vlastnosti vzniku elektrické veličiny a metody, kterými se v praxi vyrábí. Proto se v rámci článku budeme zabývat jak teoretickými, tak praktickými aspekty této problematiky.
Teorie
Na jedné straně každý ví, že k prvnímu seznámení lidstva s elektrickou energií došlo na příkladu stejnosměrného proudu. Teprve v roce 1831 vedlo studium fenoménu magnetické indukce ke vzniku střídavých proudů. První experimenty zahrnovaly elektrický vodič umístěný v magnetickém toku.
Například byste měli zvážit běžný vodič uvedený do stavu uzavřené smyčky, okraje vodiče lze připojit k měřicímu zařízení pro záznam změn elektrických veličin.
Dále potřebujete:
- vezměte si dobrý magnet, pokud máte po ruce silný neodym, pak bude fungovat nejlépe;
- připojte vodič ke galvanometru, položte celý elektrický obvod na stůl nebo jiný povrch z izolačního materiálu;
- přiveďte magnet k vodiči co nejblíže, je žádoucí, aby vzdálenost nebyla větší než 10 mm;
- provést prudký pohyb v kolmé rovině vzhledem k vodiči;
- věnujte pozornost zařízení, ručička galvanometru se vychýlí z rovnovážné polohy v libovolném směru – v důsledku elektromagnetických kmitů se ve vodiči indukuje indukční EMF, což způsobí výskyt střídavého proudu v uzavřeném obvodu.
Několikrát opakujte manipulaci s magnetem a uvidíte, jak se galvanometr rovnoměrně vychyluje do strany, když se pól přibližuje k vodiči, a stejně rovnoměrně se vrací do své původní polohy, když je magnet odstraněn. Odchylka šipky označuje změnu velikosti proudu a potenciálu indukovaného v kovu. Amplituda kmitů proudu není v čase konstantní, proto se tato hodnota nazývá proměnná.
Všimněte si, že pokud posunete jeden magnetický pól v blízkosti drátu, šipka se bude odchylovat jedním směrem, pokud ji otočíte opačným magnetickým pólem, směr šipky se odpovídajícím způsobem změní.
Jeden obvod je jen příkladem pro pochopení podstaty získávání střídavého elektrického proudu, protože EMF v něm bude příliš malé a nebude dostatek energie ani pro napájení LED. V průmyslovém měřítku se místo otáčení závitu používají celá vinutí s mnoha závity. V praxi je jedno, zda se magnet pohybuje vzhledem k vodiči, nebo zda se uzavřený obvod pohybuje vzhledem k pólu magnetu.
Pro změnu EMF ve vinutí generátoru lze tedy použít jak princip otáčení rotoru vyrobeného z magnetického materiálu uvnitř vinutí statoru, tak i vinutí rotoru uvnitř magnetického statoru.
Samotná velikost elektromotorické síly se určí z poměru fyzikálních parametrů podle následujícího vzorce:
kde n je počet závitů vinutí
a poměr dФB/dt je rychlost změny elektromagnetické indukce v čase.
Způsoby, jak se dostat
Dnes existuje poměrně velké množství metod pro získání střídavého proudu. Proto v rámci článku zvážíme to nejzajímavější z praktického hlediska.
Rám s magnety
K tomu budete potřebovat rám vyrobený z jakéhokoli kovu, jehož konce umožňují organizovat rotaci. Z protilehlých konců vzhledem k rámu jsou instalovány dva magnety nasměrované protilehlými póly. Je třeba poznamenat, že velikost střídavého proudu bude záviset na odporu vodičů, takže je lepší vzít produkt s velkým průřezem a vysokou vodivostí. Když se obvod otáčí, v jeho elektrické síti se indukuje EMF, což povede k toku střídavého proudu.
Rýže. 1. Rám a magnety
Jak můžete vidět na obrázku výše, při jednotné maximální vzdálenosti stran kovového kroužku od pólů magnetu je velikost elektromotorické síly nulová, magnetické čáry vodič neprotínají. Sinusoida napětí a proudu pochází z nuly. Poté se rám pohybuje a EMF se mění, dokud nedosáhne svého maxima se stranami optimálně přiblíženými k magnetům. Jak se rám dále otáčí, jeho strany se opět oddálí od magnetů a proměnná EMF se opět sníží na nulu.
Při změně polohy se mění i směr toku střídavého proudu, což se na grafu zobrazuje jako přechod křivky do záporné roviny grafu. Samozřejmě, že takové schéma není vhodné pro průmyslové generátory, takže používají vylepšený princip.
Asynchronní a synchronní generátor
Asynchronní elektrický stroj je svou konstrukcí podobný transformátorovému zařízení. Používá se k výrobě a přenosu střídavého proudu v třífázových sítích. Elektrický stroj lze zpravidla použít jako třífázový motor i jako generátor, z nichž mnohé jsou reverzibilní.
Svým provedením připomíná rám, ale v třífázovém provedení – pro každou z fází je ve statoru umístěna vlastní cívka nahrazující jednu otáčku kroužku. Všechna fázová vinutí jsou vůči sobě přesazena o 120° v geometrické rovině.
Rýže. 2. Zařízení asynchronního generátoru
Vlivem fyzického posunutí vinutí se v nich indukuje střídavý proud s oním zpožděním, vzhledem k předchozí fázi, které rotor potřebuje k překonání odpovídající vzdálenosti. Díky tomu jsou napětí a proud v každé z fází vzájemně posunuty. Frekvence rotace určuje rychlost, kterou sinusoida protne osu úsečky za jednotku času. V domácích sítích je průmyslová frekvence střídavého proudu 50 Hz.
Rýže. 3. Napětí v třífázové síti
Nicméně, stejně jako alternátory, asynchronní stroje mají řadu nevýhod:
- velké startovací proudy;
- zpoždění elektromotorické síly od magnetického pole, které ji indukuje;
- menší kontrola nad systémem.
Proto se nyní poměrně často používá obvod generátoru synchronního typu. Konstrukčně je podobný předchozímu modelu s tím rozdílem, že má připojenou přídavnou cívku přes posuvný kontakt. Výrazně snižuje startovací proudy a usnadňuje práci.
Rýže. 4. Schéma synchronního generátoru
Měnič
Díky vývoji technologií lze střídavý proud v moderním světě snadno získat nejen z třífázových generátorů. Důležitou roli hrají solární elektrárny vyrábějící stejnosměrný proud, který se přímo v běžném životě a výrobě málokdy využívá. Pro přeměnu hotového stejnosměrného proudu na střídavý proud se používají speciální zařízení – invertory.
Rýže. 5. Obvod invertoru
Obrázek 5 výše ukazuje příklad nejjednoduššího měniče pro generování střídavého proudu. Jak vidíte, konstantní napětí z baterie je přiváděno do dvojice tranzistorů VT1 a VT2. Kvůli rozdílům v rychlosti otevírání se jeden z tranzistorů otevře dříve a veškerý proud jím bude procházet, dokud se nezíská určitý prototyp polovičního cyklu. Samozřejmě, že taková AC křivka bude mít daleko k dokonalé sinusoidě, ale více než dostačující pro zvýšení napětí na Tr transformátoru na 220V.
Jedná se o nejjednodušší možnost převodu stejnosměrného napětí na střídavé napětí, nemusí produkovat stejnou frekvenci jako indukční generátory a považujeme ji pouze za příklad. Pro domácí a průmyslové použití se vyrábí složitější modely.
Většina světové populace využívá elektřinu. Málokdo ale ví, že do domu vstupuje střídavý proud. Takový elektrický proud se v čase mění vektorově (to znamená, že se mění směr) a kvantitativně (mění se číselná hodnota). Na elektrických spotřebičích je označen symboly nebo . Způsob získávání střídavého elektrického proudu je znám téměř dvě stě let. Jeho hlavním propagátorem byl Nikola Tesla.
Průmyslová výroba elektrického proudu
Mnozí mají zájem vědět, kde probíhá průmyslová výroba střídavého proudu. K tomu se používají elektrárny. Jsou několika typů. Jedná se především o hydraulické (HPP), jaderné (NPP), tepelné (TPP). Přijímají elektrický proud na principu elektromagnetické indukce.
Příjem a přenos střídavého elektrického proudu v tepelných elektrárnách vyžaduje turbogenerátor, pomocí kterého se energie použitého spalitelného paliva generuje na střídavý elektrický proud. U vodních elektráren se mechanická energie vody přeměňuje na elektrickou energii pomocí hydroelektrického generátoru. V jaderných elektrárnách se při štěpení uranu v reaktorech získává střídavý elektrický proud.
Elektřina je do domácností přenášena elektrickým vedením. Použití elektrického vedení umožňuje dodávat elektřinu na velmi dlouhé vzdálenosti. Protože průchod elektřiny je spojen s určitými ztrátami v důsledku zahřívání vodičů, během přepravy se proud obvykle snižuje a napětí se zvyšuje. K tomu se používají stupňovité transformátory a před dodáním do domů se napětí sníží na 220 voltů, ale již pomocí stupňovitých transformátorů.
Popisné hodnoty
Existují některé fyzikální parametry, které popisují střídavý elektrický proud:
- Oscilační amplituda. Jedná se o maximální odchylku elektrického proudu I od průměrné hodnoty. Amplituda kmitů je vyjádřena ve stejných měrných jednotkách jako hlavní veličina. Protože se jako jednotka měření proudu používá ampér, má amplituda kmitání stejný rozměr.
- Frekvence cyklických oscilací. Toto je počet úplných oscilací I za 2π sekund. Rozměr cyklické frekvence je rad/s (radiány za sekundu) nebo 1/s (radiány jsou bezrozměrná veličina), stejně jako sekunda k mocnině -1.
- Doba oscilace. Toto je čas jednoho plného švihu. Rozměr je sekund.
- Frekvence kmitání. Převrácená hodnota periody oscilace. Jedná se o počet kmitů za jednotku času. Jednotkou je hertz (Hz) nebo sekunda k výkonu -1. Stojí za zmínku, že v různých zemích je frekvence elektrického proudu posílaného elektrickým vedením odlišná. Ve většině zemí je to 50 Hz, v USA a Kanadě je to 60 Hz. V Japonsku se používají oba standardy.
Elektrické sítě používají sinusový proud, který se mění podle harmonického zákona (kosinus nebo sinus):
Tento vzorec je považován za zjednodušený, protože se předpokládá, že počáteční čas t = 0. Pokud počítání času nezačíná od 0, pak má výraz tvar:
I = já * sin(ω * t + φ), kde se přidává počáteční fáze kmitů. Podle tohoto vzorce se vypočítává velikost střídavého proudu.
Obrázek ukazuje, že jedna osa souřadnic je I (střídavý elektrický proud) a druhá osa je t (čas). Podle toho graf ukazuje závislost I na t, tedy závislost proudu na čase. V polohách 1, 3, 5, 7, 9, 11 je pozorována nejvyšší hodnota amplitudy. Takový graf se nazývá sinusovka.
Jak vzniká elektřina
Poté, co byl uveden výraz pro zjištění velikosti střídavého elektrického proudu, měli byste zjistit, odkud pochází. Pokusíme se to stručně a jednoduše vysvětlit.
Princip získávání střídavého proudu je založen na jevu elektromagnetické indukce, který popisuje Faradayův zákon. Pro lepší pochopení se podívejte na obrázek. Ukazuje nejjednodušší zařízení pro získávání střídavého proudu.
K dispozici je rám vyrobený z vodivého materiálu. Je umístěn v magnetickém poli. Šipky na obrázku jsou čáry magnetického pole. Při rovnoměrném otáčení se na koncích obvodu objevuje sinusový proud. Je to dáno tím, že rámem prochází pokaždé jiný počet siločar, což vysvětluje Faradayův zákon. Zákon navíc zohledňuje rychlost otáčení, tedy jak frekvenci, tak periodu. Tyto charakteristiky, jak je uvedeno výše, popisují hlavní koncept článku – střídavý elektrický proud.
Jak již bylo uvedeno, elektřinu lze získat pomocí vodní, jaderné, větrné nebo solární energie. Transformaci provádějí zařízení zvaná generátory. Všechny pracují podle podobného algoritmu.
Hlavní součásti generátoru: stator je pevná část, rotor je pohyblivý. Můžete si zapamatovat toto: statická je nepřítomnost pohybu, proto se pevná část nazývá stator a pohyblivá část, respektive rotor.
Stator je uvnitř dutý válec. Je tam měděný drát. V něm díky střídavému magnetickému toku vytvářenému rotujícím rotorem vzniká střídavý elektrický proud.
Rotor je elektromagnet, kterým proudí konstantní elektřina. Otáčí se mechanickou silou, jako je voda nebo pára. Při otáčení se mění magnetické pole, takže se mění i magnetický tok ve statoru, výsledkem je střídavý elektrický proud.
Pokud se podíváte pozorně, pak kolem rotoru je obvod s velkým počtem otáček. V tomto případě se nazývá cívka.
Třífázové a jednofázové systémy
V každodenním životě se elektrické obvody obvykle používají pro jednofázový střídavý proud, ale může být i třífázový. Třífázový proud jsou tři nezávislá střídavá napětí, která jsou fázově posunuta o 120 stupňů.
Pokud jsou do bytu zavedeny 2 vodiče (fázový a nulový), pak je systém jednofázový a poskytuje provozní napětí 220 V. Pokud jsou 4 vodiče (tři fáze a nula), pak je systém třífázový s provozním napětí 380V.
Použití tří fází poskytuje následující výhody:
- Snížená spotřeba energie.
- Zátěž na mřížce je rozložena rovnoměrněji.
- Vylepšený výkon elektrické sítě.
- Možnost připojení průmyslových strojů.
Hlavní nevýhodou je vysoká cena. Použití třífázového systému je obvykle pozorováno v soukromých domech, jednofázový systém je vhodnější pro byt.
V každodenním životě lze v některých případech praktikovat získání střídavého jednofázového nebo třífázového proudu z stejnosměrného. K tomu použijte speciální zařízení – invertor. S ním lze konstantních 12 nebo 24 V přeměnit na 220 V střídavý proud s frekvencí 50 Hz.
