Чем отличается переменный ток от постоянного

Постоянный и переменный ток

Виды электрического тока

Следующим вопросом, в котором мы предлагаем разобраться – это: что такое переменный ток и постоянный ток. Ведь многие не совсем правильно понимают эти понятия.

Постоянный ток

Постоянным называется ток, который в течение времени не изменяет своей величине и направлению. Достаточно часто к постоянному еще относят пульсирующий ток, но давайте обо всем по порядку.

Постоянный ток

• Постоянный ток характеризуется тем, что одинаковое количество электрических зарядов постоянно сменяет друг друга в одном направлении. Направление — это от одного полюса, к другому.
• Получается, что проводник всегда имеет либо положительный, либо отрицательный заряд. И в течение времени это неизменно.

Виды пульсирующего тока

• Но под понятие, что такое постоянный ток достаточно часто относят и так называемый пульсирующий ток. От постоянного он отличается только тем, что его значение в течение времени изменяется, но при этом он не меняет своего знака.
• Допустим, мы имеем ток в 5А. Для постоянного тока эта величина будет неизменной в течении всего периода времени. Для пульсирующего тока, в один отрезок времени она будет 5, в другой 4, а в третий 4,5. Но при этом он ни в коем случае не снижается ниже нуля, и не меняет своего знака.

Вариант преобразованного из переменного, постоянного пульсирующего тока

• Такой пульсирующий ток очень распространен при преобразовании переменного тока в постоянный. Именно такой пульсирующий ток выдает ваш инвертор или диодный мост в электронике.
• Одним из главных преимуществ постоянного тока является то, что его можно накапливать. Сделать это можно своими руками, при помощи аккумуляторных батарей или конденсаторов.

Переменный ток

Чтобы понять, что такое переменный ток, нам необходимо представить себе синусоиду. Именно эта плоская кривая лучше всего характеризует изменение постоянного тока, и является стандартом.

Синусоида переменного тока	Как и синусоида, переменный ток с постоянной частотой меняет свою полярность. В один период времени он положительный, а в другой период времени он отрицательный.
На фото основные параметры синусоиды	Поэтому, непосредственно в проводнике передвижения, носителей заряда, как такового, нет. Дабы понять это, представьте себе волну, набегающую на берег. Она движется в одну сторону, а затем — в обратную. В итоге, вода вроде движется, но остается на месте.
Частота переменного тока	Исходя из этого, для переменного тока очень важным фактором становится его скорость изменения полярности. Этот фактор называют частотой. Чем выше эта частота, тем чаще за секунду меняется полярность переменного тока. В нашей стране для этого значения есть стандарт – он равен 50Гц. То есть, переменный ток меняет свое значение от крайнего положительного, до крайнего отрицательного 50 раз в секунду.
Формула частоты переменного тока	Но существует не только переменный ток частотой в 50Гц. Многое оборудование работает на переменном токе отличных частот. Ведь за счет изменения частоты переменного тока, можно изменять скорость вращения двигателей. Можно так же получать более высокие показатели обработки данных – как например в чипсетах ваших компьютеров, и многое другое.

Различия токов

Конечно же, главным различием переменного и постоянного тока является возможность переправки DC на большое расстояние. При этом, если таким же путем переправить постоянный ток, его просто не останется. По причине разности потенциалов он израсходуется. Так же стоит отметить то, что преобразовать в переменный очень сложно, в то время как в обратном порядке подобное действие вполне легко выполнимо.

Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.

Ну и последнее по очереди, но не по смыслу — все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.

Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного — это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.

Передача тока на большие расстояния

У некоторых людей возникает вопрос, на который выше был дан поверхностный ответ: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если не знать всех тонкостей электротехники, то можно согласиться с этим вопросом. Действительно, ведь если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380 В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Да и на их обслуживание тратиться не пришлось бы, разве не так? Оказывается, что нет.

Построение графика переменного тока

Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?

Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.

Особенности передачи

Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.

Дело в том, что частота переменного тока в электрических сетях общего пользования в России — 50 Гц (герц). Это означает амплитуду колебания заряда между положительным и отрицательным, равную 50 изменений в секунду. Говоря простым языком, каждую 1/50 с. заряд меняет свою полярность, в этом и заключается отличие постоянного тока — в нем колебания практически либо совершенно отсутствуют. Именно по этой причине DC расходуется сам по себе, протекая через длинный проводник. Кстати, частота колебаний, к примеру, в США отличается от российской и составляет 60 Гц.

График разности постоянного и переменного тока

Генерирование

Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.

Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому — габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.

Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.

Два великих изобретателя в свое время начали так называемую «войну токов», которая закончилась только лишь в 2007 году. А противниками в ней были Никола Тесла совместно с Джорджем Вестингаузом, ярые сторонники переменного напряжения, и Томас Эдисон, который стоял за применение повсеместно постоянного тока. Так вот, в 2007 году город Нью-Йорк полностью перешел на сторону Теслы, ознаменовав тем самым его победу. На этом стоит немного подробнее остановиться.

Преобразование переменного тока в постоянный

Мы уже разобрались с тем, что в розетках бытовых электрических систем находится переменный ток, однако многие современные потребители электричества нуждаются в постоянном. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью специальных выпрямителей. Весь процесс преобразования включает в себя три этапа:

1. Подключение диодного моста с 4-мя диодами необходимой мощности. Такой мост может «срезать» верхние значения синусоид переменного тока или делать движение заряженных частиц однонаправленным.
2. Подключение сглаживающего фильтра или специального конденсатора на выход с диодного моста. Фильтр способен исправить провалы между пиками синусоид переменного тока. Подключение конденсатора серьезно уменьшает пульсации и может довести их до минимальных значений.
3. Подключение стабилизаторов напряжения для снижения пульсаций.

Преобразование тока может осуществляться в обоих направлениях, то есть, из постоянного тоже можно сделать переменный. Но этот процесс значительно сложнее и осуществляется он за счет использования специальных инверторов, которые отличаются высокой стоимостью.

Откуда берется напряжение

Чтобы подать электричество в розетку, необходимо его как-то сгенерировать. Для  выработки электроэнергии до сих пор в большинстве применяются технологии конца 19 века – электромагнитная индукция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Проще говоря – генераторы. Различие генераторов  лишь в том, каким образом подают механическую энергию. Раньше это были громоздкие паровые машины. Со временем добавились гидротурбины для проточной воды (гидроэлектростанции) , двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы.

Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор — это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора

Принцип работы ТЭС

либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток

Принцип работы ГЭС

Ну или это может быть даже ветряк

Ветряная электростанция

Короче говоря, принцип везде один и тот же.

Кстати, ядерный реактор не способен самостоятельно выработать энергию. По сути, атомная энергоустановка является тем же самым примитивным паровым котлом, где рабочим телом является обыкновенный пар. Да, нынче существуют иные способы генерации электричества, на вроде тех же самых солнечных элементов, бетагальванических и изотопных ядерных батарей, «мифических»  токомаков.  Однако, вышеперечисленный «хайтэк» имеет существенные ограничения – запредельная стоимость материалов ,монтажа и наладки, габариты и малый кпд. Потому, всерьёз рассматривать всё это в качестве полноценной электростанции большой мощности не стоит (по крайней мере в ближайшие пару десятков лет).

Способы получения

Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.

Рис. 1. Рамкой и магнитами

Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.

При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.

По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.

Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.

Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:

• большие пусковые токи;
• отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
• меньшая степень контроля за системой.

Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.

Рис. 5. Схема инвертора

На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.

Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети – переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Чем обосновано разнообразие электротоков

У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.

В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:

• задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
• преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
• поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
• двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.

Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:

• чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
• питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
• постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.

Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.

{SOURCE}

Преимущества постоянного тока

1. Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
2. Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.

Сравнительная таблица

Сравнительный график переменного тока и постоянного тока

	Переменный ток	Постоянный ток
Количество энергии, которое можно нести	Безопасно переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность.	Напряжение постоянного тока не может перемещаться очень далеко, пока оно не начнет терять энергию.
Причина направления потока электронов	Вращающийся магнит вдоль провода.	Устойчивый магнетизм вдоль провода.
частота	Частота переменного тока составляет 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны.	Частота постоянного тока равна нулю.
направление	Он меняет свое направление, пока течет по кругу.	Он течет в одном направлении в цепи.
ток	Это величина, изменяющаяся во времени	Это ток постоянной величины.
Поток электронов	Электроны продолжают переключать направления – вперед и назад.	Электроны неуклонно движутся в одном направлении или «вперед».
Получен из	Генератор переменного тока и сеть.	Ячейка или батарея.
Пассивные параметры	Сопротивление.	Только сопротивление
Фактор силы	Лежит между 0 и 1.	это всегда 1.
Типы	Синусоидальный, Трапециевидный, Треугольный, Квадратный.	Чистый и пульсирующий.

Постоянный ток

Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.

От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».

Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.

При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.

В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.

Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.