Teorie obvodů střídavého proudu: co je střídavé napětí a jak se generuje

Úvod

Elektrický obvod je úplná vodivá cesta, kterou protékají elektrony ze zdroje do zátěže a zpět do zdroje. Směr a velikost toku elektronů však závisí na druhu zdroje. V elektrotechnice existují v zásadě dva typy zdroje napětí nebo proudu (elektrická energie), které definují druh obvodu a jsou to; Střídavý proud (nebo napětí) a stejnosměrný proud.

U příštích několika příspěvků se zaměříme na střídavý proud a budeme procházet tématy od střídavého proudu po střídavé vlny atd.

AC obvody

Jak naznačuje název (střídavý proud), střídavé obvody jsou jednoduše obvody napájené střídavým zdrojem, ať už napětím nebo proudem. Střídavý proud nebo napětí, je ten, ve kterém je hodnota buď napětí nebo proud se o určité střední hodnoty a obrací směr periodicky.

Většina současných domácích a průmyslových spotřebičů a systémů je napájena střídavým proudem. Všechna zapojená zařízení na bázi stejnosměrného proudu a zařízení na bázi dobíjecích baterií technicky fungují na střídavý proud, protože všechna používají nějakou formu stejnosměrného proudu odvozeného od střídavého proudu buď k nabíjení svých baterií, nebo k napájení systému. Střídavý proud je tedy forma, kterou se dodává energie ze sítě.

Střídavý obvod vznikl v 80. letech, kdy se Tesla rozhodla vyřešit dlouhodobou neschopnost stejnosměrných generátorů Thomase Edisona. Hledal způsob přenosu elektřiny při vysokém napětí a poté použil transformátory k jejímu zvýšení nebo snížení podle potřeby pro distribuci, a byl tak schopen minimalizovat ztráty energie na velkou vzdálenost, což byl hlavní problém Direct Aktuální v té době.

Střídavý proud VS Stejnosměrný proud (AC vs DC)

AC a DC se liší několika způsoby od generace po přenos a distribuci, ale pro zjednodušení si ponecháme srovnání s jejich charakteristikami pro tento příspěvek.

Hlavní rozdíl mezi střídavým a stejnosměrným proudem, který je také příčinou jejich odlišných charakteristik, je směr toku elektrické energie. Ve stejnosměrném proudu elektrony plynule proudí v jednom směru nebo dopředu, zatímco ve střídavém proudu elektrony střídají svůj směr toku v pravidelných intervalech. To také vede ke střídání úrovně napětí při přepínání z kladného na záporný v souladu s proudem.

Níže je srovnávací tabulka, která zdůrazňuje některé rozdíly mezi AC a DC. Další rozdíly budou zvýrazněny, když se budeme více věnovat zkoumání obvodů střídavého proudu.

Srovnávací základ	AC	DC
Kapacita přenosu energie	Cestuje na dlouhé vzdálenosti s minimální ztrátou energie	Při přenosu na velké vzdálenosti se ztrácí velké množství energie
Základy generace	Otáčení magnetu podél drátu.	Stabilní magnetismus podél drátu
Frekvence	Obvykle 50 Hz nebo 60 Hz v závislosti na zemi	Frekvence je nula
Směr	Pravidelně obrací směr, když protéká okruhem	Stabilní konstantní tok v jednom směru.
Proud	Jeho velikost se časem mění	Konstantní velikost
Zdroj	Všechny formy AC generátorů a sítí	Články, baterie, převod z AC
Pasivní parametry	Impedance (RC, RLC atd.)	Pouze odpor
Faktor síly	Leží mezi 0 a 1	Vždy 1
Křivka	Sinusový, lichoběžníkový, trojúhelníkový a čtvercový	Rovná čára, někdy pulzující.

Základní střídavý zdroj (střídavý generátor s jednou cívkou)

Princip kolem AC generace je jednoduchý. Pokud se magnetické pole nebo magnet otáčí podél stacionární sady cívek (vodičů) nebo rotace cívky kolem stacionárního magnetického pole, generuje se střídavý proud pomocí generátoru střídavého proudu (alternátor).

Nejjednodušší forma generátoru střídavého proudu se skládá ze smyčky drátu, která se mechanicky otáčí kolem osy, zatímco je umístěna mezi severním a jižním pólem magnetu.

Zvažte obrázek níže.

Jak se cívka kotvy otáčí v magnetickém poli vytvářeném magnety severního a jižního pólu, magnetický tok skrz cívku se mění a náboje jsou tak protlačovány drátem, což vede k efektivnímu napětí nebo indukovanému napětí. Magnetický tok smyčkou je výsledkem úhlu smyčky vzhledem ke směru magnetického pole. Zvažte obrázky níže;

Z obrázků zobrazených výše můžeme odvodit, že určitý počet čar magnetického pole bude oříznut, jak se kotva otáčí, množství „oříznutí čar“ určuje napěťový výstup. S každou změnou úhlu otáčení a výsledným kruhovým pohybem kotvy proti magnetickým čarám se také mění množství „řezaných magnetických čar“, a proto se mění i výstupní napětí. Například čáry magnetického pole řezané při nulovém stupni jsou nulové, což činí výsledné napětí nulové, ale při 90 stupních jsou řezány téměř všechny čáry magnetického pole, takže v jednom směru je generováno maximální napětí v jednom směru. Totéž platí pro 270 stupňů, pouze je generováno v opačném směru. Při rotaci kotvy v magnetickém poli tedy dochází k výsledné změně napětí, což vede ke vzniku sinusového průběhu. Výsledné indukované napětí je tedy sinusové, s úhlovou frekvencí ω měřenou v radiánech za sekundu.

Indukovaný proud v nastavení výše je dán rovnicí:

I = V / R

Kde V = NABwsin (hm)

Kde N = rychlost

A = plocha

B = magnetické pole

w = úhlová frekvence.

Skutečné generátory střídavého proudu jsou samozřejmě složitější, ale fungují na stejných principech a zákonech elektromagnetické indukce, jaké jsou popsány výše. Střídavý proud se také generuje pomocí určitého druhu měničů a obvodů oscilátoru, které se nacházejí v měničích.

Transformátory

Principy indukce, na nichž je založen střídavý proud, se neomezují pouze na jeho výrobu, ale také na jeho přenos a distribuci. Vzhledem k tomu, že v době, kdy došlo k započtení střídavého proudu, jedním z hlavních problémů byla skutečnost, že stejnosměrný proud nemohl být přenášen na velkou vzdálenost, a proto jedním z hlavních problémů, které bylo třeba vyřešit, aby bylo životaschopné, byla schopnost bezpečně dodávat vysoké napětí (KV) generované spotřebitelům, kteří používají napětí v rozsahu V, nikoli KV. To je jeden z důvodů, proč je transformátor popisován jako jeden z hlavních činitelů střídavého proudu a je důležité o něm mluvit.

V transformátorech jsou dvě cívky zapojeny takovým způsobem, že když je aplikován střídavý proud v jedné, indukuje napětí v druhé. Transformátory jsou zařízení, která se používají buď ke snížení nebo zvýšení napětí přivedeného na jednom konci (primární cívka) k vytvoření nižšího nebo vyššího napětí na druhém konci (sekundární cívka) transformátoru. Indukované napětí v sekundární cívce se vždy rovná napětí aplikovanému na primární cívce vynásobené poměrem počtu závitů na sekundární cívce k primární cívce.

Transformátor, který je transformátorem sestupným nebo zesíleným, je tedy závislý na poměru počtu závitů na sekundární cívce k počtu závitů vodiče na primární cívce. Pokud je na primární cívce více závitů ve srovnání se sekundární, transformátor snižuje napětí, ale pokud má primární cívka menší počet závitů ve srovnání se sekundární cívkou, transformátor zvyšuje napětí aplikované na primární.

Díky transformátorům je distribuce elektrické energie na velký dosah velmi možná, nákladově efektivní a praktická. Aby se snížily ztráty během přenosu, přenáší se elektrická energie z výrobních stanic při vysokém napětí a nízkém proudu a poté se pomocí transformátorů distribuuje do domácností a kanceláří při nízkém napětí a vysokých proudech.

Zastavíme se zde, abychom nepřetěžovali článek příliš mnoha informacemi. Ve druhé části tohoto článku budeme diskutovat o křivkách střídavého proudu a dostaneme se do některých rovnic a výpočtů. Zůstaňte naladěni.