Змінного та постійного струму
У цій статті розглядаються деякі основні концепції та хибні уявлення про електричні схеми змінного та постійного струму. Тут не задіяні формули, а лише пояснення деяких поширених питань, таких як:
Що таке змінного та постійного струму? Які їх відмінності і яке значення це має?
Якщо змінний струм дотримується схеми «синусоїди», як ми вимірюємо напругу, коли вона завжди рухається вгору і вниз?
Що таке "пікова потужність" на відміну від "середньоквадратичної потужності"?
Яким чином струм протікає в ланцюзі, особливо в змінному струмі?
Що таке трифазна електрика?
Що означає «3 фази, 50 Гц, 380 вольт»?
Як вступ до розгляду цих понять, уявіть подумки наступні експерименти (насправді ви можете їх робити, якщо хочете - це не складно).
Якби вам слід було виміряти напругу від акумулятора ліхтарика і побудувати цю напругу щосекунди на графіку, я вірю, що ви отримаєте результат, подібний до цього:
Тепер, якщо ви повинні переключити позитивний відвід на мінусовий кінець батареї, а негативний - на позитивний кінець акумулятора, тобто перемкнути його все навколо, то ви повинні отримати такий результат:
Тепер, якщо вам потрібно було швидко перемикати провід вперед і назад, у вас вийде щось подібне:
Тобто напруга постійно стає позитивною, потім негативною, потім позитивною і знову негативною. Іншими словами, воно чергується від позитивного до негативного. Отже, цю чергуючу природу прийнято називати Змінний струм або скорочена форма - просто AC. Слово струм тут вживається загально, тобто, хоча ми і використовуємо “струм”, воно також стосується напруги та потужності.
Зворотне значення змінного струму становить Постійний струм. Постійний струм відноситься до випадків, коли напруга не змінюється між позитивною та негативною, а залишається позитивною чи негативною, як показано на перших двох графіках. Зверніть увагу, що постійний струм може бути позитивним або негативним.
Швидка заміна акумулятора - не дуже практичний спосіб виробництва змінного струму. Найпоширеніший спосіб - використання генератора змінного струму (який іноді називають генератором, хоча, строго кажучи, генератор виробляє постійний струм, тоді як генератор змінного струму виробляє змінний струм).
Іншими пристроями, які також виробляють сигнал змінного струму, є: радіопередавачі, інвертори та підсилювачі звуку (наприклад, підсилювач HiFi).
Давайте розглянемо напругу, яку виробляє генератор змінного струму:
Частота ланцюга змінного струму
Частота ланцюга змінного струму - це просто кількість повних циклів хвилі за одну секунду. Раніше це вимірювання частоти називали "циклами в секунду" або cps, але в наші дні називають Герц (Гц) після імені німецького вченого, задіяного в ланцюгах змінного струму.
Один герц = один цикл в секунду
1000 Герц (1 кГц) = Тисяча циклів в секунду
1000000 Герц (1 МГц) = Мільйон циклів в секунду
Давайте розглянемо кілька прикладів цього:
Приклад 1: 220 вольт 50 Гц означає, що напруга перетворюється на позитивну, а потім на негативну (один цикл) 50 разів на секунду.
Приклад 2: 110 Вольт 60 Гц означає, що напруга має 60 повних циклів в секунду.
Приклад 3: Коли радіо BBC передає на частоті 15,420 МГц, це означає, що передавач виробляє повні цикли змінного струму 15 420 000 разів щосекунди.
Приклад 4: Супутникові телевізійні трансляції BBC в Європі використовують частоту 10,995 ГГц (Гіга Герц). Це 10 955 000 000 циклів в секунду!
ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ, ЯКІ МОЖЛИ ВИБУТИ
1. У більшості обставин не заважає користуватися приладом на частоті 50 Гц або 60 Гц. Тобто, якщо тостер розрахований на 110 вольт 60 Гц, ви можете використовувати його на 110 вольт 50 Гц без видимої різниці.
2. Двигуни змінного струму є винятком із вищезазначеного. Швидкість двигуна змінного струму залежить від частоти живлення (двигун змінного струму, який має щітки, наприклад, переносну дриль, не регулюється частотою - цей клас двигунів відомий як універсальний двигун, а не двигун змінного струму). Двигун змінного струму обертається швидше на 60 Гц, ніж на 50 Гц. Зазвичай це не турбує двигун, але це може вплинути на роботу обладнання, до якого він підключений. Це також може вплинути на ефективність охолодження внутрішнього вентилятора двигуна.
Приклад 1: Друкарський верстат, розроблений на 60 Гц, буде чудово працювати на 50 Гц, але працюватиме на 20% повільніше. Також для охолодження двигуна може знадобитися додатковий вентилятор.
Приклад 2: Фотокопіювальний апарат 60 Гц, який використовує двигун змінного струму для транспортування паперу через нього, може взагалі не працювати на джерелі живлення 50 Гц. Це пов’язано з тим, що він транспортує папір із зниженою швидкістю, що дозволяє копіювальному апарату думати, що він заклинив папір, тому він зупиняється і вказує на “застрягання паперу”. Єдиний засіб - використовувати його на джерелі живлення 60 Гц (як генератор).
3. Трансформатори без проблем можна використовувати на частоті 50 Гц або 60 Гц. Часто трансформатор 220 вольт/110 вольт використовується для того, щоб пристрій напругою 60 Гц 60 Гц можна було використовувати на джерелі живлення 50 Гц 220 вольт.
Напруга в ланцюзі змінного струму
Хоча тут ми говоримо про напругу, ті ж принципи стосуються і струму та потужності в ланцюзі змінного струму.
Раніше ми бачили, що в ланцюзі постійного струму (акумуляторі) напруга була постійною 1,5 Вольт - досить просто виміряти. Однак у ланцюзі змінного струму напруга йде від нуля вольт, досягаючи позитивного піку, падаючи назад до нуля, досягаючи негативного піку і повертаючись до нуля знову, багато разів в секунду. Тож в який момент ми це вимірюємо?
Якби ми вимірювали лише пікову напругу, це мало б ввести в оману, оскільки напруга знаходиться лише на цьому піковому рівні для частки циклу. Тому нам потрібно вимірювати його в точці, яка є середньою за весь цикл.
На практиці саме середньоквадратичне значення лічильники калібруються для зчитування.
Отже, коли ви вимірюєте 220 Вольт на вашому лічильнику, пік напруги насправді становить 311 Вольт. Напруга від піку до піку становить 622 Вольт!
Наступна діаграма показує ці співвідношення для загальних напруг (значення округлені).
| 110 | 155 | 311 |
| 120 | 170 | 339 |
| 220 | 311 | 622 |
| 240 | 339 | 679 |