Постоянный ток

Постоянный ток

Постоянный ток (direct current) – это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Другими словами
величины характеризующие электрический ток, такие как напряжение или сила тока, постоянны как по значению, так и по направлению.

В источнике постоянного тока, например в обычной пальчиковой батарейке, электроны движутся от минуса к плюсу. Но исторически сложилось так, что за техническое направление тока считается направление от плюса к минусу.

Для постоянного тока применимы все основные законы электротехники, такие как закон Ома и законы Кирхгофа.

Преобразование переменного тока в постоянный

Из переменного тока, можно получить постоянный ток, для этого достаточно подключить сети переменного тока диодный мост или как его еще называют “выпрямитель” . Из названия “выпрямитель” как нельзя лучше понятно, что делает диодный мост, он выпрямляет синусоиду переменного тока в прямую линию тем самым заставляя двигаться электроны в одном направлении.

что такое диод и как работает диодный мост , ты можешь узнать в моих следующих статьях.

Постоянный ток: идет ли революция?

Томас Эдисон считается одним из величайших изобретателей в истории. Являясь создателем таких изобретений, как фонограф и электрическая лампочка, он имеет 1093 патента на свое имя. Эдисон запустил свою первую электростанцию в 1882 году, которая среди прочего обеспечивала электроэнергией Уолл-стрит в Нью-Йорке. Электростанция использовала постоянный ток.

Одновременно сотрудник Эдисона Никола Тесла успешно развивал динамо-машину. Но у хорватского ученого была другая идея. Вместо постоянного тока Тесла сосредоточился на развитии переменного тока. После спора с Эдисоном, Тесла продолжил свою работу с соперником Эдисона Джорджем Вестнингхаусом. Переменный ток показывал очевидные преимущества. Для передачи на большие расстояния напряжение может быть легко отрегулировано с помощью трансформаторов. Используемый кабель также может быть тоньше и, следовательно, дешевле. Вместо признания этих преимуществ и поддержки переменного тока, Эдисон настаивал на своем и пытался дискредитировать своих конкурентов. Эдисон утверждал, что недавно изобретенное электрическое кресло было оснащено технологией его соперников. Его послание было простым: переменный ток обречен. Хотя его кампания была успешной, победа Эдисона длилась недолго. Чикагская всемирная ярмарка 1893 года была оснащена оборудованием, использующим переменный ток, предвещая покорение электрической революции 20-го века. Позже Томас Эдисон признался сыну: «Я думаю, что в тот момент, когда я отказался поддерживать переменный ток, был самой большой ошибкой в ​​моей жизни».

Постоянный ток: возрождение старой технологии

Solar Smart Grid на Гаити

Сегодня, спустя 86 лет после смерти Эдисона, есть признаки того, что великий изобретатель не так уж и ошибался относительно постоянного тока, как когда-то считали люди. Идеи Эдисона становятся снова актуальными, так как ряд последних событий делает постоянный ток более привлекательным.

Раньше электричество производилось переменным током в генераторах крупных угольных или атомных электростанций, а также в гидротурбинах. Они распределяют энергию через сеть переменного тока. Трансформаторы позволяют увеличить напряжение до нескольких сотен тысяч вольт, удерживая ток в кабелях. Но сейчас ряд поставщиков электроэнергии становятся на путь использования постоянного тока. К ним относятся, например, солнечные электростанции, которые обычно поддерживаются батареями или электрохимическими системами хранения. Преобразование постоянного тока в переменный неизбежно связано с потерями, что делает сеть постоянного тока лучшим выбором для этих поставщиков.

Централизованное и децентрализованное энергоснабжение

Крупные электростанции уже давно доминируют в сегменте поставщиков электроэнергии, распределяя свою энергию в централизованно в окружающие районы. Но рост использования возобновляемых источников энергии приводит к тому, что сеть становится более децентрализованной и более локальной, причем электричество часто потребляется там, где оно генерируется.

Преимущества переменного тока здесь бесполезны. Но даже на больших расстояниях переменный ток не идеален. Потери при передаче электроэнергии на расстоянии значительно увеличились. Именно поэтому Китай строит сложные электросети на основе высоковольтных линий передачи постоянного тока (также известных как HVDC), которые способны передать большое количество энергии от гидроэлектростанций в глубине страны к шумным городам на побережье. В Германии правительство также планирует построить две подобные линии для передачи избыточной энергии ветра с побережья на юг. Линии передачи HVDC в два раза дороже, чем обычные системы. Однако из-за меньших потерь энергии эти расходы окупают себя с расстояния около 400 километров или всего 60 километров в случае плавучих ветропарков.

Линии HVDC в настоящее время являются чрезвычайно надежными. Высокопроизводительная электроника позволила достичь прогресса в преобразовании энергии, что позволяет конвертировать прямые токи до 800 000 вольт без трансформатора.

Электричество в жилых домах и на фабриках распределяется либо по низковольтным электросетям, либо через штепсельные разъемы, либо через трехфазные токовые соединения. Все большее количество электроприборов требует постоянного тока. Компьютеры, светодиодные лампы и другие электронные устройства работают на постоянном токе и ранее требовали трансформатора для преобразования. В ближайшие годы к этому списку добавятся еще и электромобили. В промышленном оборудовании все чаще используются преобразователи частот со звеном постоянного тока для регулирования скорости. Сети постоянного тока с преобразованием центрального напряжения сделают все эти трансформаторы ненужными. На данный момент в автомобильной промышленности уже есть пилотные проекты, в которых комплексное производственное оборудование функционирует исключительно с постоянным током. У них также есть батареи для кратковременного хранения энергии.

Увеличение потерь энергии при использовании постоянного тока

Наиболее убедительным аргументом в пользу этого изменения является эффективность. Когда угольные и атомные электростанции подают напряжение в сеть с переменным током, который затем потребляется непосредственно лампочками и пылесосами, его эффективность составляет около 65 процентов. Другими словами, около трети электрической энергии теряется, например, за счет потерь тепла.

Сегодня ситуация заметно усугубилась. В результате использования фотогальванических систем и электростанций, наряду с увеличением использования батарей, все больше и больше электроэнергии подается в сеть, которая сначала должна быть преобразована из постоянного тока в переменный, что приводит к ее потерям. Потребители также страдают. Нагревающиеся адаптеры являются свидетельством потерь энергии. Это означает, что эффективность нашей энергосети составляет всего лишь 56 процентов. Следовательно, необходимо фундаментальное переосмысление этих процессов.

Альтернативой является использование технологий постоянного тока (DC), таких как высоковольтные линии передачи постоянного тока (HVDC) для подачи электроэнергии на большие расстояния, вместе с низковольтными сетями постоянного тока в домашних хозяйствах и промышленности. Они могут быть напрямую подключены к электронным устройствам или промышленным приводам без необходимости использования адаптера или трансформатора. При использовании фотогальванической системы на крыше жилого дома и электромобиля в гараже эффективность будет непревзойденной. Электрическая сеть, систематически настроенная на постоянный ток, обеспечит общую эффективность в 90%. Если эффективность будет всего на 10% выше, тогда две крупнейшие угольные электростанции в Германии могут быть отключены. Это позволит сэкономить 63 миллиона тонн CO2, или 12% от общего объема выбросов электростанций в Германии. Для оксидов азота этот показатель еще выше — 29%.

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

• Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
• В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».

Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.

Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.

Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!

Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.

Диполь антенна Герца

Происхождение

Разница между AC и DC заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, например, батареек и аккумуляторов.

Также его можно получить с помощью динамомашины – это устаревшее название генератора постоянного тока. Кстати с их помощью генерировалась энергия для первых электросетей. Мы об этом говорили в статье об открытиях Николы Тесла, в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позже так называли небольшие генераторы для питания велосипедных фар.

Переменный ток добывают также с помощью генераторов, в наше время в основном трёхфазных.

Также и то и другое напряжение можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей и выпрямителей. Так вы можете выпрямить переменный ток или получить его же, преобразовав постоянный.

Откуда вообще появилось понятие переменный ток? к содержанию

Да с тех самых пор, когда человечество, узнав, что перемещение магнита вблизи проводника вызывает электрический ток в проводнике. Именно движение магнита вызывает ток, если магнит положить рядом с проводом и не двигать – никакого тока в проводнике это не вызовет. Далее, мы хотим получить (генерировать) в проводнике ток, чтобы использовать его в дальнейшем для каких-либо целей. Для этого изготовим катушку из медного провода и начнём возле неё двигать магнит. Магнит можно передвигать возле катушки как угодно – двигать по прямой туда-сюда, но, чтобы не двигать магнит руками, создать такой механизм технически сложнее, чем просто начать его вращать около катушки, аналогично вращению бутылки с водой из предыдущего примера. Вот именно таким образом — по техническим причинам — мы и получили синусоидальный переменный ток, используемый ныне повсеместно. Синусоида – это развёрнутое во времени описание вращения.

В дальнейшем оказалось, что законы протекания переменного тока в цепи отличаются от протекания постоянного тока. Например, для протекания постоянного тока сопротивление катушки равно просто омическому сопротивлению проводов. А для переменного тока – сопротивление катушки из проводов значительно увеличивается из-за появления, так называемого индуктивного сопротивления. Постоянный ток через заряженный конденсатор не проходит, для него конденсатор – разрыв цепи. А переменный ток способен свободно протекать через конденсатор с некоторым сопротивлением. Далее выяснилось, что переменный ток может быть преобразован с помощью трансформаторов в переменный ток с другими напряжением или силой тока. Постоянный ток такой трансформации не поддаётся и, если мы включим любой трансформатор в сеть постоянного тока (что делать категорически нельзя), то он неизбежно сгорит, так как постоянному току будет сопротивляться только омическое сопротивление провода, которое делается как можно меньше, и через первичную обмотку потечёт большой ток в режиме короткого замыкания.

Заметим также, что электродвигатели могут быть созданы для работы и от постоянного тока, и от переменного тока. Но разница между ними такая – электродвигатели постоянного тока сложнее в изготовлении, но зато позволяют плавно изменять скорость вращения обычным регулирующим силу тока реостатом. А электродвигатели переменного тока гораздо проще и дешевле в изготовлении, но вращаются только с одной, обусловленной конструкцией скоростью. Поэтому в практике широко применяются и те, и другие. В зависимости от назначения. Для целей управления и регулирования применяются двигатели постоянного тока, а в качестве силовых установок – двигатели переменного тока.

Далее конструкторская мысль изобретателя генератора двигалась примерно в таком направлении – если удобнее всего для генерации тока использовать вращение магнита рядом с катушкой, то почему бы вместо одной катушки генератора не расположить вокруг вращающегося магнита несколько катушек (места-то вокруг вон сколько)?

Получится сразу же, как бы несколько генераторов, работающих от одного вращающегося магнита. Причём переменный ток в катушках будет отличаться по фазе – максимум тока в последующих катушках будет несколько запаздывать относительно предыдущих. То есть синусоиды тока, если их графически изобразить, будут, как бы между собой, сдвинуты. Это важное свойство – сдвиг фаз, о котором мы расскажем ниже.

(Число катушек (фаз) вообще-то может быть любым, но для получения всех тех преимуществ, что даёт многофазная система генерации тока, минимально достаточно трёх).

Далее русский учёный электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский развил изобретение Н. Тесла, впервые предложив трёх — и четырёхпроводную систему передачи трёхфазного переменного тока. Он предложил соединить один конец всех трёх обмоток генератора в одну точку и передавать электроэнергию всего по четырём проводам. (Экономия на дорогих цветных металлах существенная). Оказалось, что при симметричной нагрузке каждой фазы (равным сопротивлением) ток в этом общем проводе равняется нулю. Потому что при суммировании (алгебраическом, с учётом знаков) сдвинутых по фазе на 120 градусов токов они взаимно уничтожаются. Этот общий провод так и назвали – нулевой. Поскольку ток в нём возникает только при неравномерности нагрузок фаз и численно он небольшой, гораздо меньше фазных токов, то представилась возможность использовать в качестве «нулевого» провод меньшего сечения, чем для фазных проводов.

По этой же самой причине (сдвиг фаз на 120 градусов) трехфазные трансформаторы получились значительно менее материалоёмкими, так как в магнитопроводе трансформатора происходит взаимопоглощение магнитных потоков и его можно делать с меньшим сечением.

Сегодня трёхфазная система электроснабжения осуществляется четырьмя проводами, три из них называются фазными и обозначаются латинскими буквами: на генераторе — А, В и С, у потребителя — L1, L2 и L3. Нулевой провод так и обозначается – 0.

Напряжение между нулевым проводом и любым из фазных проводов называется – фазным и составляет в сетях потребителей – 220 вольт.

Между фазными проводами тоже существует напряжение, причём значительно выше, чем фазное напряжение. Это напряжение называется линейным и составляет в цепях потребителей 380 вольт. Почему же оно больше фазного? Да всё это из-за сдвига фаз на 120 градусов. Поэтому, если на одном проводе, к примеру, в данный момент времени потенциал равен плюс 200 вольт, то на другом фазном проводе в этот же момент времени потенциал будет минус 180 вольт. Напряжение – это разность потенциалов, то есть оно будет + 200 – (-180)=+380 В.

Возникает вопрос, если по нулевому проводу ток не протекает, то нельзя ли его вообще убрать. Можно. И мы получим трёхпроводную систему электроснабжения. С соединением потребителей так называемым «треугольником» — между фазными проводами. Однако нужно заметить, что при неравномерной нагрузке в сторонах «треугольника» на генератор будут действовать разрушающие его нагрузки, поэтому данную систему можно применять при огромном количестве потребителей, когда неравномерности нагрузок нивелируются. Передача электроэнергии от больших электростанций при высоких фазных и линейных напряжениях (сотни тысяч вольт) так и осуществляются. Почему же применяется такое высокое напряжение. Ответ простой – чтобы уменьшить потери в проводах на нагрев. Так как нагрев проводов (потери энергии) пропорционален квадрату протекающего тока, то желательно чтобы протекающий ток был минимален. Ну а для передачи необходимой мощности при минимальном токе нужно повышать напряжение. Линии электропередач (ЛЭП) так и обозначаются, к примеру, ЛЭП – 500 – это линия электропередачи под напряжением 500 киловольт.

Кстати потери в проводах ЛЭП можно ещё более снизить, применяя передачу постоянного тока высокого напряжения (перестаёт действовать емкостная составляющая потерь, действующая между проводами), проводились даже такие эксперименты, но широкого распространения пока такая система не получила, видимо вследствие большей экономии в проводах при трёхфазной системе генерации.

Какой электрод использовать?

Так как вид используемого тока влияет на полярность на электроде, надо учитывать используемый электрод.

Для сварки методом TIG чаще применяют постоянный ток прямой полярности. Иногда также используют ток обратной полярности или переменный ток. В этих случаях применяют вольфрамовые электроды с легирующими добавками для улучшения стабильности дуги.

• WP — вольфрамовые электроды для сварки на переменном токе;
• WL-20 и WL-15 — легированные вольфрамовые электроды для сварки на постоянном и переменном токах.

Для ММА сварки в основном использую покрытые плавящиеся электроды.

В настоящее время производители выпускают электроды с четырьмя видами обмазки:

• Кислое (маркировка “А”). В его составе железо и марганец в довольно большом объеме. Можно сваривать неочищенный металл.
• Основное (маркировка “Б”). Эти электроды можно использовать для работы на переменном токе, но из-за малого потенциала ионизации не рекомендуется этого делать.
• Рутиловое (маркировка “Р”). Лучше всего подходит для работы на переменном токе. Небольшое разбрызгивание металла и хорошее качество шва.
• Целлюлозное (маркировка “Ц/С”). Подходит для работы на переменном и постоянном токе, но выдает много брызг металла.

Существует несколько различных видов электродов для сварки переменным током, но многие из них могут использоваться как для сварки переменным током, так и для сварки постоянным током.

Выбор правильной полярности и тока, а также правильного электрода может иметь решающее значение для выполнения хорошего сварного шва.