Переменный ток

Электрический ток, который периодически меняет направление

Переменный ток (зеленая кривая). Горизонтальная ось измеряет время (она также представляет нулевое напряжение/ток); вертикальная — ток или напряжение.

Переменный ток ( AC ) — это электрический ток , который периодически меняет направление и непрерывно меняет свою величину со временем, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении. Переменный ток — это форма, в которой электроэнергия поставляется на предприятия и в жилые дома, и это форма электроэнергии , которую потребители обычно используют, когда они включают кухонные приборы , телевизоры , вентиляторы и электрические лампы в розетку . Сокращения AC и DC часто используются для обозначения просто переменного и постоянного , соответственно, когда они изменяют ток или напряжение . ^{[1] [2]}

Обычная форма волны переменного тока в большинстве электрических цепей — это синусоида , положительный полупериод которой соответствует положительному направлению тока и наоборот (полный период называется циклом ) . В некоторых приложениях, таких как гитарные усилители , используются различные формы волн, такие как треугольные волны или прямоугольные волны . Аудио- и радиосигналы , передаваемые по электрическим проводам, также являются примерами переменного тока. Эти типы переменного тока переносят информацию, такую ​​как звук (аудио) или изображения (видео), иногда переносимую путем модуляции несущего сигнала переменного тока. Эти токи обычно чередуются на более высоких частотах, чем те, которые используются при передаче электроэнергии.

Передача, распределение и бытовое электроснабжение

Схематическое изображение передачи электроэнергии на большие расстояния. Слева направо: G=генератор, U=повышающий трансформатор, V=напряжение в начале линии передачи, Pt=мощность, поступающая в линию передачи, I=ток в проводах, R=общее сопротивление в проводах, Pw=мощность, теряемая в линии передачи, Pe=мощность, достигающая конца линии передачи, D=понижающий трансформатор, C=потребители.

Электрическая энергия распространяется как переменный ток, поскольку напряжение переменного тока может быть увеличено или уменьшено с помощью трансформатора . Это позволяет эффективно передавать электроэнергию по линиям электропередач при высоком напряжении , что снижает потери энергии в виде тепла из-за сопротивления провода, и преобразовывать ее в более низкое, более безопасное для использования напряжение. Использование более высокого напряжения приводит к значительно более эффективной передаче электроэнергии. Потери мощности ( ) в проводе являются произведением квадрата тока ( I ) и сопротивления (R) провода, описываемого формулой: ${\displaystyle P_{\rm {w}}}$

${\displaystyle P_{\rm {w}}=I^{2}R\,.}$

Это означает, что при передаче фиксированной мощности по данному проводу, если ток уменьшить вдвое (т.е. напряжение увеличить вдвое), потери мощности из-за сопротивления провода сократятся на четверть.

Передаваемая мощность равна произведению тока на напряжение (при условии отсутствия разности фаз), то есть:

${\displaystyle P_{\rm {t}}=IV\,.}$

Следовательно, мощность, передаваемая при более высоком напряжении, требует меньшего тока, производящего потери, чем для той же мощности при более низком напряжении. Мощность часто передается на сотнях киловольт на опорах и преобразуется до десятков киловольт для передачи по линиям более низкого уровня и, наконец, преобразуется до 100 В – 240 В для бытового использования.

Трехфазные высоковольтные линии электропередачи используют переменный ток для распределения электроэнергии на большие расстояния между электростанциями и потребителями. Линии на снимке расположены в восточной части штата Юта .

Высокое напряжение имеет недостатки, такие как необходимость в увеличенной изоляции и, как правило, повышенная сложность в безопасном обращении с ним. На электростанции энергия вырабатывается при удобном напряжении для конструкции генератора , а затем повышается до высокого напряжения для передачи. Вблизи нагрузок напряжение передачи понижается до напряжений, используемых оборудованием. Потребительские напряжения несколько различаются в зависимости от страны и размера нагрузки, но, как правило, двигатели и освещение строятся для использования до нескольких сотен вольт между фазами. Напряжение, подаваемое на оборудование, такое как осветительные и двигательные нагрузки, стандартизировано с допустимым диапазоном напряжения, в котором, как ожидается, будет работать оборудование. Стандартные напряжения использования мощности и процентный допуск различаются в различных системах электропитания, существующих в мире.

Системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения (HVDC) стали более жизнеспособными, поскольку технологии предоставили эффективные средства изменения напряжения постоянного тока. Передача с постоянным током высокого напряжения была невозможна в ранние дни передачи электроэнергии , поскольку тогда не было экономически выгодного способа понизить напряжение постоянного тока для конечных пользовательских приложений, таких как освещение ламп накаливания.

Трехфазная генерация электроэнергии очень распространена. Самый простой способ — использовать три отдельные катушки в статоре генератора , физически смещенные на угол 120° (одна треть полной фазы 360°) друг относительно друга. Создаются три формы тока, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на 120° друг относительно друга. Если катушки добавляются напротив них (расстояние 60°), они генерируют те же фазы с обратной полярностью и поэтому могут быть просто соединены вместе. На практике обычно используются более высокие «порядки полюсов». Например, 12-полюсная машина будет иметь 36 катушек (расстояние 10°). Преимущество состоит в том, что для генерации той же частоты можно использовать более низкие скорости вращения. Например, 2-полюсная машина, работающая со скоростью 3600 об/мин, и 12-полюсная машина, работающая со скоростью 600 об/мин, производят одну и ту же частоту; более низкая скорость предпочтительна для более крупных машин. Если нагрузка в трехфазной системе равномерно сбалансирована между фазами, ток не протекает через нейтральную точку . Даже в худшем случае несбалансированной (линейной) нагрузки ток нейтрали не превысит наивысший из фазных токов. Нелинейные нагрузки (например, широко используемые импульсные источники питания) могут потребовать увеличенной нейтральной шины и нейтрального проводника в распределительной панели выше по потоку для обработки гармоник . Гармоники могут привести к тому, что уровни тока нейтрального проводника превысят уровни тока одного или всех фазных проводников.

Для трехфазных напряжений потребления часто используется четырехпроводная система. При понижении трехфазного тока часто используется трансформатор с первичной обмоткой типа «треугольник» (3 провода) и вторичной обмоткой типа «звезда» (4 провода, заземление в центре), поэтому нет необходимости в нейтрали на стороне питания. Для небольших потребителей (насколько малая обмотка зависит от страны и возраста установки) к объекту подводятся только одна фаза и нейтраль или две фазы и нейтраль. Для более крупных установок все три фазы и нейтраль подводятся к главному распределительному щиту. От трехфазного главного щита могут отходить как однофазные, так и трехфазные цепи. Трехпроводные однофазные системы с одним трансформатором с отводом в центре, дающим два токоведущих проводника, являются распространенной схемой распределения для жилых и небольших коммерческих зданий в Северной Америке. Такое расположение иногда неправильно называют «двухфазным». Похожий метод используется по другой причине на строительных площадках в Великобритании. Малогабаритные электроинструменты и освещение должны питаться от местного трансформатора с центральным выводом и напряжением 55 В между каждым силовым проводником и землей. Это значительно снижает риск поражения электрическим током в случае, если один из токоведущих проводников окажется оголенным из-за неисправности оборудования, при этом все еще допускается разумное напряжение 110 В между двумя проводниками для работы инструментов.

Третий провод , называемый проводом связи (или заземления), часто подключается между нетоковедущими металлическими корпусами и заземлением. Этот проводник обеспечивает защиту от поражения электрическим током из-за случайного контакта проводников цепи с металлическим шасси переносных приборов и инструментов. Связывание всех нетоковедущих металлических частей в одну полную систему гарантирует, что всегда будет путь с низким электрическим импедансом к земле, достаточный для переноса любого тока короткого замыкания в течение всего времени, необходимого системе для устранения неисправности. Этот путь с низким импедансом допускает максимальное количество тока короткого замыкания, заставляя устройство защиты от перегрузки по току (выключатели, предохранители) срабатывать или перегорать как можно быстрее, переводя электрическую систему в безопасное состояние. Все провода связи соединены с землей на главной панели обслуживания, как и нейтральный/идентифицированный проводник, если он присутствует.

Частоты переменного тока

Частота электрической системы различается в зависимости от страны, а иногда и внутри страны; большая часть электроэнергии вырабатывается на частоте 50 или 60  Гц . В некоторых странах используются смешанные источники питания с частотой 50 Гц и 60 Гц, в частности, передача электроэнергии в Японии .

Низкая частота

Низкая частота упрощает конструкцию электродвигателей, особенно для подъемных, дробильных и прокатных применений, а также коллекторных тяговых двигателей для таких применений, как железные дороги . Однако низкая частота также вызывает заметное мерцание в дуговых лампах и лампах накаливания . Использование более низких частот также обеспечивает преимущество в виде меньших потерь при передаче, которые пропорциональны частоте.

Оригинальные генераторы Niagara Falls были построены для производства мощности 25 Гц, как компромисс между низкой частотой для тяговых и тяжелых асинхронных двигателей, при этом все еще позволяя работать лампам накаливания (хотя и с заметным мерцанием). Большинство 25 Гц жилых и коммерческих потребителей электроэнергии Niagara Falls были переведены на 60 Гц к концу 1950-х годов, хотя некоторые ^{[ какие? ]} промышленные потребители 25 Гц все еще существовали к началу 21-го века. Мощность 16,7 Гц (ранее 16 2/3 Гц) все еще используется в некоторых европейских железнодорожных системах, таких как Австрия , Германия , Норвегия , Швеция и Швейцария .

Высокая частота

В оффшорной, военной, текстильной промышленности, на море, в авиации и космических аппаратах иногда используют 400 Гц, для получения преимуществ от снижения веса аппарата или более высоких скоростей двигателя. Компьютерные мэйнфреймовые системы часто питались от 400 Гц или 415 Гц для получения преимуществ от снижения пульсации при использовании меньших внутренних блоков преобразования переменного тока в постоянный ток. ^{[ необходима цитата ]}

Эффекты на высоких частотах

Постоянный ток течет равномерно по всему поперечному сечению однородного электропроводящего провода. Переменный ток любой частоты вытесняется из центра провода к его внешней поверхности. Это происходит потому, что переменный ток (который является результатом ускорения электрического заряда ) создает электромагнитные волны (явление, известное как электромагнитное излучение ). Электрические проводники не проводят электромагнитные волны ( идеальный электрический проводник запрещает все электромагнитные волны внутри своих границ), поэтому провод, который сделан из неидеального проводника (проводника с конечной, а не бесконечной электропроводностью) выталкивает переменный ток вместе с их связанными электромагнитными полями от центра провода. Явление выталкивания переменного тока от центра проводника называется скин-эффектом , и постоянный ток не демонстрирует этого эффекта, поскольку постоянный ток не создает электромагнитных волн.

На очень высоких частотах ток больше не течет в проводе, а эффективно течет по поверхности провода, в пределах толщины нескольких глубин скин-слоя . Глубина скин-слоя - это толщина, при которой плотность тока уменьшается на 63%. Даже на относительно низких частотах, используемых для передачи электроэнергии (50 Гц - 60 Гц), неравномерное распределение тока все еще происходит в достаточно толстых проводниках . Например, глубина скин-слоя медного проводника составляет приблизительно 8,57 мм при 60 Гц, поэтому проводники с высоким током обычно полые, чтобы уменьшить их массу и стоимость. Эта тенденция переменного тока течь преимущественно по периферии проводников уменьшает эффективное поперечное сечение проводника. Это увеличивает эффективное сопротивление переменного тока проводника, поскольку сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Сопротивление переменного тока проводника выше, чем его сопротивление постоянного тока, что приводит к более высоким потерям энергии из-за омического нагрева (также называемого потерей I ² R).

Методы снижения сопротивления переменному току

Для низких и средних частот проводники можно разделить на многожильные провода, каждый из которых изолирован от других, при этом относительное положение отдельных жил особым образом организовано внутри пучка проводников. Провод, изготовленный с использованием этой техники, называется литцендрат . Эта мера помогает частично смягчить скин-эффект, заставляя более равномерный ток проходить по всему поперечному сечению многожильных проводников. Литцендрат используется для изготовления высокодобротных индукторов , снижая потери в гибких проводниках, проводящих очень высокие токи на более низких частотах, и в обмотках устройств, проводящих более высокие радиочастотные токи (до сотен килогерц), таких как импульсные источники питания и радиочастотные трансформаторы .

Методы снижения потерь радиации

Как написано выше, переменный ток состоит из электрического заряда при периодическом ускорении , что вызывает излучение электромагнитных волн . Энергия, которая излучается, теряется. В зависимости от частоты, используются различные методы для минимизации потерь из-за излучения.

Витые пары

На частотах до 1 ГГц пары проводов скручиваются вместе в кабель, образуя витую пару . Это снижает потери от электромагнитного излучения и индуктивной связи . Витая пара должна использоваться с сбалансированной системой сигнализации, так что два провода переносят равные, но противоположные токи. Каждый провод в витой паре излучает сигнал, но он эффективно подавляется излучением другого провода, в результате чего потери излучения практически отсутствуют.

Коаксиальные кабели

Коаксиальные кабели обычно используются на звуковых частотах и ​​выше для удобства. Коаксиальный кабель имеет проводящий провод внутри проводящей трубки, разделенной слоем диэлектрика . Ток, текущий по поверхности внутреннего проводника, равен и противоположен току, текущему по внутренней поверхности внешней трубки. Таким образом, электромагнитное поле полностью содержится внутри трубки, и (в идеале) энергия не теряется на излучение или связь снаружи трубки. Коаксиальные кабели имеют приемлемо малые потери для частот до примерно 5 ГГц. Для микроволновых частот выше 5 ГГц потери (в основном из-за того, что диэлектрик, разделяющий внутреннюю и внешнюю трубки, является неидеальным изолятором) становятся слишком большими, что делает волноводы более эффективной средой для передачи энергии. Коаксиальные кабели часто используют перфорированный слой диэлектрика для разделения внутреннего и внешнего проводников, чтобы минимизировать мощность, рассеиваемую диэлектриком.

Волноводы

Волноводы похожи на коаксиальные кабели, поскольку оба состоят из трубок, с самым большим отличием в том, что волноводы не имеют внутреннего проводника. Волноводы могут иметь любое произвольное поперечное сечение, но наиболее распространены прямоугольные поперечные сечения. Поскольку волноводы не имеют внутреннего проводника для переноса обратного тока, волноводы не могут передавать энергию посредством электрического тока , а скорее посредством направленного электромагнитного поля . Хотя поверхностные токи текут по внутренним стенкам волноводов, эти поверхностные токи не переносят мощность. Мощность переносится направленными электромагнитными полями. Поверхностные токи создаются направленными электромагнитными полями и имеют эффект удержания полей внутри волновода и предотвращения утечки полей в пространство за пределами волновода. Волноводы имеют размеры, сопоставимые с длиной волны переменного тока, который должен быть передан, поэтому они осуществимы только на микроволновых частотах. В дополнение к этой механической возможности, электрическое сопротивление неидеальных металлов, образующих стенки волновода, вызывает рассеивание мощности (поверхностные токи, протекающие по проводникам с потерями , рассеивают мощность). На более высоких частотах мощность, теряемая на это рассеивание, становится неприемлемо большой.

Волоконная оптика

На частотах более 200 ГГц размеры волновода становятся непрактично малыми, а омические потери в стенках волновода большими. Вместо этого можно использовать волоконную оптику , которая является формой диэлектрических волноводов. Для таких частот понятия напряжений и токов больше не используются. ^{[ необходима цитата ]}

Математика переменного напряжения

Синусоидальное переменное напряжение.

1. Пик,
2. Амплитуда от пика до пика,
3. Эффективное значение,
4. Период

Переменные токи сопровождаются (или вызываются) переменными напряжениями. Переменное напряжение v можно математически описать как функцию времени следующим уравнением:

${\displaystyle v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)}$,

где

• ${\displaystyle V_{\text{peak}}}$пиковое напряжение (единица измерения: вольт ),
• ${\displaystyle \omega }$— угловая частота (единица: радианы в секунду ).
  Угловая частота связана с физической частотой (единица измерения: герц ), которая представляет собой число циклов в секунду, уравнением . ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \omega =2\pi f}$
• ${\displaystyle t}$время (единица измерения: секунда ).

Значение пика-пик напряжения переменного тока определяется как разница между его положительным пиком и отрицательным пиком. Поскольку максимальное значение равно +1, а минимальное значение равно −1, напряжение переменного тока колеблется между и . Напряжение пика-пик, обычно записываемое как или , составляет . ${\displaystyle \sin(x)}$ ${\displaystyle +V_{\text{peak}}}$ ${\displaystyle -V_{\text{peak}}}$ ${\displaystyle V_{\text{pp}}}$ ${\displaystyle V_{\text{P-P}}}$ ${\displaystyle V_{\text{peak}}-(-V_{\text{peak}})=2V_{\text{peak}}}$

Среднеквадратичное напряжение

Синусоидальная волна, в течение одного цикла (360°). Пунктирная линия представляет среднеквадратичное значение (RMS) (около 0,707). ${\displaystyle {\sqrt {0.5}}}$

Ниже предполагается форма волны переменного тока (без постоянной составляющей ).

Среднеквадратичное значение напряжения — это квадратный корень из среднего значения за один период квадрата мгновенного напряжения.

• Для произвольной периодической формы волны с периодом : ${\displaystyle v(t)}$ ${\displaystyle T}$

  ${\displaystyle V_{\text{rms}}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.}$

• Для синусоидального напряжения:
  ${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\text{rms}}&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{\text{peak}}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{\text{peak}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{\text{peak}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}}$
  где использовано тригонометрическое тождество , а коэффициент называется крест-фактором и различается для разных форм волн. ${\displaystyle \sin ^{2}(x)={\frac {1-\cos(2x)}{2}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$
• Для треугольной формы волны с центром около нуля

  ${\displaystyle V_{\text{rms}}={\frac {V_{\text{peak}}}{\sqrt {3}}}.}$

• Для прямоугольной формы сигнала с центром около нуля
  ${\displaystyle V_{\text{rms}}=V_{\text{peak}}.}$

Власть

Соотношение между напряжением и подаваемой мощностью следующее:

${\displaystyle p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}}$,

где представляет собой сопротивление нагрузки. ${\displaystyle R}$

Вместо использования мгновенной мощности , более практично использовать усредненную по времени мощность (где усреднение выполняется по любому целому числу циклов). Поэтому переменное напряжение часто выражается как среднеквадратичное ( RMS) значение, записанное как , потому что ${\displaystyle p(t)}$ ${\displaystyle V_{\text{rms}}}$

${\displaystyle P_{\text{average}}={\frac {{V_{\text{rms}}}^{2}}{R}}.}$

Мощность колебания

${\displaystyle {\begin{aligned}v(t)&=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)\\i(t)&={\frac {v(t)}{R}}={\frac {V_{\text{peak}}}{R}}\sin(\omega t)\\p(t)&=v(t)i(t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{2R}}\ (1-\cos(2\omega t))\end{aligned}}}$

По этой причине форма волны переменного тока становится двухполупериодной выпрямленной синусоидой, а ее основная частота в два раза превышает частоту напряжения.

Примеры переменного тока

Чтобы проиллюстрировать эти концепции, рассмотрим сеть переменного тока напряжением 230 В , используемую во многих странах мира. Она так называется, потому что ее среднеквадратичное значение составляет 230 В. Это означает, что усредненная по времени мощность, выдаваемая напряжением постоянного тока 230 В, эквивалентна мощности, выдаваемой напряжением постоянного тока 230 В. Чтобы определить пиковое напряжение (амплитуду), мы можем переписать приведенное выше уравнение следующим образом: ${\displaystyle P_{\text{average}}}$

${\displaystyle V_{\text{peak}}={\sqrt {2}}\ V_{\text{rms}}}$

${\displaystyle P_{\text{peak}}={\frac {(V_{\text{rms}})^{2}}{R}}{\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{(V_{\text{rms}})^{2}}}={\text{P}}_{\text{average}}{\sqrt {2}}^{2}={\text{2}}P_{\text{average}}.}$

Для 230 В переменного тока пиковое напряжение составляет , что составляет около 325 В, а пиковая мощность составляет , что составляет 460 RW. В течение одного цикла (два цикла как мощность) напряжение возрастает от нуля до 325 В, мощность от нуля до 460 RW, и оба падают через ноль. Затем напряжение снижается в обратном направлении, -325 В, но мощность снова возрастает до 460 RW, и оба возвращаются к нулю. ${\displaystyle V_{\text{peak}}}$ ${\displaystyle 230{\text{ V}}\times {\sqrt {2}}}$ ${\displaystyle P_{\text{peak}}}$ ${\displaystyle 230\times R\times W\times 2}$

Передача информации

Переменный ток используется для передачи информации , как в случае с телефоном и кабельным телевидением . Информационные сигналы передаются в широком диапазоне частот переменного тока. Телефонные сигналы POTS имеют частоту около 3 кГц, близкую к базовой звуковой частоте. Кабельное телевидение и другие передаваемые по кабелю информационные токи могут чередоваться на частотах от десятков до тысяч мегагерц. Эти частоты аналогичны частотам электромагнитных волн, часто используемым для передачи тех же типов информации по воздуху .

История

Первым генератором переменного тока, производившим переменный ток, был электрический генератор, основанный на принципах Майкла Фарадея, сконструированный французским производителем инструментов Ипполитом Пикси в 1832 году. ^[3] Позже Пикси добавил к своему устройству коммутатор , чтобы производить (тогда) более распространенный постоянный ток. Самое раннее зафиксированное практическое применение переменного тока принадлежит Гийому Дюшенну , изобретателю и разработчику электротерапии . В 1855 году он объявил, что переменный ток превосходит постоянный ток для электротерапевтического запуска мышечных сокращений. ^[4] Технология переменного тока была дополнительно разработана венгерской компанией Ganz Works (1870-е годы), а в 1880-е годы: Себастьяном Зиани де Ферранти , Люсьеном Голаром и Галилео Феррарисом .

В 1876 году русский инженер Павел Яблочков изобрел систему освещения, в которой наборы индукционных катушек были установлены вдоль высоковольтной линии переменного тока. Вместо изменения напряжения первичные обмотки передавали мощность на вторичные обмотки, которые были подключены к одной или нескольким «электрическим свечам» (дуговым лампам) его собственной конструкции, ^{[5] [6]} использовавшимся для того, чтобы отказ одной лампы не выводил из строя всю цепь. ^[5] В 1878 году фабрика Ганца , Будапешт, Венгрия, начала производство оборудования для электрического освещения и к 1883 году установила более пятидесяти систем в Австро-Венгрии . Их системы переменного тока использовали дуговые и лампы накаливания, генераторы и другое оборудование. ^[7]

Трансформеры

Системы переменного тока могут использовать трансформаторы для изменения напряжения с низкого на высокий уровень и обратно, что позволяет производить и потреблять при низком напряжении, но передавать, возможно, на большие расстояния, при высоком напряжении, с экономией на стоимости проводников и потерях энергии. Биполярный силовой трансформатор с открытым сердечником, разработанный Люсьеном Голардом и Джоном Диксоном Гиббсом, был продемонстрирован в Лондоне в 1881 году и привлек внимание Вестингауза . Они также продемонстрировали изобретение в Турине в 1884 году. Однако эти ранние индукционные катушки с открытыми магнитными цепями были неэффективны при передаче мощности к нагрузкам . Примерно до 1880 года парадигмой передачи мощности переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательная цепь. Трансформаторы с открытым сердечником с коэффициентом, близким к 1:1, были соединены с их первичными обмотками последовательно, чтобы использовать высокое напряжение для передачи, одновременно подавая низкое напряжение на лампы. Неотъемлемым недостатком этого метода было то, что выключение одной лампы (или другого электрического устройства) влияло на напряжение, подаваемое на все остальные в той же цепи. Было введено множество конструкций регулируемых трансформаторов, чтобы компенсировать эту проблемную характеристику последовательной цепи, включая те, которые использовали методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. ^[8] Системы постоянного тока не имели этих недостатков, что давало им значительные преимущества по сравнению с ранними системами переменного тока.

В Великобритании Себастьян де Ферранти , который разрабатывал генераторы и трансформаторы переменного тока в Лондоне с 1882 года, в 1886 году перепроектировал систему переменного тока на электростанции Grosvenor Gallery для London Electric Supply Corporation (LESCo), включив в нее генераторы собственного дизайна и конструкции трансформаторов с открытым сердечником с последовательными соединениями для потребляемых нагрузок — аналогично Голарду и Гиббсу. ^[9] В 1890 году он спроектировал их электростанцию ​​в Дептфорде ^[10] и преобразовал станцию ​​Grosvenor Gallery через Темзу в электрическую подстанцию , показав способ интеграции старых установок в универсальную систему питания переменного тока. ^[11]

Пионеры

Венгерская команда «ZBD» ( Карой Циперновски , Отто Блати , Микша Дери ), изобретатели первого высокоэффективного трансформатора с закрытым сердечником и шунтирующим соединением

Прототип трансформатора ZBD, представленный на Мемориальной выставке Иштвана Сечени в Надьценке , Венгрия

Осенью ^{[ неоднозначно ]} 1884 года Карой Циперновский , Отто Блати и Микша Дери (ZBD), три инженера, связанных с заводом Ганца в Будапеште, определили, что устройства с открытым сердечником непрактичны, поскольку они не способны надежно регулировать напряжение. ^[12] Блати предложил использовать закрытые сердечники, Циперновский предложил использовать параллельные шунтирующие соединения , а Дери провел эксперименты; ^[13] В своих совместных патентных заявках 1885 года на новые трансформаторы (позже названные трансформаторами ZBD) они описали две конструкции с замкнутыми магнитными цепями, в которых медные обмотки были либо намотаны вокруг кольцевого сердечника из железных проводов, либо окружены сердечником из железных проводов. ^[8] В обеих конструкциях магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотки, перемещался почти полностью внутри железного сердечника, без преднамеренного пути через воздух (см. тороидальные сердечники ). Новые трансформаторы были в 3,4 раза эффективнее, чем биполярные устройства с открытым сердечником Голара и Гиббса. ^[14] В 1884 году фабрика Ганца отгрузила первые в мире пять высокоэффективных трансформаторов переменного тока. ^[15] Этот первый блок был изготовлен со следующими характеристиками: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, отношение 1,67:1, однофазный, в форме оболочки. ^[15]

Патенты ZBD включали два других важных взаимосвязанных нововведения: одно касалось использования параллельно соединенных, а не последовательно соединенных, нагрузок потребления, другое касалось возможности иметь трансформаторы с высоким коэффициентом трансформации, так что напряжение питающей сети могло быть намного выше (первоначально от 1400 В до 2000 В), чем напряжение нагрузок потребления (первоначально предпочитали 100 В). ^{[16] [17]} При использовании в параллельно соединенных электрических распределительных системах трансформаторы с закрытым сердечником наконец сделали технически и экономически осуществимым обеспечение электроэнергией освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. ^{[18] [19]} Другим важным этапом стало введение систем «источника напряжения, интенсивного напряжения» (VSVI) ^[20] путем изобретения генераторов постоянного напряжения в 1885 году. ^[21] В начале 1885 года три инженера также устранили проблему потерь на вихревые токи , изобретя ламинирование электромагнитных сердечников. ^[22] Отто Блати также изобрел первый счетчик электроэнергии переменного тока . ^{[23] [24] [25] [26]}

Система переменного тока была разработана и быстро принята после 1886 года из-за ее способности эффективно распределять электроэнергию на большие расстояния, преодолевая ограничения системы постоянного тока . В 1886 году инженеры ZBD спроектировали первую в мире электростанцию , которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети, паровую электростанцию ​​Рим-Черки. ^[27] Надежность технологии переменного тока получила импульс после того, как завод Ганца электрифицировал крупный европейский мегаполис: Рим в 1886 году ^{. [27]}

Ранняя система переменного тока Вестингауза 1887 г.
(патент США 373035)

Опираясь на прогресс технологии переменного тока в Европе, ^[28] Джордж Вестингауз основал Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. ^[29] Новая фирма начала активно разрабатывать электрическую инфраструктуру переменного тока (AC) по всем Соединенным Штатам. Компания Edison Electric Light Company имела опцион на права США на трансформаторы Ganz ZBD, требуя от Вестингауза заниматься альтернативными проектами на тех же принципах. Джордж Вестингауз купил патенты Голарда и Гиббса за 50 000 долларов в феврале 1886 года. ^[30] Он поручил Уильяму Стэнли задачу по перепроектированию трансформатора Голарда и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. ^[31] 20 марта 1886 года Стэнли провел показательный эксперимент в Грейт-Баррингтоне : напряжение генератора Siemens в 500 вольт было преобразовано в 3000 вольт, а затем напряжение было понижено до 500 вольт шестью трансформаторами Westinghouse. С помощью этой установки компания Westinghouse успешно запитала тридцать 100-вольтовых ламп накаливания в двадцати магазинах вдоль главной улицы Грейт-Баррингтона. ^[32] Распространение Westinghouse и других систем переменного тока вызвало отпор в конце 1887 года со стороны Томаса Эдисона (сторонника постоянного тока), который попытался дискредитировать переменный ток как слишком опасный в публичной кампании под названием « война токов ». В 1888 году системы переменного тока обрели дополнительную жизнеспособность с введением функционального двигателя переменного тока , чего этим системам до того не хватало. Конструкция, индукционный двигатель , была независимо изобретена Галилео Феррарисом и Николой Теслой (при этом конструкция Теслы была лицензирована компанией Westinghouse в США). Эта конструкция была независимо развита в современную практическую трехфазную форму Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном в Германии с одной стороны, ^[33] и Йонасом Венстрёмом в Швеции с другой, хотя Браун предпочитал двухфазную систему.

Передача переменного тока на большие расстояния была использована в 1883 году для освещения станции Metropolitan Railway в Лондоне , в то время как однофазная система 1884 года в Турине , Италия, была первой многопользовательской системой распределения переменного тока в мире. ^[34] Гидроэлектростанция Эймса , построенная в 1890 году, была одной из первых гидроэлектростанций переменного тока. Передача однофазного электричества на большие расстояния от гидроэлектростанции в Орегоне у водопадов Уилламетт передавала электроэнергию на четырнадцать миль вниз по реке в центр Портленда для уличного освещения в 1890 году. ^[35] В 1891 году еще одна система передачи была установлена ​​в Теллуриде, штат Колорадо. ^[36] Первая трехфазная система была установлена ​​в 1891 году во Франкфурте , Германия. ^[37] Линия электропередачи Тиволи – Рим была завершена в 1892 году. ^[37] Генератор каньона Сан-Антонио был третьей коммерческой однофазной гидроэлектростанцией переменного тока в Соединенных Штатах, которая обеспечивала электроэнергией на большие расстояния. Он был завершен 31 декабря 1892 года альмарианцем Уильямом Декером для обеспечения электроэнергией города Помона, Калифорния , который находился в 14 милях. Тем временем, возможность передачи электроэнергии от водопада на расстояние была исследована на шахте Грэнгесберг в Швеции.Было выбрано падение 45  м в Хельшёне, Смедьебакенс коммуна, где располагался небольшой металлургический завод. В 1893 году трехфазныйСистема 9,5  кВ использовалась для передачи 400 лошадиных сил на расстояние15  км , став первым коммерческим применением. ^[38] В 1893 году Вестингауз построил систему переменного тока для Всемирной выставки в Чикаго . ^[37] В 1893 году Деккер спроектировал первую американскую коммерческую трехфазную электростанцию, использующую переменный ток — гидроэлектростанцию ​​Mill Creek No. 1 Hydroelectric Plant около Редлендса, Калифорния . Проект Деккера включал трехфазную передачу 10 кВ и установил стандарты для полной системы генерации, передачи и двигателей, используемых в США сегодня. Первоначальная электростанция Niagara Falls Adams с тремя двухфазными генераторами была введена в эксплуатацию в августе 1895 года, но была подключена к системе дистанционной передачи только в 1896 году. ^[37] Гидроэлектростанция Яруга в Хорватии была введена в эксплуатацию двумя днями позже, 28 августа 1895 года. ^[37] Ее генератор (42 Гц, 240 кВт) был изготовлен и установлен венгерской компанией Ganz , в то время как линия электропередачи от электростанции до города Шибеник имела длину 11,5 километров (7,1 мили), а муниципальная распределительная сеть 3000 В/110 В включала шесть трансформаторных подстанций. ^[37]

Теория цепей переменного тока быстро развивалась во второй половине 19-го и начале 20-го века. Известными авторами, внесшими вклад в теоретическую основу расчетов переменного тока, являются Чарльз Штейнмец , Оливер Хевисайд и многие другие. ^{[39] [40]} Расчеты в неуравновешенных трехфазных системах были упрощены методами симметричных компонентов, обсуждаемыми Чарльзом ЛеГейтом Фортескью в 1918 году.

Смотрите также

• Портал электроники
• Энергетический портал

• Мощность переменного тока
• Электропроводка
• Сверхпрочные вилки питания
• Герц
• Опережающий и отстающий ток
• Электроснабжение по странам
• Вилки и розетки переменного тока
• Частота использования
• Война течений
• Конструкция приемника переменного/постоянного тока

Ссылки

1. NN Bhargava & DC Kulshreshtha (1983). Основы электроники и линейные цепи. Tata McGraw-Hill Education. стр. 90. ISBN 978-0-07-451965-3.
2. Национальная ассоциация электрического освещения (1915). Справочник электросчетчика. Trow Press. С. 81.
3. "Pixii Machine, изобретенная Ипполитом Пикси, Национальная лаборатория сильных магнитных полей". Архивировано из оригинала 2008-09-07 . Получено 2012-03-23 ​​.
4. Licht, Sidney Herman (1967). «История электротерапии». Терапевтическое электричество и ультрафиолетовое излучение (2-е изд.). New Haven. С. 1–70. ISBN 9780853240631.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
5. "Stanley Transformer". Los Alamos National Laboratory ; University of Florida . Архивировано из оригинала 2009-01-19 . Получено 9 января 2009 .
6. De Fonveille, W. (22 января 1880 г.). «Газ и электричество в Париже». Nature . 21 (534): 283. Bibcode : 1880Natur..21..282D. doi : 10.1038/021282b0 . Получено 9 января 2009 г.
7. Хьюз, Томас П. (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930. Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 96. ISBN 0-8018-2873-2. Получено 9 сентября 2009 г. .
8. Uppenborn, FJ (1889). История трансформатора. Лондон: E. & FN Spon. стр. 35–41.
9. Хьюз (1993), стр. 98.
10. "Ferranti Timeline". Музей науки и промышленности (Манчестер) . Архивировано из оригинала 2015-10-03 . Получено 22 февраля 2012 .
11. Хьюз (1993), стр. 208.
12. Хьюз (1993), стр. 95.
13. Смил, Вацлав (2005). Создание двадцатого века: Технические инновации 1867–1914 годов и их длительное воздействие . Оксфорд: Oxford University Press. стр. 71. ISBN 978-0-19-803774-3. Трансформатор ЗБД.
14. Еженски, Шандор. «Электростатика и электродинамика в Пештском университете в середине XIX века» (PDF) . Университет Павии . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 3 марта 2012 г. .
15. Halacsy, AA; Von Fuchs, GH (апрель 1961 г.). «Трансформатор изобретен 75 лет назад». Труды IEEE Американского института инженеров-электриков . 80 (3): 121–125. doi :10.1109/AIEEPAS.1961.4500994. S2CID  51632693.
16. "Венгерские изобретатели и их изобретения". Институт развития альтернативной энергетики в Латинской Америке. Архивировано из оригинала 2012-03-22 . Получено 3 марта 2012 г.
17. "Блати, Отто Титуш". Будапештский университет технологии и экономики, Национальный центр технической информации и библиотека . Проверено 29 февраля 2012 г.
18. "Блати, Отто Титуш (1860–1939)" . Венгерское патентное ведомство. Архивировано из оригинала 2 декабря 2010 года . Проверено 29 января 2004 г.
19. Zipernowsky, K.; Déri, ​​M.; Bláthy, OT "Induction Coil" (PDF) . Патент США 352 105, выдан 2 ноября 1886 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 8 июля 2009 г.
20. Американское общество инженерного образования. Конференция – 1995: Ежегодные материалы конференции, том 2, (СТРАНИЦА: 1848)
21. Хьюз (1993), стр. 96.
22. Электрическое общество Корнеллского университета (1896). Труды Электрического общества Корнеллского университета . Андрус и Чёрч. стр. 39.
23. Евгений Кац. "Blathy". People.clarkson.edu. Архивировано из оригинала 25 июня 2008 года . Получено 2009-08-04 .
24. Рикс, GWD (март 1896). «Счетчики электроэнергии». Журнал Института инженеров-электриков . 25 (120): 57–77. doi :10.1049/jiee-1.1896.0005.Студенческий доклад, прочитанный 24 января 1896 года на студенческом собрании.
25. Электрик , Том 50. 1923
26. Официальный бюллетень Патентного ведомства США: Том 50. (1890)
27. "Отто Блати, Микса Дери, Карой Циперновски". МЭК Техлайн. Архивировано из оригинала 30 сентября 2007 года . Проверено 16 апреля 2010 г.
28. Brusso, Barry; Allerhand, Adam (январь 2021 г.). «Противоречивая история раннего распределения электроэнергии». Журнал IEEE Industry Applications . IEEE.org: 12. doi : 10.1109/MIAS.2020.3028630 . S2CID  230605234. Архивировано из оригинала 12 декабря 2020 г. Получено 1 января 2023 г.
29. История городка Тиникум (Пенсильвания) 1643–1993 (PDF) . Историческое общество городка Тиникум. 1993. Архивировано (PDF) из оригинала 23 апреля 2015 г.
30. Уильям Р. Хубер (2022). Джордж Вестингауз Powering the World. McFarland & Company . стр. 84. ISBN 9781476686929.
31. Скрабец, Квентин Р. (2007). Джордж Вестингауз: Нежный гений. Издательство Алгора. п. 102. ИСБН 978-0-87586-508-9.
32. Кларк В. Геллингс (2020). Интеллектуальная сеть, обеспечивающая энергоэффективность и управление спросом. River Publishers. стр. 62. ISBN 9781000355314.
33. Хертье, Арнольд; Перлман, Марк (1990). Развитие технологий и рыночной структуры: исследования по экономике Шумпетера . Издательство Мичиганского университета. стр. 138. ISBN 9780472101924.
34. Аллерханд, Адам (2019). «Ранняя мощность переменного тока: первые линии дальней связи [История]». Журнал IEEE Power and Energy . 17 (5): 82–90. doi :10.1109/MPE.2019.2921059. ISSN  1540-7977.
35. «Электрическая передача энергии». General Electric Review . XVIII . 1915.
36. «Электрическая передача энергии». General Electric . XVIII . 1915.
37. Холевац, Нинослав; Кузле, Игорь (2019). «Први целивити вишефазни электроэнергетический комплекс на свиету – Крка Шибеник». Годишняк Академия технических знаний Хрватске (на хорватском языке). 2019 (1): 162–174. ISSN  2975-657X.
38. Хьюльстрем, Филип (1940). Электричество распространяется в Швеции, в экономико-географическом обзоре. [Отрывок из YMER 1941, häfte 2. Utgiven av Sällskapet for antropologi och geografi: Meddelande from Upsala univeristets geografiska Institute, N:o 29, опубликовано Esselte ab, Стокгольм, 1941, вып. 135205]
39. Grattan-Guinness, I. (19 сентября 2003 г.). Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. JHU Press. ISBN 978-0-8018-7397-3– через Google Книги.
40. Судзуки, Джефф (27 августа 2009 г.). Математика в историческом контексте. MAA. ISBN 978-0-88385-570-6– через Google Книги.

Дальнейшее чтение

• Уильям А. Мейерс, История и размышления о том, как все было: Электростанция Милл-Крик – создание истории с помощью переменного тока , IEEE Power Engineering Review, февраль 1997 г., стр. 22–24

Внешние ссылки

• « AC/DC: в чем разница? ». Чудо света Эдисона, американский опыт. ( PBS )
• " AC/DC: Внутри генератора переменного тока Архивировано 28 декабря 2014 г. в Wayback Machine ". Чудо света Эдисона, американский опыт. (PBS)
• Экскурсия профессора Марка Челе по электростанции Ренкина с частотой 25 Гц
• Блэлок, Томас Дж., " Эпоха преобразователей частоты: взаимосвязанные системы с различными циклами ". История различных частот и схем взаимопреобразования в США в начале 20-го века
• История и хронология развития переменного тока