Как сделать источник переменного тока
Обновлено: 07.07.2024
Как сделать выпрямитель и простейший блок питания
Выпрямитель - это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.
Определение
Различают два типа выпрямителей:
Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.
Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.
Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?
Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.
Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.
Выходное напряжение
Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.
Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:
Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:
Схемы
Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.
Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.
Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.
Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.
О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.
1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;
2. Выпрямитель со средней точкой.
Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.
Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.
По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.
Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.
Сглаживание пульсаций
Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.
Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…
Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.
Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.
Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.
Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:
где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.
Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.
Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.
Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.
Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).
Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:
Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.
Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.
Как сделать блок питания своими руками?
Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью - Как устроен компьютерный блок питания.
У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.
Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.
Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.
Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:
Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.
Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:
Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:
Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.
Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.
Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.
Регулируемые блоки питания
Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.
Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.
Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.
В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.
Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.
Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:
Заключение
Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.
Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.
По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.
Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.
Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.
В промышленности в основном применяют синусоидальный переменный ток, который в отличие от постоянного каждое мгновение изменяет свое значение и периодически направление. Для получения такого тока используют источники электрической энергии, создающие переменную э. д. с, периодически изменяющуюся по величине и направлению; такие источники называются генераторами переменного тока.
Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле (рис. 168, а). Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в процессе вращения витка направление э. д.с. е, индуцированной в рабочих участках 1 и 2 витка, непрерывно изменяется (показано стрелками), следовательно, изменяется и направление проходящего по замкнутой цепи тока i.
По закону электромагнитной индукции э. д. с, индуцируемая в витке при вращении его с окружной скоростью ? в магнитном поле с индукцией В,
2l — длина двух рабочих частей витка, находящихся в магнитном поле;
? — угол между направлением силовых магнитных линий и направлением движения витка в рассматриваемый момент времени (направлением вектора скорости ?).
При вращении витка с угловой скоростью ? угол ? = ?t, следовательно,
Переменный угол ? t называется фазой э. д. с. Величина 2lB ? представляет собой максимальное значение э. д. с. е, которое она принимает при ?t = 90° (когда плоскость витка перпендикулярна силовым магнитным линиям). Обозначив его Eт получим:
Полученная зависимость изменения э. д. с. е от угла ?t или от времени t графически изображается синусоидой (рис. 168,б). Э. д. с, токи и напряжения, изменяющие свои значения и направления по закону синусоиды, называются синусоидальными. Ось, по которой откладывают углы ? t, можно рассматривать как ось времени t.
Рассмотрим несколько отдельных положений витка. В момент времени, соответствующий углу ?t1 (см. рис. 168, а), когда виток находится в горизонтальном положении, его рабочие участки как бы скользят вдоль силовых магнитных линий, не пересекая их; поэтому в этот момент э. д. с. в них не индуцируется (точка 1 на рис. 168,б). При дальнейшем повороте витка стороны его начнут пересекать магнитные силовые линии. По мере увеличения угла поворота увеличивается и число силовых линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени, и соответственно возрастает индуцированная в витке э. д. с е.
В момент времени, соответствующий углу ?t2, виток пересекает наибольшее число силовых магнитных линий, так как его рабочие участки 1 и 2 движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этот момент э. д. с. е достигает своего максимального значения Ет (точка 2 на графике). При дальнейшем вращении витка число пересекаемых силовых линий уменьшается и соответственно уменьшается индуцированная в витке э. д. с. В момент времени, соответствующий углу рабочие участки витка опять как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, в результате чего э. д. с. е будет равна нулю (точка 3). Затем рабочие участки 1 и 2 витка вновь начинают пересекать магнитные силовые линии, но уже в другом направлении, поэтому в витке появляется э. д. с. противоположного направления. В момент времени, соответствующий углу ?t4. при вертикальном расположении витка э. д. с. в достигает максимального значения — Ет (точка 4), затем она уменьшается, и в момент времени, соответствующий ?t5, снова становится равной нулю (точка 5). При дальнейшем движении витка с каждым
Рис. 168. Индуцирование синусоидальной э. д. с. (а) и кривая ее изменения (б)
новым оборотом описанный выше процесс индуцирования э. д. с. будет повторяться.
В современных генераторах переменного тока магниты или электромагниты, создающие магнитное поле, обычно располагаются на вращающейся части машины — роторе, а витки, в которых индуцируется переменная э. д. с,— на неподвижной части генератора — статоре. Однако с точки зрения принципа действия генератора переменного тока безразлично, на какой части машины — роторе или статоре — расположены витки, в которых индуцируется переменная э. д. с.
Работа приемников электрической энергии при переменном токе. Если подключить к генератору переменного тока электрическую лампу (см. рис. 168, а), то нить ее будет периодически накаляться и остывать. Однако если частота изменений переменного тока достаточно велика, то нить лампы не будет успевать охлаждаться и глаз человека не будет улавливать изменений ее накала. Такие же условия имеют место и при работе электродвигателей переменного тока; такой двигатель при работе получает от источника импульсы переменного тока, следующие один за другим с большой частотой, и его ротор будет вращаться с постоянной частотой.
В идеальных условиях источник тока генерирует ток, не зависящий от напряжения. Однако, в реальности добиться этого очень сложно. При подключении большой нагрузки значения обоих показателей неизбежно проседают.
Поэтому, когда речь идет о реальных источниках тока, то имеются ввиду схемы, которые могут обеспечивать силу тока в заданном диапазоне для определенных нагрузок. Наибольшее применение источники тока (не путать с источниками напряжения) нашли в схемах для питания аналоговых приборов, операционных и дифференциальных усилителей, измерительных мостов и т.п., ну и, конечно же, для зарядки аккумуляторов. Источник переменного тока – это генераторные установки, в основе которых лежит двигатель. Вращение вала и перемещение катушек в постоянном магнитном поле создают эффект изменения не только силы тока, но и направления его действия.
Рис.1. Генератор переменного тока
График изменения тока в зависимости от времени.
Рис. 2. рафик изменения тока в зависимости от времени
Это классическая синусоида.
В составе радиосхем переменный ток чаще всего преобразуется в постоянный. Однако, если мы говорим об источнике тока уже в составе радиосхем, то задача создания переменной ЭДС заметно усложняется без генераторных установок.
Типовой источник тока (постоянного) состоит из элементов, обозначенных на функциональной схеме ниже.
Рис. 3. Функциональная схема
- Источник питания (в данном случае постоянного напряжения);
- Датчик тока;
- Регулирующий элемент (в простейшем варианте может быть реализован транзистором, к которому нагрузка подключается в эмиттерную цепь);
- Цепь обратной связи.
В качестве простого примера.
Рис. 4. Схема источника тока
Стоит отметить, что переменный ток применяется в схемах крайне редко, в основном вся радиоаппаратура строится на источниках постоянного тока или напряжения.
Варианты схем источников переменного тока
Однако, в отдельных случаях может потребоваться источник именно переменного тока. Наиболее часто используемая схема в цепях с малыми напряжениями выглядит следующим образом.
Рис. 5. Схема источника переменного тока с малыми напряжениями
В основе лежит все та же схема с регулятором напряжения и цепью обратной связи, управляющей операционными усилителями, обозначенная в начале.
Здесь ток в нагрузке может протекать как в одном, так и в противоположном направлении.
На выходе обеспечивается ток от -10 мА до +10 мА, при условии подачи напряжения +10 и -10 В.
Уменьшения погрешности на выходе можно добиться за счет подбора резисторов R1-R6, допуск номинала которых не превышает 1%.
Операционный усилитель можно использовать практически любой. Но наилучший вариант для слаботочных схем – ОУ с малыми напряжения смещения и входными токами.
К транзисторам VT1 и VT2 тоже особых требований нет. Подойдут даже маломощные, работающие с напряжением на коллекторе до 30 В и силой тока 20-150 мА.
Источники бесперебойного питания часто путают с источниками переменного тока, так как они предназначены для фактической замены основного источника питания. Однако, на практике эти устройства выдают не переменный ток, а переменное напряжение.
Принцип работы ИБП:
1.Преобразование сетевого тока из переменного в постоянный;
2.Зарядка аккумулятора постоянным током;
3.При отключении основного источника питания выходная цепь получает питание от аккумулятора (химический источник постоянного тока);
4.Постоянный ток аккумулятора преобразуется в переменное напряжение и отдается потребителям.
Типовая схема инвертора (преобразователя) напряжения из постоянных 12 В в переменные 230 В выглядит следующим образом.
Рис. 6. Типовая схема инвертора
Источник переменного напряжения
Независимый источник напряжения
наиболее частого использования AC Voltage Source. Он является идеальным источником гармонических колебаний, т. е. его внутреннее сопротивление равно 0. Можно выбрать уровень напряжения, который задается через действующее значение (амплитудное значение нужно рассчитывать вручную). Кроме того, задается частота и фаза колебаний. Следует обратить внимание, что даже для идеального источника задается отклонение основного параметра. Это делается для моделирования нестабильности источника в некоторых описанных выше режимах моделирования (Рисунок 2.1).
Альтернативным источником гармонических колебаний является виртуальный генератор (Рисунок 2.2).
Возможности генератора шире. Можно генерировать колебания прямоугольной и треугольной формы и менять скважность (Duty cycle). Параметр Duty cycle определяет – какую часть периода сигнала в процентном соотношении занимает прямоугольный импульс. Таким образом, параметр действует только для одного из трех видов сигналов. В электронике скважностью обозначают отношение длительности периода сигнала к длительности импульса:
Так скважность Q = 2 эквивалентна Duty cycle = 1/Q
Уровень напряжения устанавливается как амплитудное значение (Amplitude), но это если подключиться к клеммам + и – напряжение возрастает в 2 раза. Можно также за счет нее получать импульсы отрицательной и положительной полярности. Недостаток прибора – нет регулировки фазы.
Рисунок 2.1 Окно параметров источника переменного напряжения
Источник постоянного напряжения
Независимый источник постоянного напряжения
DC_POWER является идеальным источником постоянного напряжения. Его используют при моделировании схем с внешними источниками питания высокого качества. Единственный основной параметр источника – уровень напряжения (Voltage (V)).
Источник сигналов прямоугольной формы Clock
Данный источник может быть использован при моделировании как аналоговых, так и цифровых схем. Параметры источника аналогичны параметрам виртуального генератора (Рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 Окно параметров источника сигналов прямоугольной формы
Источник сигналов произвольной формы PWL Source
Данный источник Piecewise_Linear_Voltage может быть использован для моделирования одиночных сигналов сложной формы. В качестве параметра источника может быть указано имя текстового файла (Use data directly from file), в котором записываются координаты сигнала в дискретных точках. Точки соединяются с помощью линейной интерполяции. Формат текста – две колонки цифр. Левая колонка – отсчеты времени в секундах. Правая колонка – значения сигнала в вольтах. К примеру, сигнал, изображенный на Рисунок 2.4, может быть сгенерирован с помощью текста:
| 0 0 0.001 0 0.001 1 0.004 1 0.004 3 0.005 3 0.005 0 |
Рисунок 2.4 Пример сигнала сгенерированного источником
Альтернативным способом задания параметров является заполнение таблицы (Enter data points in table). Формат данных тот же (Рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 Альтернативный способ задания параметров источника Piecewise_Linear_Voltage
Пассивные компоненты RLC
Свойства модели резистора
Основное свойство Resistance – сопротивление.
TC1 – линейный температурный коэффициент сопротивления,
TC2 – квадратичный температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление резистора рассчитывается по формуле:
где T_MEASURED – температура измерения сопротивления резистора (по умолчанию T_MEASURED = 27о).
Свойства модели конденсатора
Основное свойство Capaсitance – емкость.
Свойства модели катушки индуктивности:
Основное свойство Inductance – индуктивность.
Биполярные транзисторы
Модели биполярного транзистора строятся по принципу достижения определенной цели моделирования. В инженерной практике требуется решать две основных задачи:
режима работы транзистора по
постоянному
и
переменному
току с целью выбора параметров, как транзистора, так и других элементов, входящих в аналоговый узел;
2. уточнение
характеристик аналогового узла на основе моделирования в схемотехнических САПР;
В первой задаче
, используют эквивалентную схему транзистора на постоянном или переменном токе. Схема зависит от того, какой режим работы транзистора предполагается установить. По переменному току, в основном, различают
линейный
и
нелинейный
режимы. Линейный режим предполагает относительно слабые сигналы на входе и выходе транзистора. Поэтому он называется
малосигнальным
. Тогда используют малосигнальные линейные
эквивалентные схемы
. Эквивалентные схемы используются не только для расчета параметров, но и для анализа аналоговых узлов.
Во второй задаче
, используют точную или упрощенную
нелинейную модель
транзистора. Согласно модели синтезируются формулы расчета, которые используются в схемотехнических САПР. Обычно эти формулы скрыты от пользователя, поскольку не требуются в процессе компьютерного моделирования электронных средств (ЭС).
Трехфазный ток
Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.
Вам это будет интересно Методы передачи электроэнергии
Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.
График трехфазного сигнала
Адаптеры переменного напряжения
Возможно изготовление источников (блоков) питания переменного тока (напряжения) со следующими модификациями:
- Преобразование двуполярного выходного сигнала в однополярный;
- Ограничение максимальной амплитуды выходного напряжения или тока, т.е. срезание вершин синусоиды на определенном уровне;
- Стабилизация переменного напряжения или тока;
- Плавное нарастание амплитуды при включении (плавный пуск) или плавное снижение амплитуды при выключении. Это актуально для мощных двигателей, машин и устройств, работающих на переменном токе;
- Преобразование частоты выходного напряжения;
- Модуляция выходного напряжения любым другим сигналом по амплитуде (амплитудная модуляция) или частоте (частотная модуляция).
ПРАЙС-ЛИСТ на БЛОКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Источник питания переменного тока (он же источник питания переменного напряжения), обозначается БП, имеет на выходе напряжение, амплитуда которого не является постоянной, но подчиняется гармоническому или другому, как правило, периодическому закону.
Из всех форм периодических токов наибольшее распространение получили синусоидальные токи. Синусоидальные токи позволяют наиболее экономично осуществлять производство, передачу, распределение и использование электрической энергии. В линейных электрических цепях синусоидальные токи всегда сохраняют свою фазу.
Использование переменного напряжения вместо постоянного было предложено Николой Тесла, как более эффективное.
Наиболее распространены сетевые БП: входное напряжение – двуполярное, синусоидальной формы, амплитудой 220 В, частотой 50 Гц, выходное напряжение также двуполярное, синусоидальной формы, частотой 50 Гц, как и на входе, но другой амплитуды — 9, 12, 18, 24, 110 Вольт или других значений.
Сетевые БП имеют определенные преимущества перед нестабилизированными БПН и стабилизированными БПС :
- 1. БП дешевле, проще, и быстрее в производстве, чем БПН и БПС.
- 2. Часто бывает целесообразно применение БП вместо БПС, размещая стабилизатор внутри питаемого изделия. Это позволяет избежать потери точности стабилизированного напряжения в виде падения напряжения на проводе, снижение помех и наводок на проводе, уменьшить потери КПД на проводе, в конце концов позволяет увеличить длину провода.
- 3. БП надежнее БПН и БПС.
Изображение синусоидальных ЭДС, напряжений и токов на плоскости декартовых координат
Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями и представить в виде вращающихся векторов на декартовой или комплексной плоскости.
Графическое изображение синусоидальных напряжений
Запишем синусоидальные напряжения с помощью тригонометрических функций:
Значения в скобках синуса называют фазами синусоид, а значения фазы в начальный момент времени — начальной фазой.
Величина ω называется угловой частотой:, [рад/с]
Простой источник переменного тока или напряжения состоит из корпуса, трансформатора и проводов. Возможно добавление 1 или 2 предохранителей.
Трансформатор – наиболее надежный прибор в электротехнике, радиотехнике и электронике. Срок его службы может измеряться десятилетиями. О чем свидетельствуют опыты по закапыванию работающих под напряжением трансформаторов в землю в середине прошлого века, которые работают до сих пор.
Трансформатор состоит из магнитопровода и двух или более обмоток, одна из которых является первичной или сетевой, а остальные – вторичными обмотками. Электрическая энергия преобразуется в электромагнитное поле и через магнитопровод передается между обмотками. КПД трансформатора достаточно высок. Еще одним преимуществом является гальваническая развязка между обмотками.
Магнитопровод выполняется из электротехнической стали марок 2212 и др., или феррита. Существует несколько форм магнитопровода. Наиболее распространненным, экономически эффективным и массовым в производстве является Ш-образный магнитопровод из штампованных Ш и I образных пластин. Обмотки выполняются из медного, иногда алюминиевого эмальпровода.
Бывают и электронные (импульсные) трансформаторы на микросхемах и транзисторах. Их преимуществами являются меньшие габариты и вес, а недостатками – ненадежность, неустранимые до конца импульсные помехи, плохая несинусоидальная форма выходного сигнала со множеством гармоник, что влияет на качество работы питаемых или находящихся поблизости устройств, мерцание света, помехи звука и изображения.
Стоимость обычных трансформаторов ниже стоимости электронных при мощности до 20 Ватт, равна им при мощности 20-30 Ватт, и выше при увеличении мощности. Это также зависит и от качества изготовления последних.
Ознакомиться с необходимыми блоками питания переменного напряжения Вы можете ознакомиться по нижеследующим ссылкам:
Источник: Shutterstock
Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.
Ирония судьбы постоянного тока
Первая серийная лампа Эдисона — еще с угольной нитью и временем работы в несколько десятков часов. Источник: Terren / Wikimedia Commons
Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.
Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.
К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.
Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.
Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.
Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.
Эдисон прокладывал под землей линии электропередач уличного освещения еще до того, как это стало модным в Москве. На иллюстрации укладка линии постоянного тока в Нью-Йорке в 1882 году. Источник: W. P. Snyder / Wikimedia Commons
Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.
Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.
Трехфазный генератор переменного тока в Лауффен-ам-Неккар, Германия. Источник: Historisches Museum, Frankfurt
У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.
Постоянный ток спасает переменный
Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.
Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.
В высоковольтных сетях переменного тока толщина скин-слоя (отмечен буквой δ) определяется точкой падения плотности тока на 63%.В сетях с частотой 50 Гц скин-слой достигает 9,34 мм — часть объема дорогостоящего проводника просто не работает. Источник: biezl / Wikimedia Commons
Одна из машин Тюри. Самая крупная из них, весом 4500 кг, генерировала 66 кВт. Источник: Wikimedia Commons
В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.
Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.
На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.
Современный тиристорный конвертер AC/DC. Источник Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Когда каждый процент на счету
Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.
Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.
Стоимости HVDC и HVAC пересекаются на линии, длинной около 600 км. Далее HVDC становится заметно выгодней. Источник: wdwd / Wikimedia Commons
На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.
Прошлое, настоящее и будущее HVDC
HVDC-ветка в между Данией и Швецией передает 350 МВт всего по двум проводникам. Всего два провода — это отличительная особенность воздушных линий постоянного тока, в линиях переменного тока проводников больше в два-три раза. Встречаются и монополярные HVDC с всего одним проводником (второй вывод из выпрямителя соединяют с землей), но их использование несет проблемы для подземных металлоконструкций, поэтому чаще применяется биполярная схема с двумя проводниками. Источник: Shuttertock
HVDC является оптимальным решением для связи сетей стран, разделенных морем. Так ветка между итальянским городом Чепагатти и муниципалитетом Котор в Черногории, которая экспортирует электроэнергию в Италию, пролегает по дну Адриатического моря — используй эта 400-километровая ветка переменный ток, емкостные потери в кабеле были бы слишком большими, и это бы удорожало стоимость электроэнергии для Италии. Кстати, в строительстве этой линии участвовала Toshiba: мы поставили преобразователи напряжения.
Но всё же больше всего Toshiba поучаствовала в строительстве HVDC-сетей в Японии, где исторически сложилась очень необычная ситуация: западная часть страны эксплуатирует ток с частотой 60 Гц, а восточная — 50 Гц. Эта коллизия, которую уже невозможно устранить, возникла еще в конце XIX века, когда Япония одновременно закупила генераторы в Европе и США с выходной частотой тока 50 Гц и 60 Гц соответственно. Результатом поспешного решения далекого прошлого стала вынужденная необходимость строить HVDC-ветки для соединения энергосистем разных частей страны.
HVDC-сети и вставки постоянного тока в Японии помогала строить Toshiba. Первой стала вставка для соединения внутри страны сетей на 50 Гц и 60 Гц, построенная в 1977 году при участии Toshiba. Ее мощность на момент постройки составила 600 МВт. К 2021 году Toshiba провела глубокую модернизацию вставки, увеличив ее мощность на 900 МВт и уменьшив число используемых тиристоров, что позволило немного сэкономить на оборудовании.
Элегазовые выключатели и трансформатор на линии 550 кВ, соединяющей восточную и западную энергосети Японии. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Первая высоковольтная линия постоянного тока, длиною 193 км, связала острова Хоккайдо и Хонсю в 1979 году. Сеть передает 300 МВт с напряжением 250 кВ. В 2000 году мы поставили тиристорные конверторы для мощнейшей подводной HVDC-линии между островами Сикоку и Хонсю — ветка передает 1400 МВт. На момент строительства линии в ней использовались самые крупные в мире тиристоры, которые в следующий раз применялись только 10 лет спустя при постройке китайской HVDC Lingbao 2.
Третья японская HVDC, построенная между островами Хоккайдо и Хонсю, была запущена совсем недавно — в 2019 году. Toshiba выступила главным поставщиком преобразователей на полярных транзисторах с изолированными затворами (IGBT).
На сегодняшний день в мире построено более 150 сетей HVDC и 50 вставок постоянного тока. Среди них есть как объекты, построенные в 1970-х годах прошлого века, так и совсем новые. Около 10 HVDC в Европе находятся в стадии строительства прямо сейчас с планируемым сроком запуска 2021-2025 годы. Строящиеся линии соединяют некоторые европейские страны с Великобританией (для выравнивания нагрузки на европейскую энергосеть), тянуть до которой подводный HVAC бессмысленно.
Вот так аккуратно выглядит конвертор для HVDC будущей оффшорной ветряной электростанции Dogger Bank на севере Великобритании. Агрегат будет полностью автономным, не требующим присутствия технического персонала. Источник: Aibel
В Австралии компания Sun Cable готовится приступить к постройке гигантской фотовольтаической (солнечной) электростанции, мощностью 14 ГВт. Причем электроэнергию с нее будут потреблять не в Австралии, а в Сингапуре, куда она будет поступать по подводной HVDC-сети.
Чем больше в мире будет появляться масштабных проектов, связанных с возобновляемыми источниками энергии, тем сильнее будут востребованы высоковольтные линии постоянного тока. Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда. Тем лучше, что переменный и постоянный токи пришли к органичному сосуществованию и взаимовыручке в деле электроснабжения планеты.
Читайте также: