Není nic konstantnějšího než střídavý proud: jaký proud používáme?

Elektrický proud může být střídavý nebo stejnosměrný. Ruské zásuvky vedou střídavý proud o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V. Proč tedy potřebujeme stejnosměrný proud? A používá se v moderních elektrických sítích? Pojďme na to přijít.

Zajímavý příběh: jednoho dne dívka jménem Margaret uviděla nápis „AC/DC“ na zadní straně šicího stroje a navrhla, aby její mladší bratři dali své hudební skupině toto jméno. Tvorba australské rockové kapely AC/DC po mnoha letech neztrácí na oblibě a zkratku pro střídavý proud (AC) a stejnosměrný proud (DC) znají i lidé daleko od elektrotechniky.

Střídavý a stejnosměrný proud jsou přítomny nejen v hudbě, ale i v našem každodenním životě. Pojďme pochopit rozdíly mezi oběma typy proudu a zjistit, jaký druh proudu používáme v domácích a průmyslových sítích.

Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic. Pokud se částice pohybují jedním směrem, proud bude konstantní. Navíc velikost stejnosměrného proudu I a napětí U protože jakýkoli časový okamžik také zůstává nezměněn. DC graf je přímka rovnoběžná s horizontální časovou osou.

Obrázek převzat z otevřených zdrojů

Stejnosměrný proud je široce používán v technologii: většina elektronických obvodů je napájena stejnosměrným proudem. Elektrické vlaky metra jezdí na stejnosměrný proud 825 V Historicky se stejnosměrný proud volil i pro tramvajové a trolejbusové linky. Řada elektrifikovaných úseků železnic u nás navíc využívá stejnosměrný proud 3000 Voltů. Stejnosměrný proud generovaný galvanickými články a bateriemi slouží k autonomnímu napájení mobilních telefonů, notebooků, svítilen, hraček a mnoha dalších atributů každodenního života. V průmyslu se stejnosměrný proud používá v elektrolýze a galvanizaci, v medicíně – v elektroforéze. Díky schopnosti poskytovat stabilní a spolehlivé napájení je DC volbou pro řídicí a automatizační aplikace.

Hlavní rozdíl mezi střídavým proudem spočívá v tom, že v elektrickém obvodu se v průběhu času mění jak směr, tak i velikost. Jeden ze směrů střídavého proudu v obvodu je konvenčně považován za pozitivní a druhý – negativní. Síla střídavého proudu je skalární veličina, její znaménko je určeno směrem, kterým proud v daném čase protéká.

Obrázek převzat z otevřených zdrojů

Střídavý proud je základem celého elektroenergetického systému, který zajišťuje elektřinu do domácností, podniků a měst. Jeho hlavní výhodou je schopnost zvyšovat a snižovat napětí a také přenášet elektřinu na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Počítače, televize a domácí spotřebiče jsou napájeny střídavým proudem. Velké výrobní závody a motory obvykle používají střídavý proud. Důležitou aplikací je doprava: většina železničních tratí je elektrifikována jednofázovým střídavým proudem o frekvenci 50 Hz.

Abychom to shrnuli: je těžké si představit náš život bez střídavého i stejnosměrného proudu. Stejnosměrný proud je stabilnější, což je důležité zejména u elektronických zařízení, která vyžadují stálý zdroj energie. Střídavý proud lze transformovat a regulovat, přenášet na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Dnes se lidstvo naučilo úspěšně kombinovat dva druhy proudu v elektrických sítích, ale na konci 19. století vypukla skutečná válka o střídavý a stejnosměrný proud. To je však, jak se říká, úplně jiný příběh.

S objevem elektřiny se objevil koncept zdroje proudu. Ten dokáže transformovat různé druhy energie na elektrickou energii. Uvnitř takového zařízení se vykonává práce k oddělení částic s kladným a záporným nábojem. V důsledku toho se tyto částice hromadí na různých svorkách a vytvářejí tak potenciální rozdíl.

Zdroje střídavého proudu – co to je?

Pomocí přírodních sil lze získat stejnosměrný nebo střídavý elektrický proud, v závislosti na konkrétní metodě. Například při použití solárních panelů se generuje stejnosměrný proud a ve vodních elektrárnách se v důsledku rotace turbín generuje střídavý proud. Technická zařízení mohou k provozu používat různé zdroje napájení. Některá z nich vyžadují stejnosměrný proud, jiná střídavý proud.

Na úsvitu elektrotechniky byly myšlenky průmyslové výroby stejnosměrného nebo střídavého proudu považovány za konkurenční, ale zvítězila druhá možnost. Postupem času se ukázala jako praktická.

Myšlenku širokého využití stejnosměrného proudu prosazoval slavný vynálezce Thomas Edison. Během její realizace se však setkal s potřebou velkého počtu rozvoden pro přenos energie na velké vzdálenosti. Musely být umístěny od sebe maximálně 3-4 km.

Talentovaný inženýr Nikola Tesla navrhl další přístup s využitím střídavého proudu. V tomto případě se ztráty během přenosu několikanásobně snížily. Tento fyzik také navrhl vlastní zdroj střídavého proudu, který umožňoval relativně levnou elektrickou energii.

Hlavním způsobem výroby elektřiny je použití generátorů. Ty přeměňují mechanickou energii generovanou rotací na elektrickou energii.

Princip činnosti generátorů proudu je založen na zákonu elektromagnetické indukce. Když se hřídel otáčí v magnetickém poli, pohybují se elektrony, které jsou nosiči elektrického náboje. Pohybem z plusu do mínusu tvoří elektrický proud. Vodní elektrárny vyrábějí elektřinu pomocí padající vody k otáčení generátorů. Výhodou výroby střídavého proudu je, že se snáze transformuje na jiné hodnoty napětí.

Primární a sekundární zdroje energie

Provoz elektrických zařízení je zajištěn zdroji stejnosměrného a střídavého proudu. V prvním případě zůstávají parametry zdrojů po celou dobu jejich provozu přibližně stejné. Ve druhém případě bude elektrický proud periodicky měnit nejen velikost, ale i směr.

Napájecí síť používaná v každodenním životě nebo k řešení průmyslových problémů je proměnná. Proud a napětí v ní se mění v závislosti na čase podle sinusového zákona. Počet kmitů za jednotku času se nazývá frekvence. Standardní frekvence je 50 Hz.

Pro používání elektřiny potřebujete přesně takový proud a napětí, které odpovídají technickým vlastnostem zařízení. Pokud tomu tak není, může to vést k poruchám nebo poruchám.

Primární zdroje přeměňují jiné druhy energie na elektrickou energii. Ve skutečnosti se jedná o výrobu elektřiny. Tato kategorie zahrnuje jak velké elektrárny, tak i běžné baterie.

Sekundární zdroje přeměňují elektrickou energii na jinou formu, která je nezbytná pro provoz specifických typů elektrických zařízení. Před vstupem do elektrického zařízení bude nutně přijata v nějakém primárním zdroji a poté může projít jedním nebo více sekundárními zdroji.

Některá elektrická zařízení jsou schopna pracovat s energií získanou přímo z veřejné elektrické sítě. To však není vždy možné nebo pohodlné. Důvody mohou být následující:

• Parametry přijímaného proudu a napětí neodpovídají požadavkům zařízení.
• Nedostatečná spolehlivost veřejných sítí.
• Mobilita spotřebního zařízení.

V prvním případě se provádí přeměna elektrické energie do požadované formy. Jedním z příkladů je adaptér pro nabíjení smartphonu.

Někdy se parametry přiváděné energie mohou odchylovat od požadovaných hodnot, je také možné ji na chvíli vypnout nebo krátkodobě zvýšit formou silného impulzu. K tomu dochází například v důsledku poruchy zařízení. Aby byl zaručen příjem elektřiny s přesnými a konstantními parametry, používají se speciální stabilizační zdroje energie.

Do druhé kategorie patří například svářecí stroje. Ty mohou v závislosti na své konstrukci spotřebovávat stejnosměrný nebo střídavý proud. Pro taková zařízení se používají speciální zdroje energie.

Střídavé napájecí zdroje pro svářečky

Pro tento účel se ve většině případů používají svařovací transformátory. Musí splňovat následující požadavky:

• Zajistěte plynulé nastavení svařovacích režimů. Měl by být pokryt celý pracovní rozsah.
• Energie musí být dodávána takovým způsobem, aby byla zajištěna vysoká stabilita svařovacího oblouku.
• Musí existovat prostředky pro monitorování parametrů, aby se zajistilo splnění svařovacích podmínek.
• Musí být zajištěny dobré dynamické vlastnosti.
• Zařízení musí splňovat povinné požadavky na elektrickou bezpečnost.

Takové zdroje střídavého proudu zajišťují přesné dodržování svařovacího režimu díky možnosti jemného nastavení a řízení provozních parametrů. V případě zkratu během svařování by doba obnovení parametrů neměla překročit 0.05 s. Pokud je tento požadavek splněn, znamená to, že zdroj energie má dobré základní dynamické vlastnosti.

Pro zlepšení stability oblouku mohou některé svařovací transformátory používat speciální zařízení zvané oscilátor. Účelem jeho použití je získat vysokofrekvenční sekvenci rychlých pulzů, které se superponují na výstupní signál pro zlepšení stability svařovacího oblouku.

Zdroj střídavého proudu uvnitř rádiových obvodů

Ve velké většině případů je uvnitř obvodů stejnosměrný proud. Obvykle se na vstupu do jakéhokoli zařízení usměrňuje střídavý proud přicházející z obecné sítě. Ve vzácných případech však může být nutné mít uvnitř zařízení střídavý proud. Pak se použije speciální obvod. Příklad jednoho z nich je znázorněn na obrázku níže.

Princip činnosti takového obvodu je založen na použití zpětné vazby a použití regulátoru napětí. Zatěžovací proud může protékat v obou směrech. Výstupní proud je v rozsahu od -10 mA do +10 mA. Na vstup je přivedeno napětí -10 V nebo +10 V.

Správný výběr rezistorů R1,…,R6 umožňuje snížit chybu výstupních parametrů. Operační zesilovač by měl být navržen pro malé předpětí a výstupní proudy. Tranzistory VT1 a VT2 lze zvolit takové, které jsou navrženy pro napětí na kolektoru do 30 V a proud 20–150 mA.

Označení zdroje střídavého proudu na schématu s připojenou zátěží můžete vidět na obrázku níže, který zobrazuje zařízení pro ochranu proti přepětí:

Ale jak se střídavý proud dostává do našich bytů? Typické schéma zapojení pro bytový dům je vidět na obrázku níže:

Záložní napájení

V praxi takový zdroj energie neposkytuje střídavý proud, ale střídavé napětí. Jeho princip fungování je následující:

• Střídavý proud dodávaný do zařízení se přeměňuje na stejnosměrný proud.
• Baterie se nabíjí stejnosměrným proudem.
• Pokud z nějakého důvodu dojde k výpadku napájení, je připojena interní baterie zařízení.
• Stejnosměrný proud se přeměňuje na střídavé napětí a dodává se k napájení elektrického spotřebiče.

Připojení ke spotřebiteli se provádí podle schématu pro získání střídavého napětí.

Zde se předpokládá, že napětí baterie je 12 V a potřebný střídavý proud je 230 V.

Adaptéry

Mnoho zařízení je napájeno síťovými adaptéry. Na vstupu přijímají energii z veřejné sítě a na výstupu generují střídavý sinusový proud se specifikovanými parametry. Moderní zařízení tohoto typu jsou schopna zajistit:

• Přeměna vstupního bipolárního elektrického proudu na unipolární proud.
• Plynulé zvyšování nebo snižování amplitudy kmitání po stanovenou dobu. Tato funkce je nezbytná pro zajištění plynulého zapínání a vypínání elektrického spotřebiče.
• Ořízne výstupní amplitudu na zadanou hodnotu. Výstupem bude signál ve tvaru sinusoidy s vrcholy oříznutými na stejné úrovni.
• Stabilizace proudu a napětí.
• Převod frekvence signálu. V tomto případě může amplituda výstupního signálu zůstat stejná nebo se dle potřeby měnit.
• Modulace vstupního signálu frekvencí nebo amplitudou.

Uvažovaná zařízení umožňují převod vstupního střídavého signálu na výstupní s charakteristikami specifikovanými v širokém rozsahu. V praxi je však největší poptávka po převodu střídavého elektrického proudu na sinusový s parametry požadovanými uživatelem.

Nejběžnější konverzí je převod síťového proudu o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V na výstupní signál o stejné frekvenci a napětí 9, 12, 18, 24 a 110 V. K tomuto účelu se používají síťové adaptéry. Jejich použití má následující výhody:

• Kompaktní rozměry umožňují umístění jednotek uvnitř těla elektrického spotřebiče. Tím se snižuje elektrický vliv použitých vodičů (pokles napětí, přítomnost elektrického rušení).
• Spolehlivost síťových napájecích zdrojů je vyšší než u podobných zařízení jiných typů.
• Díky jednoduché výrobní technologii jsou adaptéry cenově dostupné.

Praktičnost a cenová efektivita používání síťových adaptérů vedly k jejich rostoucí popularitě.

Nelineární obvody se střídavými proudy

Nelineární řetězce jsou ty, které obsahují alespoň jeden nelineární prvek. Nelineární prvky jsou prvky, jejichž parametry závisí na velikosti a/nebo směru proměnných spojených s těmito prvky.

Nejvýznamnějším rysem výpočtu nelineárních obvodů se střídavými proudy je nutnost zohlednit v obecném případě dynamické vlastnosti nelineárních prvků, tj. jejich analýza by měla být provedena na základě dynamických volt-ampérových, weber-ampérových a coulomb-voltových charakteristik.

Pokud je nelineární prvek bez setrvačnosti, pak se jeho charakteristiky v dynamickém a statickém režimu shodují, což výrazně zjednodušuje výpočet. V praxi však ideálně bezsetrvačné prvky neexistují. Klasifikace nelineárního prvku jako bezsetrvačného je určena rychlostí změny vstupních vlivů: pokud je perioda T proměnného vlivu dostatečně malá ve srovnání s časovou konstantou charakterizující dynamické vlastnosti nelineárního prvku, je tento prvek považován za bezsetrvačný; pokud tomu tak není, pak je nutné zohlednit setrvačné vlastnosti nelineárního prvku.

Níže na obrázku je příklad výpočtu nelineárních obvodů pomocí metody dvou uzlů:

Související videa