Переменный ток

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

Переменный ток ( AC ) — это электрический ток , который периодически меняет направление и постоянно меняет свою величину со временем, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении. Переменный ток — это форма, в которой электроэнергия доставляется на предприятия и в жилые дома, и это форма электрической энергии , которую потребители обычно используют, когда подключают кухонные приборы , телевизоры , вентиляторы и электрические лампы в настенную розетку . Аббревиатуры переменного и постоянного тока часто используются для обозначения просто переменного и постоянного тока соответственно, например, когда они изменяют ток или напряжение .

Обычная форма волны переменного тока в большинстве электрических цепей представляет собой синусоидальную волну , положительный полупериод которой соответствует положительному направлению тока и наоборот (полный период называется циклом ) . В некоторых приложениях, например, в гитарных усилителях , используются сигналы различной формы, например треугольные или прямоугольные . Звуковые и радиосигналы , передаваемые по электрическим проводам, также являются примерами переменного тока. Эти типы переменного тока несут такую ​​информацию, как звук (аудио) или изображения (видео), иногда передаваемые путем модуляции несущего сигнала переменного тока. Эти токи обычно чередуются на более высоких частотах, чем те, которые используются при передаче энергии.

Передача, распределение и бытовое электроснабжение

Основные статьи: Передача электроэнергии и Распределение электроэнергии.

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

Электрическая энергия распространяется в виде переменного тока, поскольку напряжение переменного тока можно увеличивать или уменьшать с помощью трансформатора . Это позволяет эффективно передавать энергию по линиям электропередачи при высоком напряжении , что снижает потери энергии в виде тепла из-за сопротивления провода и преобразует ее в более низкое, более безопасное для использования напряжение. Использование более высокого напряжения приводит к значительно более эффективной передаче энергии. Потери мощности ( $P_{\rm {w}}$) в проводе представляют собой произведение квадрата тока ( I ) на сопротивление (R) провода, описываемое формулой:

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

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 уменьшатся на одну четверть.

Передаваемая мощность равна произведению тока и напряжения (при условии отсутствия разности фаз); то есть,

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

Следовательно, мощность, передаваемая при более высоком напряжении, требует меньших потерь тока, чем для той же мощности при более низком напряжении. Мощность часто передается на опорах с напряжением в сотни киловольт , затем преобразуется до десятков киловольт для передачи по линиям нижнего уровня и, наконец, преобразуется до 100–240 В для бытового использования.

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

У высокого напряжения есть недостатки, такие как необходимость повышенной изоляции и, как правило, повышенная сложность безопасного обращения с ним. На электростанции энергия генерируется при напряжении, удобном для конструкции генератора , а затем повышается до высокого напряжения для передачи. Вблизи нагрузок напряжение передачи понижается до напряжения, используемого оборудованием. Потребительское напряжение несколько варьируется в зависимости от страны и размера нагрузки, но обычно двигатели и освещение рассчитаны на потребление до нескольких сотен вольт между фазами. Напряжение, подаваемое на такое оборудование, как освещение и двигательные нагрузки, стандартизировано с допустимым диапазоном напряжений, в котором оборудование должно работать. Стандартные напряжения энергопотребления и процентный допуск различаются в различных системах электропитания, существующих в мире.

Системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) стали более жизнеспособными, поскольку технология предоставила эффективные средства изменения напряжения постоянного тока. Передача постоянного тока высокого напряжения была невозможна на заре передачи электроэнергии , поскольку тогда не было экономически целесообразного способа снизить напряжение постоянного тока для конечных пользователей, таких как освещение ламп накаливания.

Трехфазное электрическое производство очень распространено. Самый простой способ — использовать три отдельные катушки в статоре генератора , физически смещенные на угол 120° (одна треть полной фазы в 360°) друг к другу. Создаются три формы тока, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на 120° друг к другу. Если добавить катушки напротив них (расстояние 60°), они генерируют одинаковые фазы с обратной полярностью , и поэтому их можно просто соединить вместе. На практике обычно используются более высокие «полюсные порядки». Например, 12-полюсная машина будет иметь 36 катушек (интервал 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, выдают одинаковую частоту; более низкая скорость предпочтительна для более крупных машин. Если нагрузка в трехфазной системе равномерно сбалансирована между фазами, ток через нейтральную точку не протекает . Даже в наихудшем случае несбалансированной (линейной) нагрузки ток нейтрали не превысит наибольший из фазных токов. Нелинейные нагрузки (например, широко используемые импульсные источники питания) могут потребовать использования нейтральной шины и нейтрального проводника увеличенного размера в распределительной панели выше по цепи. гармоники . Гармоники могут привести к тому, что уровни тока в нейтральном проводнике превысят уровень тока в одном или всех фазных проводниках.

Для трехфазной сети при рабочем напряжении часто используется четырехпроводная система. При понижении трехфазной сети часто используется трансформатор с первичной обмоткой треугольником (3-проводной) и вторичной звездой (4-проводной, с центральным заземлением), поэтому нет необходимости в нейтрали на стороне питания. Для небольших потребителей (насколько мала зависит от страны и возраста установки) только одна фаза на объект подводится и нейтраль или две фазы и нейтраль. В более крупных установках все три фазы и нейтраль подводятся к главному распределительному щиту. От трехфазной главной панели могут отходить как однофазные, так и трехфазные цепи. Трехпроводные однофазные системы с одним трансформатором с центральным отводом, подающим два проводника под напряжением, являются распространенной схемой распределения для жилых и небольших коммерческих зданий в Северной Америке. Эту схему иногда ошибочно называют «двухфазной». Подобный метод используется по другой причине на строительных площадках Великобритании. Малые электроинструменты и освещение предполагается питать от местного трансформатора с центральным отводом с напряжением 55 В между каждым силовым проводом и землей. Это существенно снижает риск поражение электрическим током в случае, если один из находящихся под напряжением проводников оказывается оголен из-за неисправности оборудования, при этом между двумя проводниками сохраняется разумное напряжение 110 В для работы инструментов.

Третий провод , называемый соединительным (или заземляющим) проводом, часто подключается между нетоковедущими металлическими корпусами и заземлением. Этот проводник обеспечивает защиту от поражения электрическим током при случайном контакте проводников цепи с металлическим корпусом переносных приборов и инструментов. Соединение всех нетоковедущих металлических частей в одну целостную систему гарантирует, что всегда будет существовать путь с низким электрическим сопротивлением к земле, достаточный для пропускания любого тока повреждения в течение всего времени, необходимого системе для устранения повреждения. Этот путь с низким импедансом пропускает максимальный ток повреждения, в результате чего устройство защиты от сверхтоков (прерыватели, предохранители) срабатывает или перегорает как можно быстрее, переводя электрическую систему в безопасное состояние. Все соединительные провода соединены с землей на главной сервисной панели, как и нейтральный/идентифицированный проводник, если он имеется.

Частоты источника питания переменного тока

Дополнительная информация: Сетевое электричество по странам.

Частота электрической системы варьируется в зависимости от страны, а иногда и внутри страны; большая часть электроэнергии генерируется с частотой 50 или 60 Гц . В некоторых странах имеется сочетание поставок с частотой 50 Гц и 60 Гц, в частности, передача электроэнергии в Японии .

Низкая частота

Низкая частота упрощает конструкцию электродвигателей, особенно для подъемно-транспортных работ, дробления и прокатки, а также тяговых двигателей коллекторного типа для таких применений, как железные дороги . Однако низкая частота также вызывает заметное мерцание в дуговых лампах и лампах накаливания . Использование более низких частот также обеспечило преимущество в виде меньших потерь при передаче, которые пропорциональны частоте.

Первоначальные генераторы Ниагарского водопада были созданы для выработки мощности 25 Гц в качестве компромисса между низкой частотой тяговых и тяжелых асинхронных двигателей, но при этом позволяли работать лампам накаливания (хотя и с заметным мерцанием). Большинство бытовых и коммерческих потребителей энергии Ниагарского водопада с частотой 25 Гц были переведены на частоту 60 Гц к концу 1950-х годов, хотя некоторые Промышленные потребители с частотой 25 Гц все еще существовали в начале 21 века. Мощность 16,7 Гц (ранее 16 2/3 Гц) до сих пор используется в некоторых европейских железнодорожных системах, например, в Австрии , Германии , Норвегии , Швеции и Швейцарии .

Высокая частота

В морских, военных, текстильных, морских, авиационных и космических приложениях иногда используется частота 400 Гц из-за уменьшения веса оборудования или более высоких скоростей двигателя. Компьютерные мейнфреймы часто питались от частоты 400 Гц или 415 Гц для уменьшения пульсаций при использовании меньших внутренних блоков преобразования переменного тока в постоянный.

Эффекты на высоких частотах

Основная статья: Скин-эффект

Постоянный ток течет равномерно по сечению однородного электропроводящего провода. Переменный ток любой частоты течет от центра провода к его внешней поверхности. Это связано с тем, что переменный ток (который является результатом ускорения электрического заряда ) создает электромагнитные волны (явление, известное как электромагнитное излучение ). Электрические проводники не способствуют распространению электромагнитных волн ( идеальный электрический проводник запрещает все электромагнитные волны в пределах своей границы), поэтому провод, изготовленный из неидеального проводника (проводника с конечной, а не бесконечной электропроводностью), толкает переменные ток вместе со связанными с ним электромагнитными полями удаляется от центра провода. Явление отталкивания переменного тока от центра проводника называется скин-эффектом , а постоянный ток не проявляет этого эффекта, поскольку постоянный ток не создает электромагнитные волны.

На очень высоких частотах ток больше не течет по проводу, а эффективно течет по поверхности провода на толщине в несколько скин-слоев . Глубина скин-слоя – это толщина, при которой плотность тока снижается на 63%. Даже при относительно низких частотах, используемых для передачи энергии (50–60 Гц), в достаточно толстых проводниках все равно происходит неравномерное распределение тока . Например, толщина скин-слоя медного проводника составляет примерно 8,57 мм при частоте 60 Гц, поэтому сильноточные проводники обычно делают полыми, чтобы уменьшить их массу и стоимость. Эта тенденция переменного тока течь преимущественно по периферии проводников уменьшает эффективное поперечное сечение проводника. Это увеличивает эффективное сопротивление проводника переменному току, поскольку сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Сопротивление проводника переменному току выше, чем его сопротивление постоянному току, что приводит к более высоким потерям энергии из-за омического нагрева (также называемого I ² потеря R).

Методы снижения сопротивления переменному току

Для низких и средних частот проводники можно разделить на многожильные провода, каждая из которых изолирована от других, при этом относительные положения отдельных жил специально расположены внутри пучка проводов. Проволока, изготовленная с использованием этой техники, называется литцендратной проволокой . Эта мера помогает частично смягчить скин-эффект за счет обеспечения более равномерного тока по всему сечению многожильных проводников. Литцендрат используется для изготовления высокодобротных индукторов , уменьшения потерь в гибких проводниках, по которым проходят очень большие токи на более низких частотах, а также в обмотках устройств, пропускающих более высокие радиочастотные токи (до сотен килогерц), таких как импульсные источники питания. и радиочастотные преобразователи .

Методы снижения радиационных потерь

Как написано выше, переменный ток состоит из электрического заряда, находящегося под действием периодического ускорения , что вызывает излучение электромагнитных волн . Излучаемая энергия теряется. В зависимости от частоты используются различные методы для минимизации потерь из-за излучения.

Витые пары

На частотах примерно до 1 ГГц пары проводов скручиваются в кабеле, образуя витую пару . Это снижает потери от электромагнитного излучения и индуктивной связи . Витая пара должна использоваться со сбалансированной системой сигнализации, чтобы по двум проводам протекали равные, но противоположные токи. Каждый провод витой пары излучает сигнал, но он эффективно подавляется излучением другого провода, что приводит к практически полному отсутствию потерь на излучение.

Коаксиальные кабели

Для удобства коаксиальные кабели обычно используются на звуковых частотах и ​​выше. Коаксиальный кабель имеет проводящий провод внутри проводящей трубки, разделенной диэлектрическим слоем. Ток, текущий по поверхности внутреннего проводника, равен и противоположен току, текущему по внутренней поверхности внешней трубки. Таким образом, электромагнитное поле полностью удерживается внутри трубки, и (в идеале) никакая энергия не теряется на излучение или связь за пределами трубки. Коаксиальные кабели имеют приемлемо небольшие потери на частотах примерно до 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. В коаксиальных кабелях часто используется перфорированный диэлектрический слой 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 сечение, но наиболее распространены прямоугольные сечения. Поскольку волноводы не имеют внутреннего проводника для проведения обратного тока, волноводы не могут доставлять энергию посредством электрического тока , а скорее посредством направленного электромагнитного поля . Хотя поверхностные токи действительно текут по внутренним стенкам волноводов, эти поверхностные токи не переносят энергию. Энергия переносится управляемыми электромагнитными полями. Поверхностные токи создаются управляемыми электромагнитными полями и удерживают поля внутри волновода и предотвращают утечку полей в пространство за пределами волновода. Волноводы имеют размеры, сравнимые с длиной волны передаваемого переменного тока, поэтому их использование возможно только на сверхвысокочастотных частотах. Помимо этой механической возможности, электрическое сопротивление неидеальных металлов, образующих стенки волновода, вызывает диссипацию мощности (поверхностные токи, протекающие по проводникам с потерями, рассеивают мощность). На более высоких частотах мощность, теряемая на это рассеяние, становится неприемлемо большой.

Волоконная оптика

На частотах выше 200 ГГц размеры волновода становятся непрактично малыми, а омические потери в стенках волновода становятся большими. Вместо этого можно использовать оптоволокно , которое представляет собой разновидность диэлектрических волноводов. Для таких частот уже не используются понятия напряжения и тока.

Математика переменного напряжения

Синусоидальное переменное напряжение.

1. Пик,
2. Размах амплитуды,
3. Эффективное значение,
4. Период

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

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

где

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

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

Среднеквадратичное напряжение

Дополнительная информация: среднеквадратичная амплитуда.

Для более широкого освещения этой темы см . Среднеквадратичное напряжение .

Синусоидальная волна за один период (360°). Пунктирная линия представляет среднеквадратичное значение (RMS) при ${\sqrt {0.5}}$ (около 0,707).

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

Среднеквадратичное напряжение представляет собой квадратный корень из среднего значения за один период из квадрата мгновенного напряжения.

• Для произвольной периодической формы сигнала $v(t)$ периода $T$:

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

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

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

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

Власть

Основная статья: мощность переменного тока

Связь между напряжением и подаваемой мощностью следующая:

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

где $R$ представляет собой сопротивление нагрузки.

Вместо использования мгновенной мощности, $p(t)$, более практично использовать усредненную по времени мощность (где усреднение выполняется за любое целое число циклов). Поэтому напряжение переменного тока часто выражается как среднеквадратичное значение (RMS), записываемое как $V_{\text{rms}}$, потому что

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

Колебания мощности

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

По этой причине форма сигнала переменного тока становится полноволновым выпрямленным синусоидальным сигналом, а его основная частота вдвое превышает частоту напряжения.

Примеры переменного тока

переменного тока напряжением 230 В, Чтобы проиллюстрировать эти концепции, рассмотрим источник питания используемый во многих странах мира. Он назван так потому, что его среднеквадратичное значение составляет 230 В. Это означает, что усредненная по времени мощность, передаваемая $P_{\text{average}}$ эквивалентно мощности, подаваемой постоянным напряжением 230 В. Чтобы определить пиковое напряжение (амплитуду), мы можем преобразовать приведенное выше уравнение в следующий вид:

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

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

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

Передача информации

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

История

Первым генератором переменного тока, производившим переменный ток, был электрический генератор, основанный на принципах Майкла Фарадея , созданный французским приборостроителем Ипполитом Пикси в 1832 году. Позже Пикси добавил к своему устройству коммутатор для производства (тогда) более часто используемого постоянного тока. Самое раннее зарегистрированное практическое применение переменного тока принадлежит Гийому Дюшенну , изобретателю и разработчику электротерапии . В 1855 году он объявил, что переменный ток превосходит постоянный ток в электротерапевтическом запуске мышечных сокращений. Технологию переменного тока получила дальнейшее развитие венгерская компания Ganz Works (1870-е годы), а в 1880-е годы: Себастьян Зиани де Ферранти , Люсьен Голар и Галилео Феррарис .

В 1876 году русский инженер Павел Яблочков изобрел систему освещения, в которой наборы индукционных катушек были установлены вдоль линии переменного тока высокого напряжения. Вместо изменения напряжения первичные обмотки передавали мощность вторичным обмоткам, которые были подключены к одной или нескольким «электрическим свечам» (дуговым лампам) его собственной конструкции. используется для предотвращения выхода из строя одной лампы из строя всей цепи. В 1878 году завод Ганца в Будапеште, Венгрия, начал производство оборудования для электрического освещения и к 1883 году установил более пятидесяти систем в Австро-Венгрии . В их системах переменного тока использовались дуговые лампы и лампы накаливания, генераторы и другое оборудование.

Трансформеры

В системах переменного тока могут использоваться трансформаторы для изменения напряжения с низкого уровня на высокий и обратно, что позволяет производить и потреблять энергию 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 интерес Вестингауза . Они также продемонстрировали свое изобретение в Турине в 1884 году. Однако эти ранние индукционные катушки с разомкнутыми магнитными цепями были неэффективны при передаче мощности на нагрузки . Примерно до 1880 года парадигмой передачи мощности переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательная схема. Трансформаторы с открытым сердечником с соотношением около 1:1 были соединены со своими первичными обмотками последовательно, чтобы обеспечить возможность использования высокого напряжения для передачи при подаче на лампы низкого напряжения. 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. Для компенсации этой проблемной характеристики последовательной цепи было предложено множество конструкций регулируемых трансформаторов, в том числе те, в которых используются методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. Системы постоянного тока не имели этих недостатков, что давало им значительные преимущества перед ранними системами переменного тока.

В Великобритании Себастьян де Ферранти , который с 1882 года занимался разработкой генераторов и трансформаторов переменного тока в Лондоне, в 1886 году модернизировал систему переменного тока на электростанции Гросвенор-Галерея для Лондонской корпорации электроснабжения (LESCo), включая генераторы переменного тока собственной разработки и открытые конструкции трансформаторов с сердечником с последовательными соединениями для рабочих нагрузок - аналогично Голарду и Гиббсу. В 1890 году он спроектировал электростанцию ​​в Дептфорде. и преобразовал станцию ​​Grosvenor Gallery через Темзу в электрическую подстанцию , показав способ интеграции старых электростанций в универсальную систему электроснабжения переменного тока.

Пионеры

Венгерская команда «ZBD» ( Кароли Циперновски , Отто Блати , Микса Дери ), изобретатели первого высокоэффективного трансформатора с шунтирующим соединением с закрытым сердечником.

Прототип трансформатора ZBD на выставке памяти Иштвана Сечени Надьценке в , Венгрия.

Осенью В 1884 году Карой Циперновский , Отто Блати и Микса Дери (ZBD), три инженера, связанные с заводом Ганца в Будапеште, определили, что устройства с открытым сердечником непрактичны, поскольку они неспособны надежно регулировать напряжение. Блати предложил использовать закрытые сердечники, Циперновский предложил использовать параллельные шунтирующие соединения , а Дери провел эксперименты; 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 железной проволоки, либо окружены сердечником из железной проволоки. В обеих конструкциях магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, почти полностью перемещался в пределах железного сердечника, не преднамеренно проходя через воздух (см. Тороидальные сердечники ). Новые трансформаторы были в 3,4 раза эффективнее биполярных устройств с открытым сердечником Голара и Гиббса. Завод Ганца в 1884 году поставил первые в мире пять высокоэффективных трансформаторов переменного тока. Этот первый блок был изготовлен по следующим характеристикам: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, соотношение 1,67:1, однофазный, корпусной формы.

Патенты ZBD включали две другие важные взаимосвязанные инновации: одна касалась использования параллельных, а не последовательных рабочих нагрузок, другая касалась возможности иметь трансформаторы с высоким коэффициентом трансформации, так что напряжение питающей сети могло быть намного выше (первоначально 1400 В). В до 2000 В), чем напряжение рабочих нагрузок (первоначально предпочтительно 100 В). При использовании в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии трансформаторы с закрытым сердечником наконец сделали технически и экономически возможным обеспечение электроэнергией освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. Другой важной вехой стало внедрение систем «источник напряжения с интенсивным напряжением» (VSVI). благодаря изобретению генераторов постоянного напряжения в 1885 году. В начале 1885 года три инженера также устранили проблему потерь на вихревые токи , изобретя ламинирование электромагнитных сердечников. Отто Блати также изобрел первый счетчик электроэнергии переменного тока .

Система питания переменного тока была разработана и быстро принята после 1886 года благодаря 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. Надежность технологии переменного тока получила импульс после того, как завод Ганца электрифицировал крупный европейский мегаполис: Рим в 1886 году.

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

Опираясь на развитие технологий переменного тока в Европе, Джордж Вестингауз основал компанию Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. Новая фирма стала активно заниматься развитием электрической инфраструктуры переменного тока (AC) на всей территории Соединенных Штатов. Компания Edison Electric Light Company владела опционом на права США на трансформаторы Ganz ZBD, требуя от Westinghouse разработки альтернативных конструкций на тех же принципах. Джордж Вестингауз купил патенты Голара и Гиббса за 50 000 долларов в феврале 1886 года. Он поручил Уильяму Стэнли перепроектировать трансформатор Голара и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. демонстрационный эксперимент 20 марта 1886 года Стэнли провел в Грейт-Баррингтоне : напряжение генератора Сименса в 500 вольт было преобразовано в 3000 вольт, а затем напряжение было понижено до 500 вольт с помощью шести трансформаторов Вестингауза. С помощью этой установки компания Westinghouse успешно запитала тридцать 100-вольтовых ламп накаливания в двадцати магазинах на главной улице Грейт-Баррингтона. Распространение Вестингауза и других систем переменного тока вызвало в конце 1887 года сопротивление со стороны Томаса Эдисона (сторонника постоянного тока), который попытался дискредитировать переменный ток как слишком опасный в общественной кампании, названной « войной токов ». В 1888 году системы переменного тока приобрели дополнительную жизнеспособность с появлением функционального двигателя переменного тока , чего до этого момента этим системам не хватало. Конструкция, асинхронный 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 практичную трехфазную форму Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном в Германии с одной стороны. и Йонас Венстрем в Швеции, с другой стороны, хотя Браун предпочитал двухфазную систему.

Гидроэлектростанция Эймса и первоначальная электростанция Адамс в Ниагарском водопаде были одними из первых гидроэлектростанций переменного тока. Первая передача однофазного электричества на большие расстояния была осуществлена ​​с гидроэлектростанции в Орегоне в Уилламетт-Фолс, которая в 1890 году подавала электроэнергию на четырнадцать миль вниз по реке в центр Портленда для уличного освещения. В 1891 году в Теллурайде, штат Колорадо, была установлена ​​вторая система передачи. Генератор Сан-Антонио-Каньон был третьей коммерческой однофазной гидроэлектростанцией переменного тока в Соединенных Штатах, обеспечивающей электричество на большие расстояния. Он был завершен 31 декабря 1892 года Альмарианом Уильямом Декером для обеспечения электроэнергией города Помона, Калифорния , который находился в 14 милях от него. Тем временем возможность передачи электроэнергии от водопада на расстояние исследовалась на шахте Грангесберг в Швеции. Был выбран водопад высотой 45 м в Хельшьоне, коммуна Смедьебакенс, где располагался небольшой металлургический завод. В 1893 году трехфазная система напряжением 9,5 кВ была использована для передачи 400 лошадиных сил на расстояние 15 км , что стало первым коммерческим применением. В 1893 году Декер спроектировал первую в Америке коммерческую трехфазную электростанцию, работающую на переменном токе, — гидроэлектростанцию ​​Милл-Крик № 1 недалеко от Редлендса, Калифорния . Проект Декера включал трехфазную передачу напряжением 10 кВ и установил стандарты для всей системы генерации, передачи и двигателей, используемых сегодня в США. Гидроэлектростанция Яруга в Хорватии была введена в эксплуатацию 28 августа 1895 года. Два генератора (42 Гц, 550 кВт каждый) и трансформаторы были произведены и установлены венгерской компанией Ganz . Линия электропередачи от электростанции до города Шибеник имела длину 11,5 километров (7,1 миль) на деревянных опорах, а муниципальная распределительная сеть 3000 В/110 В включала шесть трансформаторных подстанций.

Теория цепей переменного тока быстро развивалась во второй половине 19 - начале 20 века. Среди известных авторов, внесших теоретическую основу вычислений переменного тока, Чарльз Стейнмец , Оливер Хевисайд и многие другие. Расчеты в несбалансированных трехфазных системах были упрощены с помощью методов симметричных компонентов, обсуждавшихся Чарльзом ЛеГейтом Фортескью в 1918 году.

См. также

• мощность переменного тока
• Электропроводка
• Сверхмощные вилки питания
• Герц
• Опережающий и отстающий ток
• Сетевое электричество по странам
• Вилки и розетки переменного тока
• Частота сети
• Война течений
• Конструкция приемника переменного/постоянного тока

Дальнейшее чтение

• Уиллам А. Мейерс, История и размышления о том, как все было: электростанция Милл-Крик - творя историю 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 . ( ПБС )
• « AC/DC: Внутри генератора переменного тока. Архивировано 28 декабря 2014 г. в Wayback Machine ». Чудо света Эдисона, американский опыт. (ПБС)
• Экскурсия профессора Марка Челе по электростанции Рэнкина с частотой 25 Гц
• Блэлок, Томас Дж., « Эра преобразователя частоты: взаимосвязанные системы переменных циклов ». История различных частот и схем взаимного преобразования в США в начале 20 века.
• История и график работы в сфере переменного тока