Змінний струм

Особливістю змінного струму є те, що деякі складники електричного кола впливають не лише на амплітуду струму, а й на його фазу. Тому для розрахунків електричних кіл, замість опорів використовуються комплексні опори — імпеданси, а всі розрахунки проводяться з використанням комплексних чисел.

Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом

Хвиля змінного струму

${\displaystyle I=I_{0}\cos(2\pi \nu t-\varphi )}$,

де ${\displaystyle I_{0}}$ — амплітуда струму, ${\displaystyle \nu }$ — частота, ${\displaystyle \varphi }$ — фаза струму.

Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази ${\displaystyle \Delta \varphi }$

${\displaystyle U=U_{0}\cos(2\pi \nu t-\varphi -\Delta \varphi )}$

Індуктивність (L) — елемент кола, який враховує енергію магнітного поля. Під час зміни струму в індуктивності, виникає ЕРС самоіндукції. Щоби крізь індуктивність проходив змінний струм до її виводів треба прикласти напругу індуктивності.

Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.

Миттєве значення потужності електричного струму дорівнює

${\displaystyle S=IU\,}$, повна потужність

${\displaystyle P=IU\cos \,\Delta \varphi }$, активна потужність

${\displaystyle Q=IU\sin \,\Delta \varphi }$, реактивна потужність

де U — напруга, а ${\displaystyle \Delta \varphi }$ - зсув фаз між напругою та струмом.

Однак зручніше використовувати усереднене значення потужності

${\displaystyle \langle P\rangle ={\frac {1}{2}}I_{0}U_{0}}$,

де ${\displaystyle I_{0}}$ — амплітудне значення сили струму, ${\displaystyle U_{0}}$ — амплітудне значення напруги.

Змінний струм визначають також чинними значеннями сили струму й напруги

${\displaystyle I_{a}={\frac {1}{\sqrt {2}}}I_{0}}$

${\displaystyle U_{a}={\frac {1}{\sqrt {2}}}U_{0}}$

Чинне значення, обумовлює енергетичні властивості сигналу. Миттєве значення, визначає показові властивості сигналу. Прилади, показують чинне значення.

Електрична енергія розподіляється у вигляді змінного струму, оскільки змінну напругу може бути збільшено або

Схематичне зображення передавання електроенергії на великі відстані. C - споживачі, D - знижувальний трансформатор, G - генератор, I - струм у дротах, Pe - потужність, що доходить до кінця лінії передачі, Pt - потужність, що надходить у лінію передачі, Pw - потужність, втрачена в лінії передачі, R - загальний опір в проводах, V - напруга на початку лінії передачі, U - підвищувальний трансформатор.

зменшено за допомогою трансформатора. Це дозволяє ефективно передавати потужність лініями електропередавання за високої напруги, що знижує втрату енергії як тепла, внаслідок опору дроту і перетворювати на більш низьку, безпечнішу до використання напругу. Застосування більш високої напруги приводить до значно ефективнішого передавання енергії. Втрати потужності у дроті, є добутком квадрату струму (I) і опору ( R) провідника. Це означає, що у разі передавання певної потужності по даному дроту, якщо струм зменшується вдвічі (тобто напруга подвоюється), втрати потужності внаслідок опору дроту, будуть зменшені до однієї чверті. Передана потужність дорівнює добутку струму і напруги (за відсутності різниці фаз). Отже, потужність, що передається за більш високої напруги, потребує меншого струму, для передавання тієї ж потужності при меншій напрузі. Потужність часто передається на сотнях кіловольт і знижується до 100 В - 240 В для побутового використання.

Високі напруги мають вади, такі як: потреба посиленої ізоляції, і в цілому збільшені труднощі з безпечного поводження з ними. В електростанції, енергія виробляється за зручної для будови генератора напруги (в Україні 10—20 кВ), а потім підвищується до більшої напруги для передавання. Біля споживачів, напруга передавання знижується до значень, які використовуються побутовим обладнанням. Напругу, що подається на обладнання, таке як освітлення та електродвигун, стандартизовано, з допустимим розбігом величини, за якої призначено роботу електроприладів. Стандартні напруги використання електроенергії та відсоткові відхилення, змінюються в різних електричних мережах, що є у світі. Системи електропередавання високовольтного постійного струму (HVDC) у ХХ столітті стали більш життєздатними, оскільки сучасна технологія забезпечила дієві засоби зміни напруги живлення постійного струму.

3 - фазна система — з'єднання зіркою

3 - фазна система — з'єднання трикутником

Передавання енергії з постійним струмом високої напруги, в ранню добу розвитку електротехніки, було неможливим, оскільки тоді не існувало економічно доцільного способу зниження напруги постійного струму для потреб кінцевого користувача, таких як живлення ламп розжарення.

Трифазне вироблення електроенергії у 2000-х роках — дуже поширене. Найпростішим способом її отримання, є використання трьох окремих котушок в статорі генератора, фізично зрушених на кут 120 ° (одна третина повної 360° фази) одна до одної. Отже виробляються три струмові сигнали, які однакові за величиною і зміщені на 120° за фазою, один до одного. Перевагою є те, що для вироблення однієї частоти, можуть використовуватися більш низькі швидкості обертання. Наприклад, 2-полюсна машина, яка працює за 3600 об / хв і 12-полюсна машина, що працює при 600 об / хв, виробляють ту ж частоту, а 12-полюсна машина мала -б 36 котушок (з кроком 10 °). Для великих електромашин, краща низька швидкість обертання. Якщо навантаження на трифазну систему врівноважується між фазами, то крізь нейтральну точку не протікає струм. Навіть у разі найгіршого неврівноваженого (лінійного) навантаження, струм нейтралі не буде перевищувати найбільший з фазних струмів. Для нелінійних навантажень (наприклад, широко використовуваних імпульсних джерел живлення у стані перемикання) може знадобитися груба нейтральна шина і нейтральний провідник з урахуванням гармонік. Гармоніки можуть призводити до перевищення рівнів струму в нейтральному провіднику.

Дві високовольтні лінії електропередачі змінного струму на одній опорі, системи з ізольованою нейтраллю. Зверху проходить грозозахисний трос. Миколаїв.

У побутових електричних мережах України використовується змінний струм із частотою 50 Гц і напругою 230 В або 400 В^{[джерело?]}. У низці країн (США, Канаді, Японії) у побуті застосовується напруга 120/240 В, 120 В, 100 В — відповідно, частотою 60 Гц.

Коли для роботи електронних пристроїв потрібен постійний струм, змінний струм мережі електропостачання може бути перетворений через процес випрямлення, котрий здійснюється за допомогою пристроїв, що називаються випрямлячами, на основі використання напівпровідникових діодів або тиристорів (раніше також електровакуумних ламп).

Перша згадка щодо практичного застосування змінного струму зустрічається у Гійома Дюшена, винахідника та розробника електротерапії. У 1855 році він оголосив, що змінний струм краще від постійного струму викликає електротерапевтичний запуск м'язових скорочень^{[джерело?]}.

Силовий трансформатор розроблений Люсьєном Голардом і Джоном Діксоном Гіббсом було оприлюднено в Лондоні 1881 року і він привернув увагу компанії Westinghouse. Вони також виставляли свій винахід в Турині в 1884 році, де він знайшов застосування в електричній системі освітлення. Багато з конструкцій винахідників були пристосовані для окремих систем розподілу електроенергії у Великій Британії^{[джерело?]}.

У 1882, 1884, і 1885 Голард і Гіббс подали документи для отримання патентів на свій трансформатор, однак патенту не отримали через попереднє використання трансформаторів Ніколою Тесла та через юридичні дії, ініційовані Себастьяном Зіані де Ферранті^{[джерело?]}.

Ферранті увійшов в цей бізнес 1882 року, відкривши у Лондоні цех розробки різних електричних пристроїв. Ферранті повірив в успіх змінного струму в системі електророзподілу ще на ранній стадії, і був одним з небагатьох фахівців у цій галузі досліджень у Великій Британії. 1887 року, Лондонська корпорація електропостачання (Лесько) замовила у Ферранті проєктування електростанції на Дептфорді. Він проєктував будову електростанції та системи розподілу в ній. Після завершення цього проєкту в 1891 році електростанція стала першою по-справжньому сучасною електростанцією, що постачала змінний струм для високовольтної мережі, яка розподіляла електроенергію для споживачів на кожній вулиці. Ця базова система, як і раніше, використовується в наші дні по всьому світу. У багатьох будинках у всьому світі досі працюють електролічильники, на яких зазначено патент Ферранті AC^{[джерело?]}.

Вільям Стенлі-молодший розробив один з перших практичних ефективних пристроїв для передавання змінного струму між ізольованими електричними колами. Використання пари котушок намотаних на загальне залізне осердя — його будова, звана індукційною котушкою, була одним з перших трансформаторів. Системи змінного струму, що використовуються сьогодні, почали швидко розвиватися після 1886 року. Вони містять ключові концепції, запропоновані Ніколою Тесла, який згодом продав свій патент Джорджу Вестінгаузу. Визначними людьми в цій галузі були Люсьєн Голар, Джон Діксон Гіббс, Карл Вільгельм Сіменс та інші. Системи змінного струму подолали обмеження систем постійного струму, що розроблялися Томасом Едісоном. Вони дозволили ефективно передавати електрику на великі відстані, хоча під час та званої війни струмів Едісон намагався зневажати ідею використання змінного струму, як занадто небезпечну^{[джерело?]}.

Одними з перших гідроелектростанцій, що працювали на змінному струмі, були Еймська ГЕС (весна 1891) і перша електростанція Адамса на Ніагарському водоспаді (25 серпня, 1895)^{[джерело?]}.

Гідроелектростанція Яруга в Хорватії була запущена в роботу 28 серпня 1895. Два її генератори (42 Гц, 550 кВт кожен) і трансформатори були виготовлені і встановлені угорською компанією Ганц. Лінія електропередачі від ГЕС до міста Шибеник мала довжину 11,5 км. Вона була змонтована на дерев'яних вежах і муніципальних розподільних мережах та використовувала шість трансформаторних підстанцій із перетворенням напруги 3000 В/110 В^{[джерело?]}.

Теорія електричних кіл змінного струму швидко розвивалася в другій половині ХІХ і на початку ХХ століття. Помітний внесок у теоретичну основу змінного струму зробили Чарльз Стейнмец, Джеймс Клерк Максвелл, Олівер Хевісайд та багато інших. Розрахунки незбалансованих трифазних систем були спрощені завдяки використанню методу симетричних складових, розробленого Чарльзом Фортеск'ю в 1918 році^{[джерело?]}.

• Електрика
• Постійний струм
• Електричний генератор
• Електромагнетизм
• Електротехніка
• Електричний струм
• Електрична напруга
• Трифазний струм
• Передавання електроенергії
• Амплітудно-частотна характеристика
• Війна струмів
• Витік струму
• Зсув фаз

• ДСТУ 2843-94. Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення. Чинний від 1995-01-01. — Київ: Держспоживстандарт України, 1995. — 65 с.
• Змінний струм - corelamps.com
• Що називають змінним струмом - electric-in-home.com
• Kuphaldt, Tony R., "Lessons In Electric Circuits : Volume II – AC". March 8, 2003. (Design Science License)
• Licht, Sidney Herman., "History of Electrotherapy", in Therapeutic Electricity and Ultraviolet Radiation, 2nd ed., ed. Sidney Licht, New Haven: E. Licht, 1967, Pp. 1-70.
• Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного
• Переменный ток
• Основные понятия и определения о переменном токе