ПЕРЕМЕННЫЙ И ПОСТОЯННЫЙ ТОК – В ЧЕМ ОТЛИЧИЕ? 

Переменный ток — это ток, который периодически меняет значение и направление во времени. В этой форме электрическая энергия передается по линиям электропередач и поставляется промышленным и бытовым потребителям. Обычное электричество, поступающее от розетки для питания бытовой нагрузки, является переменным током (AC). 

Постоянный ток — это тип электрического тока, который протекает всегда в одном направлении и имеет неизменное значение. Он относится к потоку электроэнергии, полученной от аккумуляторов, солнечных панелей и т. д. Ток, протекающий в фонарике или другом приборе, работающем от батареек, постоянен (DC).

Содержание статьи:

1. Основные характеристики цепей постоянного и переменного тока
2. Вычисление постоянного и переменного тока
3. Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки
4. Преобразование тока из постоянного в переменный

Основные характеристики цепей постоянного и переменного тока

Как возникает электрическая энергия (сокр. э/э) и что это такое? Как известно из курса школьной физики, все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Вокруг ядра атома вращаются электроны, избыток которых образует отрицательный «-» электрический заряд, а недостаток — положительный «+» заряд. Нейтральный атом, отдавая или приобретая электроны, становится заряженным и называется ионом. 

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение электронов или ионов. Обозначается I и измеряется в амперах (А). Для возможности вычисления рассмотрим, чем отличается постоянный ток от переменного и ознакомимся с характеристиками их электрических цепей:

1. Напряжение, ЭДС. Для возникновения электричества в проводе, необходимо, чтобы на концах проводника были разные электрические потенциалы. Эту разность потенциалов характеризует напряжение, обозначаемое U и измеряемое в вольтах. Напряжение является основной характеристикой электрического поля. Чтобы получить непрерывный постоянный ток, нужен источник электродвижущей силы (ЭДС). В гальванических элементах или аккумуляторах ЭДС создается в результате химических реакций.
2. Другим важным параметром является сопротивление (R, Х, Ом), характеризующее свойство проводника препятствовать протеканию электроэнергии. Сопротивление зависит от материала проводника, его температуры, сечения и длины. 
3. Мощность. Превращение электричества, например, в тепловую энергию, называется работой тока. Эту работоспособность оценивают мощностью, которая есть не что иное, как расход энергии за 1 сек.

• В сети DC, имеющей только активные сопротивления, мощность является активной и вычисляется по формуле: Р = UI, ватт. Р характеризует бесполезные потери энергии, например, на нагрев проводника. 
• В сети AC на участках с индуктивными элементами возникает реактивная мощность Q. Она не расходуется необратимо, а лишь временно накапливается в магнитном поле и совершает колебания между источником питания и реактивной частью цепи. Определяется по формуле: Q=IUL вольт-ампер реактивных (вар). 
• Полная мощность для последовательной цепи AC вычисляется по выражению: S=UI, В*А.
• Переход электроэнергии в любой другой вид энергии, например в световую, механическую, тепловую, сопровождается лишь активной составляющей, реактивная считается бесполезной, а в некоторых ситуациях даже вредной.  

В чем еще отличие переменного тока от постоянного, кроме вышеперечисленного? В синусоидальной (переменной) цепи электроны сначала движутся вдоль провода в одну сторону, затем на момент останавливаются и движутся в обратном направлении. Такие колебания повторяются с определенной частотой. В энергосистеме Украины стандарт составляет 50 циклов в секунду, то есть I переменный имеет частоту 50 Герц. 

Вычисление постоянного и переменного тока

Постоянный ток (direct current, DC) в амперах можно вычислить по закону Ома для участка цепи: 

I=U/R.

Цепи переменного тока (alternating current, AC) имеют не только активные, но и индуктивные компоненты, тогда закон Ома обобщается, и расчетная формула содержит комплексные значения: 

I=U/Z, 

где Z — полное сопротивление, равное Z=√R2+X2.

Существует два вида alternating current: 1-фазный и 3-фазный. Трехфазный AC применяется для транспортировки э/э высокого напряжения. Когда он направляется в бытовую розетку, он превращается в одну фазу вместе с преобразованием напряжения.

Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки 

 DC имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества:

• отсутствует опережение или задержка current, протекающего к нагрузке, при включении в цепь, например, конденсатора;
• не вырабатывается реактивная мощность — вся э/э поступает к нагрузке без потерь;  
• обеспечивается возможность хранить электричество, например, в аккумуляторах.

Недостатки:

• значительные потери мощности при транспортировке э/э, особенно на большие расстояния;  
• постоянное напряжение сложнее преобразовывать — для передачи э/э необходимо сначала преобразовать ее в переменную форму, а потом снова в постоянную. По этой причине оборудование для преобразования DC напряжения дороже, чем оборудование для AC; 
• DC трудно прервать — к постоянному I всегда прикладывается постоянное U. При высоком напряжении в момент отключения может возникнуть дуга, при этом существует риск поражения электричеством;
• сильная коррозия проводов и изоляторов из-за электростатической индукции и электрической коррозии.

AC также имеет как преимущества, так и недостатки.

Преимущества:

• меньшие потери мощности при транспортировке на высоком напряжении, особенно при передаче э/э на большие расстояния, например, от электростанции в город;
• легко преобразовывать с помощью трансформаторов, что делает его более подходящим для электроснабжения бытовой и коммерческой инфраструктуры;
• легко выключается во время подачи э/э — напряжение мгновенно падает до нуля;
• можно использовать без учета разноименности полюсов (плюса и минуса) в бытовой электросети (розетке), что упрощает подключение и эксплуатацию устройств.

Недостатки:

• для транспортировки требуется более высокое напряжение, чем эксплуатационное;
• наличие потерь в виде реактивной мощности в результате воздействия катушек и конденсаторов — в итоге не вся э/э проходит через нагрузку, а некоторая мощность вырабатывается, просто путешествуя туда и обратно между нагрузкой и генератором;
• изоляцию и оборудование необходимо выбирать с учетом динамического и термического воздействия апериодической составляющей alternating current — его максимальное значение в √2 раза превышает рабочее;
• в AC направление тока постоянно меняется, поэтому когда в цепь включают конденсатор или катушку индуктивности, происходит задержка или опережение тока, протекающего к нагрузке, в зависимости от поведения напряжения.

Преобразование тока из постоянного в переменный

Рассмотрим преобразование DC в AC на примере работы солнечной электростанции. Солнечные панели генерируют постоянный электрический ток (DC) благодаря фотоэлектрической технологии. Для возможности потребления выработанной электроэнергии нагрузкой или подачи в энергосистему, необходимо преобразовать ее к параметрам промышленной, бытовой или общей электросети. Для преобразования DC на выходе солнечной панели или от аккумуляторной батареи в AC, на СЭС применяются инверторы. 

Современные инверторы способны организовать полноценный цикл работы солнечной электростанции, объединяя управление фотоэлектрическими модулями, аккумулятором, общей сетью и нагрузкой через себя. В итоге пользователь может рационально использовать солнечную энергию, программируя режимы потребления, аккумулирования и передачи перепроизводства э/э в общую сеть. 

Если у вас появились вопросы по производству, преобразованию и применению солнечной энергии, обращайтесь к специалистам Solar Garden.