Какой ток в автомобиле переменный или постоянный

Почему автомобильные генераторы вырабатывают переменный ток?

Вот почему автомобили используют генераторы переменного тока, хотя все устройства на борту работают от постоянного электричества

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что питает все системы вашего автомобиля? За счет чего заводится мотор, горят лампочки на приборной панели, движутся стрелки и работают бортовые компьютеры? Откуда берется электричество на борту? Конечно, их вырабатывает генератор и аккумулирует химический накопитель энергии многоразового действия – электрический аккумулятор. Это знают все. Скорее всего, вы также в курсе, что аккумуляторная батарея вырабатывает постоянный ток, который используется в любом автомобиле для запитывания приборов. Однако во всей этой стройной теории, проверенной практикой, присутствует одно странное звено, не желающее поддаваться логике, – генератор вырабатывает ток переменный, тогда как все механизмы на борту машины потребляют ток постоянный. Это не кажется вам странным? Почему так происходит?

 

На самом деле это интересный вопрос, потому что в этой истории на первый взгляд нет никакого смысла. Если все потребители электричества в вашем автомобиле работают на 12 вольтах постоянного тока, почему автопроизводители больше не используют генераторы, которые производят постоянный ток? Ведь раньше так и делали. Почему необходимо сперва сгенерировать переменный ток, а затем преобразовывать его в постоянное электричество?

 

Задавшись такого рода вопросами, мы начали докапываться до истины. Ведь есть же в этом какая-то тайная причина. И вот что мы выяснили.

 

Во-первых, давайте проясним, что мы подразумеваем под переменным и постоянным током. Автомобили используют постоянный ток, или прямой ток, как его еще называют. В названии скрыта суть феномена. Это тип электричества, который производится батареями, он течет в одном постоянном направлении. Этот же тип электричества производился генераторами, которые ставились на первые автомобили с начала 1900-х годов до 60-х годов прошлого века. На старушках ГАЗ М-20 «Победа» и ГАЗ-69 ставились именно генераторы постоянного тока.

 

Другой вид электричества – переменный ток – назван так из-за того, что он периодически обращает течение по направлению, а также изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным. Доступ к этому типу электричества можно получить в любой розетке обычной квартиры по всему миру. Мы используем его для питания электроприборов в частных домах, зданиях, огни больших городов также дают свет благодаря переменному току, потому что его легче передавать на большие расстояния.

 

Большая часть электроники, в том числе почти вся в вашем автомобиле, использует постоянный ток, преобразуя переменный ток в постоянный для выполнения полезной работы. В бытовых приборах установлены так называемые блоки питания, в которых происходит конвертация одного вида энергии в другой. Побочным результатом работы преобразования является немного тепла на выходе. Чем сложнее бытовая утварь, к примеру компьютер или Smart TV, тем сложнее цепочка преобразований. В некоторых случаях переменный ток частично не изменяется, а лишь корректируется его частота. Поэтому очень важно при замене вышедшего из строя блока питания заменять его на оригинальный, требуемого типа. Иначе технике наступит очень быстрый конец.

 

Но что-то мы отошли от главных вопросов, поставленных на повестку дня сегодня.

 

Итак, зачем в автомобилях вырабатывать «неправильный» вид электричества?

В общем, ответ очень прост: таков принцип работы генератора переменного тока. Наиболее высокий КПД при переводе механической энергии вращения двигателя в электрическую энергию происходит именно по такому принципу. Но есть нюансы.

 

Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:

При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение через блок щеток и контактные кольца.

Инициируется появление магнитного поля.

Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока.

Далее переменный ток отправляется на выпрямительный блок, где происходит его преобразование в постоянный ток.

Завершающая стадия «готовки» правильного тока – регулятор напряжения.

 

После всего процесса часть электричества запитывает электропотребители, часть идет на подзарядку аккумулятора, некоторая часть уходит обратно на щетки альтернатора (так когда-то называли генератор переменного тока) для самовозбуждения генератора.

 

Выше был описан принцип работы современного генератора переменного тока, но так было не всегда. Ранние автомобили с двигателями внутреннего сгорания использовали магнето – простейшее приспособление для преобразования механической энергии в электрическую (переменного тока). Внешне, да и внутренне, эти машинки были даже схожи с более поздними генераторами, но использовались на очень простых автомобильных электрических системах без батарей. Все было просто и безотказно. Не зря некоторые сохранившиеся до наших времен 90-летние автомобили заводятся до сих пор.

 

Индукторы (второе название магнето) впервые были разработаны человеком с неподражаемым именем – Ипполит Пикси.

 

Смотрите также: Сколько стоит зарядить электромобиль?

 

На данный момент мы с вами выяснили, что тип вырабатываемого генераторами тока зависит от продуктивности перевода механической энергии в электрическую, но также немаловажную роль во всей этой истории сыграло снижение массы и габаритов устройства по сравнению с аналогичными по мощности устройствами-производителями постоянного тока. Разница в весе и габаритах оказалась почти в три раза! Но есть еще один секрет, почему автомобильные генераторы сегодня вырабатывают переменный ток. Вкратце это более передовой эволюционный путь развития генераторов постоянного тока, которых, признаться честно, по сути, и не существовало в чистом виде.

 

Историческая справка:

Более того, генераторы постоянного тока на самом деле также производили переменный ток, когда якорь (подвижная часть) вращался внутри статора (внешний «корпус», который имеет постоянное магнитное поле). Разве что частота тока была иной и «сгладить» ее в постоянный ток можно было проще – при помощи коммутатора.

Коммутатором тогда называлось механическое приспособление с вращающимся цилиндром, поделенным на сегменты с щетками для создания электрического контакта.

 

Система работала, но была неидеальна. В ней было множество механических частей, контактные щетки быстро изнашивались, и общая надежность системы была так себе. Тем не менее это был лучший способ получить постоянный ток, который был нужен вам для зарядки аккумулятора и системы запуска автомобиля.

 

Так было до конца 1950-х годов, когда начала появляться твердотельная электроника, ставшая решением проблемы преобразования переменного тока в постоянный посредством кремниевых диодных выпрямителей.

Эти выпрямители тока (иногда называемые диодным мостом) показали себя с гораздо лучшей стороны в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что, в свою очередь, позволило использовать более простые, а значит, более надежные генераторы переменного тока в автомобилях.

 

Первым зарубежным автопроизводителем, который развил эту идею и вывел ее на рынок легковых автомобилей, был Chrysler, имевший опыт работы с выпрямителями и электронными регуляторами напряжения благодаря исследовательской работе, спонсируемой Министерством обороны США. В Википедии отмечается, что американская разработка «…повторяла разработку авторов из СССР», первая конструкция генератора переменного тока была представлена в Советском Союзе за шесть лет до этого. Единственным, но важным улучшением американцев стало применение кремниевых выпрямительных диодов вместо селеновых.

 

Смотрите также: Разряд автомобильного аккумулятора: причины и как его избежать

 

В СССР же, хоть и опоздали на 7 лет с введением в серию генераторов переменного тока на легковые автомобили, опередили весь мир в самой разработке новых типов генераторов. Еще в 1955 году на Горьковском автозаводе было выпущено 2.000 машин с альтернаторами вместо магнето.

 

«Одними из ведущих разработчиков, благодаря которым в СССР и на европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока, были Ю. А. Купеев (НИИ автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара)», – говорится на страницах Википедии.

 

Итог. Почему генераторы на авто вырабатывают переменный ток?

Ну, а мы завершаем наш рассказ. Первым легковым автомобилем, в базовой комплектации которого устанавливался генератор новой конструкции, стал Plymouth 1960 года выпуска. Некоторыми из наиболее очевидных преимуществ генератора было то, что на низкой скорости или на холостом ходу он по-прежнему производил достаточно тока, чтобы заряжать аккумулятор, что большинство генераторов того времени были не в состоянии сделать.

 

Оказалось, что альтернаторы, после того как был налажен массовый выпуск, производить дешевле, чем генераторы старой конструкции, они надежнее, выносливее и производят больше электричества на разных скоростях вращения коленчатого вала. Они сделали настолько большой шаг вперед, что все их плюсы запросто перекрывали единственный минус – они не могли производить постоянный ток. Позиция закрепилась после того, как инженерами был разработан дешевый и надежный твердотельный выпрямитель.

 

Видите? В конце концов, в этом есть смысл!

Переменный ток (AC) против постоянного тока (DC)

Громовой удар!

Откуда австралийская рок-группа AC / DC получила свое имя? Почему, переменный ток и постоянный ток, конечно! И переменный, и постоянный ток описывают типы протекания тока в цепи. В постоянного тока (DC) электрический заряд (ток) течет только в одном направлении. Электрический заряд переменного тока (AC), с другой стороны, периодически меняет направление.Напряжение в цепях переменного тока также периодически меняется на обратное, поскольку ток меняет направление.

Большая часть цифровой электроники, которую вы строите, будет использовать DC. Тем не менее, важно понимать некоторые концепции переменного тока. Большинство домов подключены к сети переменного тока, поэтому, если вы планируете подключить проект музыкальной шкатулки Tardis к розетке, вам потребуется преобразовать переменный ток в постоянный. AC также имеет некоторые полезные свойства, такие как возможность преобразования уровней напряжения с помощью одного компонента (трансформатора), поэтому AC был выбран в качестве основного средства передачи электроэнергии на большие расстояния.

Что вы выучите

• История AC и DC
• Различные способы генерации переменного и постоянного тока
• Некоторые примеры применения переменного и постоянного тока

Рекомендуемое чтение

и

и

переменного тока (AC)

Переменный ток описывает поток заряда, который периодически меняет направление. В результате уровень напряжения также изменяется вместе с током.Переменный ток используется для подачи электроэнергии в дома, офисные здания и т. Д.

Генерация переменного тока

AC может быть произведен с использованием устройства, называемого генератором переменного тока. Это устройство представляет собой особый тип электрического генератора, предназначенный для выработки переменного тока.

Петля провода вращается внутри магнитного поля, которое индуцирует ток вдоль провода. Вращение проволоки может происходить из любого количества средств: ветряная турбина, паровая турбина, проточная вода и так далее. Поскольку провод вращается и периодически входит в другую магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются.Вот короткая анимация, показывающая этот принцип:

(Видео: Хуррам Танвир)

Генерация переменного тока можно сравнить с нашей предыдущей водной аналогией:

Для генерации переменного тока в наборе водопроводных труб мы подключаем механический кривошип к поршню, который перемещает воду в трубах взад-вперед (наш «переменный» ток). Обратите внимание, что защемленный участок трубы по-прежнему обеспечивает сопротивление потоку воды независимо от направления потока.

Осциллограммы

Переменный ток

может иметь различные формы, если напряжение и ток чередуются. Если мы подключим осциллограф к цепи с переменным током и построим график его напряжения с течением времени, мы можем увидеть несколько различных форм сигнала. Наиболее распространенным типом переменного тока является синусоида. В большинстве домов и офисов переменный ток имеет колебательное напряжение, которое создает синусоидальную волну.

Другие распространенные формы переменного тока включают прямоугольную волну и треугольную волну:

Прямоугольные волны

часто используются в цифровой и коммутационной электронике для проверки их работы.

Треугольные волны найдены в синтезе звука и полезны для тестирования линейной электроники, такой как усилители.

Описание синусоиды

Мы часто хотим описать форму волны переменного тока в математических терминах. Для этого примера мы будем использовать синусоидальную волну. Синусоидальная волна состоит из трех частей: амплитуды , частоты и фазы.

Рассматривая только напряжение, мы можем описать синусоидальную волну как математическую функцию:

В (т) - это наше напряжение как функция времени, что означает, что наше напряжение меняется со временем.Уравнение справа от знака равенства описывает, как напряжение меняется со временем.

V _P является амплитудой . Это описывает максимальное напряжение, которого может достичь наша синусоидальная волна в любом направлении, означая, что наше напряжение может быть + V _P вольт, -V _P вольт или где-то посередине.

Функция sin () показывает, что наше напряжение будет в форме периодической синусоидальной волны, которая представляет собой плавное колебание около 0В.

2π - это константа, которая преобразует частоту из циклов (в герцах) в угловую частоту (радианы в секунду).

f описывает частоту синусоидальной волны. Это дано в виде герц или единиц в секунду . Частота показывает, сколько раз конкретная форма волны (в данном случае один цикл нашей синусоидальной волны - взлет и падение) происходит в течение одной секунды.

т - наша независимая переменная: время (измеряется в секундах).С течением времени наша форма волны меняется.

φ описывает фазу синусоидальной волны. Фаза - это мера смещения формы волны относительно времени. Он часто задается числом от 0 до 360 и измеряется в градусах. Из-за периодической природы синусоидальной волны, если форма волны смещена на 360 °, она снова становится той же самой формой волны, как если бы она была смещена на 0 °. Для простоты предположим, что фаза равна 0 ° для остальной части этого урока.

Мы можем обратиться к нашей надежной розетке за хорошим примером того, как работает форма сигнала переменного тока. В Соединенных Штатах мощность, подаваемая в наши дома, составляет около 170 В переменного тока от нуля до пика (амплитуда) и 60 Гц (частота). Мы можем вставить эти числа в нашу формулу, чтобы получить уравнение (помните, что мы предполагаем, что наша фаза равна 0):

Мы можем использовать наш удобный графический калькулятор для построения графика этого уравнения. Если нет графического калькулятора, мы можем использовать бесплатную онлайн-программу для построения графиков, такую ​​как Desmos (обратите внимание, что вам может потребоваться использовать «y» вместо «v» в уравнении, чтобы увидеть график).

Обратите внимание, что, как мы и предсказывали, напряжение периодически увеличивается до 170 В и до -170 В. Кроме того, 60 циклов синусоиды происходит каждую секунду. Если бы мы измеряли напряжение в наших розетках с помощью осциллографа, это то, что мы увидели бы ( ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: не пытайтесь измерять напряжение в розетке с помощью осциллографа! Это может повредить оборудование).

ПРИМЕЧАНИЕ: Возможно, вы слышали, что переменное напряжение в США составляет 120 В.Это тоже правильно. Как? Когда речь идет о переменном токе (поскольку напряжение постоянно меняется), часто проще использовать среднее или среднее значение. Для этого мы используем метод под названием «Среднеквадратичное значение». (RMS). Часто полезно использовать среднеквадратичное значение для переменного тока, когда вы хотите рассчитать электрическую мощность. Несмотря на то, что в нашем примере напряжение варьировалось от -170 В до 170 В, среднеквадратичное значение составляет 120 В RMS.

Приложения

Дом и офис розетки почти всегда в сети переменного тока. Это связано с тем, что генерация и транспортировка переменного тока на большие расстояния относительно проста.При высоких напряжениях (более 110 кВ) при передаче электроэнергии теряется меньше энергии. Более высокие напряжения означают более низкие токи, а более низкие токи означают меньшее количество тепла, генерируемого в линии электропередачи из-за сопротивления. Переменный ток может быть преобразован в и из высокого напряжения легко с помощью трансформаторов.

AC также способен питать электродвигатели. Двигатели и генераторы - это одно и то же устройство, но двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую энергию (если вал двигателя вращается, на клеммах генерируется напряжение!).Это полезно для многих крупных приборов, таких как посудомоечные машины, холодильники и т. Д., Которые работают от сети переменного тока.

постоянного тока (постоянного тока)

Постоянный ток немного легче понять, чем переменный ток. Вместо того, чтобы колебаться взад и вперед, постоянный ток обеспечивает постоянное напряжение или ток.

Генерация DC

DC может быть сгенерирован несколькими способами:

• Генератор переменного тока, оборудованный устройством, называемым «коммутатор», может производить постоянный ток
• Использование устройства под названием «выпрямитель», который преобразует переменный ток в постоянный
• Батареи обеспечивают постоянный ток, который генерируется в результате химической реакции внутри батареи

Используя нашу аналогию с водой снова, DC похож на резервуар с водой со шлангом на конце.

Бак может выталкивать воду только одним способом: из шланга. Подобно нашей батарее, производящей постоянный ток, когда бак опустошен, вода больше не течет по трубам.

Описание DC

DC определяется как «однонаправленный» поток тока; ток течет только в одном направлении. Напряжение и ток могут меняться со временем, пока направление потока не изменится. Для упрощения предположим, что напряжение является постоянным. Например, мы предполагаем, что батарея АА обеспечивает 1.5V, который можно описать в математических терминах как:

Если мы построим график с течением времени, мы увидим постоянное напряжение:

Что это значит? Это означает, что мы можем рассчитывать на большинство источников постоянного тока для обеспечения постоянного напряжения во времени. В действительности батарея будет постепенно терять заряд, а это означает, что напряжение будет падать при использовании батареи. Для большинства целей мы можем предположить, что напряжение является постоянным.

Приложения

Почти все проекты в области электроники и запчасти для продажи на SparkFun работают на DC.Все, что работает от батареи, подключается к стене с помощью адаптера переменного тока или использует кабель USB для питания, зависит от постоянного тока. Примеры электроники постоянного тока включают в себя:

• Сотовые телефоны
• Рукавица для игры в кости D & D на основе LilyPad
• Телевизоры с плоским экраном (переменный ток входит в телевизор, который преобразован в постоянный ток)
• Фонари
• Гибридные и электромобили

Битва течений

Почти каждый дом и бизнес подключены к сети переменного тока.Тем не менее, это не было решением в одночасье. В конце 1880-х годов множество изобретений в Соединенных Штатах и ​​Европе привело к полномасштабной битве между переменным током и распределением постоянного тока.

В 1886 году электрическая компания Ganz Works, расположенная в Будапеште, электрифицировала весь Рим с помощью переменного тока. Томас Эдисон, с другой стороны, построил 121 электростанцию ​​постоянного тока в Соединенных Штатах к 1887 году. Переломным моментом в этой битве стало то, что Джордж Вестингауз, известный промышленник из Питтсбурга, приобрел патенты Николы Теслы на двигатели переменного тока и трансмиссию в следующем году. ,

AC против DC

Томас Эдисон (Изображение предоставлено biography.com)

В конце 1800-х годов постоянный ток не мог быть легко преобразован в высокое напряжение. В результате Эдисон предложил систему небольших локальных электростанций, которые будут питать отдельные районы или городские районы. Питание распределялось по трем проводам от силовой установки: +110 вольт, 0 вольт и -110 вольт. Фары и двигатели могут быть подключены между розеткой + 110 В или 110 В и 0 В (нейтраль).110 В допускало некоторое падение напряжения между установкой и нагрузкой (дома, в офисе и т. Д.).

Несмотря на то, что падение напряжения на линиях электропередачи было учтено, электростанции должны были находиться в пределах 1 мили от конечного пользователя. Это ограничение сделало распределение электроэнергии в сельской местности чрезвычайно трудным, если не невозможным.

Получив патенты Tesla, Westinghouse разработала систему распределения переменного тока. Трансформаторы предоставили недорогой метод повышения напряжения переменного тока до нескольких тысяч вольт и снижения до приемлемых уровней.При более высоких напряжениях одна и та же мощность может передаваться при гораздо более низком токе, что означает меньшую потерю мощности из-за сопротивления в проводах. В результате крупные электростанции могут быть расположены за много миль и обслуживать большее количество людей и зданий.

Кампания Эдисона Мазка

В течение следующих нескольких лет Эдисон провел кампанию, направленную на то, чтобы не поощрять использование AC в Соединенных Штатах, включая лоббирование в законодательных органах штатов и распространение дезинформации о AC. Эдисон также поручил нескольким техническим специалистам публично казнить животных с электрическим током, пытаясь показать, что он более опасен, чем постоянный ток.В попытке показать эти опасности Гарольд П. Браун и Артур Кеннелли, сотрудники Edison, разработали первый электрический стул для штата Нью-Йорк с использованием переменного тока.

Восстание AC

В 1891 году во Франкфурте, Германия, состоялась Международная электротехническая выставка, на которой была представлена ​​первая междугородная трансмиссия трехфазного переменного тока, которая питала фары и двигатели на выставке. Несколько представителей от того, что станет General Electric, присутствовали и были впоследствии впечатлены показом.В следующем году General Electric сформировалась и начала инвестировать в технологию переменного тока.

Электростанция Эдварда Дина Адамса на Ниагарском водопаде, 1896 г. (Изображение предоставлено teslasociety.com)

Westinghouse выиграл контракт в 1893 году на строительство гидроэлектростанции для использования энергии Ниагарского водопада и передачи переменного тока в Буффало, штат Нью-Йорк. Проект был завершен 16 ноября 1896 года, и в Буффало началось производство электроэнергии переменного тока. Эта веха ознаменовала снижение DC в Соединенных Штатах.В то время как в Европе будет принят стандарт переменного тока 220-240 В при частоте 50 Гц, в Северной Америке стандарт станет 120 В при частоте 60 Гц.

Высоковольтный постоянный ток (HVDC)

Швейцарский инженер Рене Тьюри использовал серию мотор-генераторов для создания высоковольтной системы постоянного тока в 1880-х годах, которая могла использоваться для передачи энергии постоянного тока на большие расстояния. Тем не менее, из-за высокой стоимости и обслуживания систем Thury, HVDC никогда не был принят в течение почти столетия.

С изобретением полупроводниковой электроники в 1970-х годах экономическое преобразование между переменным и постоянным током стало возможным.Специализированное оборудование может быть использовано для выработки постоянного напряжения высокого напряжения (некоторые достигают 800 кВ). В некоторых частях Европы начали использовать линии HVDC для электрического соединения различных стран.

Линии

HVDC испытывают меньшие потери, чем эквивалентные линии переменного тока на очень больших расстояниях. Кроме того, HVDC позволяет подключать различные системы переменного тока (например, 50 Гц и 60 Гц). Несмотря на свои преимущества, системы HVDC являются более дорогостоящими и менее надежными, чем обычные системы переменного тока.

В конце концов, Эдисон, Тесла и Вестингауз могут осуществить свои желания.AC и DC могут сосуществовать, и каждый служит определенной цели.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь вы должны хорошо понимать разницу между переменным и постоянным током. Переменный ток легче преобразовать между уровнями напряжения, что делает передачу высокого напряжения более осуществимой. DC, с другой стороны, встречается почти во всей электронике. Вы должны знать, что оба не очень хорошо смешиваются, и вам нужно будет преобразовать переменный ток в постоянный, если вы хотите подключить большую часть электроники к настенной розетке.С этим пониманием вы должны быть готовы к решению некоторых более сложных схем и концепций, даже если они содержат переменный ток.

Взгляните на следующие уроки, когда вы будете готовы углубиться в мир электроники:

и

,[an error occurred while processing the directive]