Cтандартная частота переменного тока в России

Генерация электрической энергии в промышленных масштабах для обеспечения производственной деятельности и бытовых нужд населения осуществляется на электростанциях. Кинетическая энергия потока воды (гидроэлектростанции) или тепловая энергия от сгорания топлива (тепловые и атомные станции) приводит во вращение роторы генераторов. Передачу выработанной энергии до конечных точек потребления с наименьшими потерями и затратами удаётся производить с помощью переменного тока.

Что собой представляет электрический ток

Электрический ток — это согласованное движение заряженных частиц (электронов, ионов), возникающее при наличии электрического поля, которое создаётся внешним источником постоянного напряжения (аккумулятором или специальным блоком питания, преобразующим переменное напряжение в постоянное).

Основные сферы применения постоянного тока:

• Питание большинства приборов бытовой техники.
• Аккумуляторы и батареи, обеспечивающие индивидуальное питание приборов.
• Автомобильная электроника.
• Питание электромобилей (грузовых и легковых).
• Морские и речные суда, подводные лодки.
• Летательные аппараты.
• Трамваи, троллейбусы.

Чем переменный ток отличается от постоянного

Если с течением времени напряжение в цепи изменяется по величине и направлению, то и ток не будет оставаться стабильным, а примет характер переменного. В зарубежной научно-технической литературе применяется термин alternating current (AC), что означает «чередующийся ток», то есть, периодически меняющий свою полярность. Для постоянного тока используется обозначение DC (direct current).

Существенным признаком переменного тока является периодичность, то есть, циклическое воспроизведение направления и величины тока. Такие процессы в физике называются гармоническими колебаниями и хорошо моделируются синусоидальными (или косинусоидальными) функциями:

На картинке ниже показаны основные характеристики тока, периодически изменяющегося по гармоническому закону синуса. Именно такой переменный ток (ПТ) вырабатывается на электростанциях и передаётся к потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП).

Частота и другие параметры ПТ

Переменный синусоидальный ток имеет свойство через равные временные промежутки возвращаться к исходному значению. Это свойство называют периодичностью. Время, на протяжении которого происходит полный колебательный цикл, это период. Величина, равная обратному значению величины периода, именуется частотой ПТ:

Поскольку в системе СИ время измеряется в секундах, то размерность частоты будет с^-1. Для этой единицы введено именное название герц (Гц) в честь выдающегося немецкого физика Г. Герца (1857–1894 г. г.). Частота ПТ равна 1 Гц, если период тока Т равен 1 секунде, то есть, замкнутый цикл происходит в течение одной секунды. И тут, конечно, возникает вопрос, а чему равна стандартная частота переменного тока в России? Следует знать, что стандартная частота переменного тока в современной России равна 50 Гц.

Угловая частота ω связана с частотой f и периодом Т соотношением:

Кроме частоты и периода важной характеристикой ПТ является амплитуда тока, равная по модулю максимальному значению в верхней и нижней точках колебаний.

Как «добывают» ПТ

Физической основой для генерации переменного тока является эффект, обнаруженный английским учёным М. Фарадеем. Он заключается в том, что при прохождении через металлическую рамку изменяющегося магнитного потока образуется электродвижущая сила (ЭДС самоиндукции):

Картинка ниже иллюстрирует механизм воспроизводства переменного тока.

На концах вращающейся рамки имеются скользящие кольца, которые контактируют с фиксированными щётками «снимающими» с колец переменное напряжение (ЭДС). Работа современных генераторов на электростанциях основана на этом же принципе, но для получения максимальной мощности такие устройства представляют собой технологически сложный объект огромных размеров.

Почему переменный ток «победил» постоянный

Главное преимущество переменного перед постоянным током заключается в возможности относительно просто и эффективно организовать передачу энергии от электростанций на огромные расстояния. Максимальное расстояние, на которое удавалось транспортировать электричество от источников постоянного тока, составляло 1.5 км из-за больших потерь, связанных с падением напряжения при наличии активного сопротивления проводов.

На картинке ниже показана современная схема трансфера электрической энергии от электростанции, где она получена тем или иным способом, до конечного потребителя. ПТ даёт возможность повышать или понижать напряжение с помощью соответствующих трансформаторов, действие которых также основано на фундаментальном законе Фарадея.

Трехфазный ток

Для работы бытовой техники, обеспечения освещения и отопления достаточно использовать двухпроводную подачу напряжения, состоящую из фазового и нулевого проводника. Для функционирования технологических процессов на производстве используются трёхфазные электросети.

Питание от подстанций подаётся по четырём проводам (три фазы и ноль). Это не единственно возможный вариант реализации многофазных цепей, подающих синусоидальные ЭДС с одинаковой частотой. Но именно трёхфазный вариант (межфазовый сдвиг составляет 120 градусов или 2π/3) стал основным в системе передачи электроэнергии во всём мире, в том числе и на территории Российской Федерации.

Из схемы на картинке выше видно, что знакомое всем фазное напряжение величиной 220 В — это показание вольтметра между любой из фаз и нулевым проводом. Напряжение, измеренное между двумя фазами, составляет 380 В.

Следующие преимущества трёхфазных систем позволили им выделиться среди прочих многофазных систем:

• Возможность транспортировки электроэнергии на дальние расстояния без существенных потерь.
• Возможность использования 3-фазных трансформаторов в комплекте с кабелями, что позволяет снизить материалоёмкость по отношению к однофазному варианту.
• Сбалансированность энергосистемы.
• Наличие двух рабочих напряжений: 220 В — фазного и 380 В — линейного.

Одним из основных аргументов, повлиявших в пользу выбора ПТ в качестве основного для построения системы электроснабжения, стала возможность обеспечения работы асинхронных электродвигателей. Для развития номинальной мощности этих устройств необходимо 3-фазное напряжение. С помощью него возникает вращающееся магнитное поле, приводящее во вращательное движение ротор асинхронного двигателя. Этот вид двигателей проще в изготовлении и эксплуатации по сравнению с однофазными или любыми иными.

Первый патент на изобретение трёхфазного асинхронного двигателя получил наш соотечественник М. О. Доливо-Добровольский (1862-1919 г. г.).

Какая частота ПТ используется в США

Промышленная частота переменного тока в США составляет 60 Гц. На выбор такой частоты для сети в этой стране повлиял выдающийся инженер-изобретатель Никола Тесла, работавший в американской компании «Вестин-гауз». Приемлемые частоты лежали в диапазоне от 25 до 133 Гц. Н.Тесла настоял на выборе 60 Гц, аргументируя тем, что это число «красиво сочеталось» с системой исчисления временных интервалов (минута, час).

Европа «пошла своим путем», приняв за стандарт 50 Гц. Ток такой же промышленной частоты вырабатывают и электростанции РФ.

Действие электрического тока на человека

Электрический ток относится к факторам повышенного риска. Его действие на организм человека может вызвать травмы различного уровня вплоть до летального исхода. При контакте с источником тока тело человека становится элементом электрической цепи. Наш организм представляет собой сеть многочисленных сосудов, наполненных хорошо проводящей жидкостью. Измерения показывают, что активное сопротивление тела человека в среднем составляет 300–500 Ом. Для оценки ситуации принимают расчетную величину, равную 1.0 кОм.

По сравнению с постоянным напряжением переменный ток оказывается более опасным фактором риска. Он действует на сердечную мышцу человека, приводя её в состояние фибрилляции (аритмия, нарушение сердечного ритма). Такое происходит, если стандартная частота промышленного переменного тока в России равна 50 Гц. Но при переменном токе высокой частоты (больше 20 кГц) опасность поражения тела человека становится практически нулевой. Это связано с поверхностным эффектом, приводящим к тому, что электрический ток течет в тонком поверхностном слое кожи, не проникая и не поражая внутренние органы.

Сравнение действия на человеческий организм постоянного и переменного токов приведено в таблице.

Заключение

Вот мы и выяснили, какова частота промышленного переменного тока вырабатываемого электростанциями в США, Европе и России. Начало бурной электрификации на территории Европы пришлось на конец ХIХ начало ХХ века. Россия географически и политически была тесно связано с европейскими странами, что и обусловило выбор 50 Гц для промышленной частоты ПТ вместе с соседями по континенту.

Видео по теме