Střídavý proud

Z Multimediaexpo.cz

Střídavý proud, též AC (alternating current), je termín označující elektrický proud, jehož směr se periodicky střídá (na rozdíl od stejnosměrného proudu). Například při běžné síťové frekvenci 50 Hz se směr proudu změní každých 10 milisekund. O střídavém proudu nejčastěji mluvíme v energetických (tj. silových) rozvodech. Když mluvíme o silových obvodech střídavého proudu, často máme na mysli spíše obvody, které jsou napojené na síť ve které je konstantní harmonické střídavé napětí (proud závisí na zátěži, která bývá v čase proměnná).

Obsah

Průběh střídavého proudu

Ideálním průběhem střídavého proudu je tzv. harmonický střídavý proud. Okamžitá hodnota harmonického střídavého proudu se v čase mění podle funkce sinus.:

\(i(t) = I_m \cdot \sin (\omega t + \phi _0 + \phi)\),

Harmonický střídavý proud obvykle vzniká na lineární zátěži (odpor, indukčnost, kapacita) při přiložení harmonického střídavého napětí:

\(u(t) = U_m \cdot \sin (\omega t + \phi _0)\),

kde Im je amplituda střídavého proudu, Um amplituda střídavého napětí, ω je úhlová frekvence, φ0 je počáteční fáze střídavého napětí, φ je fázový posuv mezi napětím a proudem (často se zkráceně mluví o fázi). Střídavý proud nebo napětí nemají vždy sinusový průběh, mohou mít např. trojúhelníkový, pilový, obdélníkový, impulsní průběh apod. Při harmonickém napětí používaném v elektrorozvodných sítích je však nejlepší, když má napětí i proud harmonický průběh.

Obvody střídavého proudu a napětí

Pokud v konstantním magnetickém poli rovnoměrně otáčíme cívkou (osa otáčení je kolmá na osu cívky i na siločáry pole), pak se na jejích vývodech indukuje harmonické střídavé napětí. Pokud předpokládáme pasivní lineární zátěž, pak střídavý proud a střídavé napětí v jednom obvodu mají stejnou frekvenci, ale podle charakteru zátěže má proud vůči napětí různý fázový posuv. Na součástkách s kapacitou (kondenzátor) má proud proti napětí fázový předstih, na součástkách s indukčností (cívka) má proud proti napětí fázové zpoždění (viz též RLC obvody). Součástky pouze s elektrickým odporem (rezistor) nevytvářejí žádný fázový posuv - napětí a proud jsou ve fázi. Lineární zátěž je ve střídavém obvodu charakterizována svou impedancí. Velikost impedance závisí vedle rezistence též na zdánlivých odporech (induktivní reaktanci, kapacitní reaktanci) jednotlivých součástek proti průchodu střídavého proudu.

Velikost střídavých veličin

Velikost obecných střídavých napětí a proudů není v obecném případě jednoznačně určitelná, protože není možné jedním číslem charakterizovat celý průběh, který obecně nemusí být a nebývá harmonický. V silových obvodech pod pojmem velikost napětí nebo proudu většinou rozumíme jeho efektivní hodnotu, avšak z hlediska účinku napětí či proudu může být v mnoha situacích důležitá také maximální hodnota, střední absolutní hodnota, nebo velikost základní harmonické jeho průběhu.

  • Umax je špičkové napětí. U harmonického průběhu se vyskytuje v 1/4 periody a ve 3/4 periody. V zásuvce je Umax asi 325 V.
  • Imax je špičkový proud.
  • Uef je efektivní hodnota napětí, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako U. Efektivní hodnota je definována jako velikost stejnosměrného napětí, které by na rezistoru vyvolalo stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce napětí za jednu nebo více půlperiod. V Evropě je zásuvce napětí Uef rovno 230 Volt. Platí, že:

U = 1/√2 . U_max = 0,7072 Umax Umax = √2 . U = 1,4142 U

  • Obdobně Ief je efektivní hodnota proudu, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako I. Efektivní hodnota je definována jako velikost stejnosměrného proudu, který by při průchodu rezistorem vyvolal stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce proudu za jednu nebo více půlperiod.
  • Ustř - střední absolutní hodnota napětí - se většinou neudává, protože nemá takové praktické využití. Je to střední hodnota absolutních hodnot napětí:

\( U_{str} = \frac{1}{T} \int_{t}^{t+T} |u(\tau)| \mathrm{d}\tau \)

Matematicky jde o takové napětí, které má za periodu stejnou plochu pod křivkou jako studovaný průběh. Střední hodnota je vlastně napětí naměření stejnosměrným voltmetrem, za předpokladu usměrnění např. Grätzovým můstkem. Některé elektromechanické měřicí přístroje proto měří místo Uef hodnotu Ustř a pak ji násobí konstantou 1,1107. To může být zdrojem systematických chyb při měření neharmonických průběhů. Vztah Ustř k ostatním napětím:

Ustř = 2 Umax / π = 0,6366 Umax

Umax = π . U_stř / 2 = 1,5708 Ustř Ustř = √8 U / π = 0,9003 U

U = π . U_stř / √8 = 1,1107 Ustř

  • k výše uvedeným přepočtům je třeba poznamenat, že jsou přesné pouze za předpokladu, že veličina má nezkreslený sinusový průběh, což v praxi nemusí zvláště u odebíraných proudů vůbec platit.

Výkon střídavého proudu

Kvůli neustále se měnící okamžité hodnotě střídavého proudu a napětí se mění také elektrický výkon. Průměrný elektrický výkon střídavého proudu lze vypočítat:

\(P = U \cdot I \cdot \cos \phi\),

kde U a I jsou efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí, φ je fázový posuv mezi proudem a napětím, člen cos φ se nazývá účiník. Pozor platí pouze u sinových průběhů! Efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí jsou hodnoty takového stejnosměrného proudu a napětí, jehož výkon by byl stejný jako je výkon daného střídavého proudu a napětí. Velikost efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí s harmonickým průběhem je

\(I_{ef} = \frac {\sqrt{2}}{2} I_m \approx 0{,}707 \cdot I_m\),
\(U_{ef} = \frac {\sqrt{2}}{2} U_m \approx 0{,}707 \cdot U_m\),

kde Im je amplituda střídavého proudu a Um je amplituda střídavého napětí.

Výroba střídavého proudu

Střídavý proud vzniká elektromagnetickou indukcí v generátoru, nazývaném alternátor. Frekvence otáčení rotoru v generátoru určuje frekvenci střídavého proudu. Jestliže se otáčení rotoru děje se stálou úhlovou rychlostí, pak vzniklý střídavý proud má harmonický průběh.

Trojfázová soustava

Střídavý elektrický proud se vyrábí pomocí synchronních generátorů (alternátorů), které obsahují u dvoupólových strojů tři cívky navzájem otočené o 120 stupňů. Střídavé napětí, vznikající v takovém generátoru se nazývá trojfázové napětí nebo také třífázové napětí. Cívky generátoru mohou být zapojeny do hvězdy nebo trojúhelníka, takže generátor má pak tři vývody, které nazýváme fáze. Každá ze tří fází má průběh napětí proti sousedním fázím fázově posunut o 120 stupňů elektrických. Všechny alternátory veřejné elektrické sítě pracují navzájem synchronně s jmenovitou frekvencí 50 Hz v Evropě nebo 60 Hz v USA. Při zapojení cívek do hvězdy vznikne kromě tří fází ještě vodič s nulovým elektrickým potenciálem, který se nazývá střední pracovní vodič (v žargonu nulák, jedná se o tzv.střed sítě). Elektrické napětí mezi středním pracovním vodičem a druhou svorkou cívky se nazývá fázové napětí, okamžité napětí měřené mezi dvěma libovolnými fázemi (vzniklé díky vzájemnému fázovému posunu o 120 stupňů) se nazývá sdružené napětí případně mezifázové napětí. Pro harmonický průběh platí::\(U_s = 2 U_f \cdot \sin \frac{\pi}{3} \approx 1{,}73 \cdot U_f\). Velkou výhodou třífázové soustavy je, že při lineární a symetrické (tj. ve všech třech fázích stejné) zátěži je z generátoru v každém okamžiku periody odebírán konstantní výkon, takže na něm nevznikají momentové rázy.

Výhody a nevýhody použití harmonických střídavých napětí a proudů

Střídavý proud se používá kvůli snadnější výrobě v elektrárnách, dálkovému přenosu a v neposlední řadě kvůli snadnějšímu vypínání. Snížení přenosových ztrát se dosahuje především transformací elektrického napětí na vysoké napětí a nízký proud, čímž se snižují provozní ztráty vzniklé vlivem zahříváním elektrického vedení. Vyšší střídavé napětí přináší také pořizovací úspory na průřezech vodičů, tedy především na mědi, a následných lehčích nosných konstrukcích vedení i dalších zařízení. Transformace napětí se zařizují pomocí elektrických transformátorů napětí.

Výhody střídavého proudu

Zásadní výhodou střídavého proudu je, ve srovnání se stejnosměrným proudem, jeho jednodušší průmyslová výroba a distribuce:

  • jednoduché (skokově přepínané) zvyšování a snižování napětí pomocí transformátorů.
  • vzhledem k tomu, že proud prochází nulou každou půlperiodu, vycházejí přístroje určené k vypínání (vypínače a stykače) a ochraně (pojistky, jističe a chrániče) silových obvodů střídavého proudu konstrukčně mnohem menší.
  • generátory střídavého proudu, narozdíl od stejnosměrných dynam, nepoužívají komutátory (mechanické střídače), takže jsou jednodušší z hlediska výroby i údržby.

V oblasti distribuce se ale stejnosměrý proud výjimečně používá také, a sice pro masivní dálkové vedení 750 kV odlehlými a nepřístupnými oblastmi divočiny, kde je pak potřeba jen jediný vodič.

Nevýhody střídavého proudu

Hlavní nevýhodami střídavého proudu, ve srovnání se stejnosměrným, jsou:

Použití střídavého proudu

Střídavý proud (v Evropě o frekvenci 50 Hz a v Severní Americe o frekvenci 60 Hz) se používá v běžných domácích elektrických spotřebičích (žárovka, zářivka, spotřebiče používající elektromotor, elektrická topidla apod.). V převážné většině spotřebičů spotřební elektroniky (počítač, televizor, rádio apod.) se používá nižší stejnosměrné napětí, které se typicky vyrábí pomocí spínaného zdroje. Tyto spotřebiče tedy mohou být alternativně napájeny z jiných zdrojů stejnosměrného napětí, jako jsou (auto)baterie, suché články apod. Pro použití v domácnostech se velmi vysoké napětí snižuje v rozvodnách a transformovnách na vysoké napětí, to se pak dále snižuje v uličních elektrotransformátorech na efektivní hodnotu fázového napětí 230 V. V bytovém rozvodu je obvykle vytvořeno několik navzájem nezávislých napájecích okruhů (zásuvky, světla, elektrický sporák, automatická pračka). Každý z těchto okruhů bývá připojen z důvodů rovnoměrnějšího zatížení k jiné fázi rozvodné sítě. Pro silnější elektromotory se používá sdružené mezifázové resp. třífázové napětí 400 voltů resp 0,4 kilovoltů  V Severní Americe se v domácnostech používá elektrický rozvod o napětí 120 V a frekvenci 60 Hz Zvláštní kapitolu tvoří speciální typy trakčního napájení v dopravě, kde kromě stejnosměrného napájení trakčních vozidel (lokomotiv, trolejbusů, vozů metra či tramvají) se používá běžná frekvence 50 Hz ve speciálním zapojení. Některých zemí např. Německo, Rakousko a Švýcarsko železnice používá třetinový kmitočet 16 a 2/3 Hz (tedy 16,7 Hz). Další typy speciálního použití střídavého proudu bychom mohli najít v průmyslu, kupř. v hutnictví se běžně používají obloukové pece s běžnou frekvencí 50 Hz (což bývají jedny z největších spotřebičů zapojených do sítě vůbec). Početně nejvýznamnější a nejsilnější skupinu elektrospotřebičů v průmyslu ale tvoří třífázové asynchronní motory, které v převážné míře pohání naprostou většinu běžných průmyslových strojních mechanismů. Střídavý proud je používán i v palubních sítích některých dopravních prostředků (letadla, lodě). V těchto případech je obvykle používán střídavý proud s vyšší frekvencí (typicky 400 Hz) pro snížení ztrát a zmenšení rozměrů a hmotnosti transformátorů.

Označení střídavého proudu

Ve schématech elektrických obvodů se střídavý proud označuje vlnovkou ~. Anglická zkratka střídavého proudu je AC (alternating current).

Související články

Externí odkazy

Citováno z „http://ww.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/St%C5%99%C3%ADdav%C3%BD_proud“