Prąd przemienny

Prąd przemienny - definicja i informacje teoretyczne

Prąd przemienny (ang. Alternating Current – AC) to szczególny rodzaj prądu okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne. Zmieniają się one z określoną częstotliwością i w sposób okresowy. Pożądanym parametrem jest również składowa stała o wartości zerowej. Najczęściej występuje pod postacią prądu o przebiegu sinusoidalnym.  Funkcjonalnie jest on często upraszczany do tego przypadku i w mowie technicznej określenie „prąd przemienny” jest rozumiane jako prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym. Wzory i inne wykresy  można znaleźć tutaj. W tym artykule zajmiemy się natomiast praktycznym wykorzystaniem prądu przemiennego.

Zastosowania codzienne

Prąd przemienny jest najbardziej powszechnym rodzajem prądu, z którym każdy człowiek ma styczność na co dzień. Najprostszym przykładem są jednofazowe gniazda elektryczne, które występują niemal w każdym budynku do którego doprowadzone jest zasilanie. „Dopływa” do nich właśnie prąd przemienny o stałych parametrach sieci (U = 230V, f=50Hz). Co za tym idzie, większość powszechnych odbiorników elektrycznych zasilanych jest tym typem prądu. Od telewizora w salonie po lodówkę w kuchni, każde z tych urządzeń korzysta z tego rodzaju energii.

Oczywiście występuje on nie tylko w gniazdach, zasila również m.in. źródła światła. Żarówka to jego tradycyjne źródło, dziś zastępowane przez nowoczesne, wykonane w technologii LED, pobiera moc podobnie do rezystorów. Przepływ prądu przez żarnik z drucika wolframowego powoduje wydzielenie się na nim mocy i gwałtowny wzrost temperatury, co wywołuje emisję światła. Co ciekawe, stanowi ono niewielki procent energii wytwarzanej przez żarówkę, a jej większość to energia cieplna. Jest więc możliwość zasilenia żarówki prądem przemiennym, podobnie jak elementów grzejnych, czy wszelkich innych odbiorników o charakterze oporowym. Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane w lutownicach, piecach elektrycznych czy grzałkach.

Jak wygląda prąd w gniazdku?

Jeżeli, po przeczytaniu pierwszej części artykułu, nie możesz jeszcze wyobrazić sobie jak wygląda prąd przemienny, to ta część jest dla Ciebie. Najłatwiej go sobie zwizualizować, analizując zmiany napięcia. Słynne 230V to tzw. wartość skuteczna, a jest ona równa wartością napięcia stałego, która w równym okresie czasu do przepływu prądu przemiennego, da taką samą moc, co badany sygnał zmienny. W praktyce oznacza to, że 50 razy na sekundę, zgodnie z częstotliwością sieci (50Hz), napięcie osiąga wartość szczytową wynoszącą 324V i spada do zera, by osiągnąć przeciwstawną, najniższą -324V. Te dynamiczne zmiany, przedstawione na przebiegu tworzą właśnie sinusoidę prądu przemiennego. Górny wierzchołek wykresu odpowiada za wartość najwyższą, a dolny za najniższą. Jeden przebieg liczymy od pierwszego „przejścia sinusoidy przez 0” do drugiego, a w ciągu sekundy następuje takich 50, jak łatwo policzyć pojedynczy okres trwa 0,02s.

Prąd przemienny w elektroenergetyce

Dla przemysłu elektrotechnicznego najważniejsza jest sinusoidalność przebiegów przemiennych. Wykorzystywana jest ona w jednej z kluczowych maszyn elektrycznych stosowanych do przetwarzania energii elektrycznej – transformatorze. To urządzenie zasilane napięciem zmiennym powoduje występowanie przemiennego prądu przepływającego przez uzwojenie pierwotne. W konsekwencji powstaje strumień magnetyczny przemienny, który płynie w rdzeniu transformatora. Gwarantuje on powstanie sinusoidalnego napięcia w uzwojeniu wtórnym, co przyczynia się do podania sinusoidalnego prądu na wyjściu transformatora. Jak wspomniano we wstępie artykułu, wielce niepożądana jest tutaj składowa stała, gdyż jest ona przyczyną podmagnesowania rdzenia, co prowadzi do zwiększenia strat na przemagnesowanie oraz asymetrię przebiegów czasowych; nawet mimo tego, że sama składowa stała ulega eliminacji. W przypadku układów elektronicznych (lub innych o niskiej mocy) niepożądany parametr redukuje się pojemnością, za pomocą włączonego szeregowo do obwodu kondensatora.

Dlaczego stosujemy prąd przemienny, a nie stały?

W historii elektryczności, jako pierwszy występował  prąd stały. Dlaczego zastąpiono go prądem przemiennym? Wpływ na to miała łatwość transformacji energii elektrycznej o przebiegu sinusoidalnym, a także ze względu na możliwość zastosowania prostych i tanich w budowie układów trójfazowych. Układy te pozwalają na uzyskanie wirującego pola magnetycznego, a na jego bazie działają silniki prądu przemiennego, w tym bardzo powszechne – indukcyjne. Są one dużo bardziej wydajne, a przede wszystkim mniej kosztowne w produkcji i eksploatacji od maszyn prądu stałego.

Prąd przemienny jest również łatwo przesłać na większe odległości, zarówno przy niskiej (duże natężenie prądu) jak i wysokiej wartości (niskie natężenie prądu, moc bez zmian przy transformacji) napięcia. Czym mniejsza wartość natężenia prądu, tym mniejsze są straty mocy na oporze przewodów, przez które on przepływa. Z tego powodu w sieciach przesyłowych ,stosowanych do przemieszczania znacznych mocy na dużą odległość, stosowane są najwyższe napięcia. Dla polskiego systemu energetycznego jest to 220-400kV.