|
#PŘESMĚRUJ [[Elektrický proud#Střídavý proud]]
[[Soubor:Alternating current on a 'scope.png|náhled|Křivka střídavého proudu ]]
'''Střídavý proud''', též '''AC''' (z angl. ''alternating current''), symbol ∿, je termín označující [[elektrický proud]], jehož směr se v čase mění<ref name="Radio">{{Citace monografie
| příjmení = Nečásek
| jméno = Sláva
| titul = Radiotechnika do kapsy
| vydavatel = SNTL
| místo = Praha 1
| rok = 1981
| kapitola = Základní elektrotechnické vztahy
| strany = 16
}}</ref>, na rozdíl od [[Stejnosměrný proud|stejnosměrného proudu]] DC (''direct current''), který protéká obvodem stále stejným směrem, i když jeho velikost může být proměnná.
== Průběh střídavého proudu ==
Střídavý proud může mít periodický nebo neperiodický průběh.
* periodický průběh – okamžité hodnoty proudu se po určité době, označované jako perioda, znovu opakují (například proud v rozvodné síti)
* neperiodický průběh – hodnoty okamžitého proudu jsou v čase náhodné (takový charakter má například šum, nebo záznam lidské řeči)
Speciálním případem střídavého proudu s periodickým průběhem je tzv. '''harmonický střídavý proud'''. Okamžitá hodnota harmonického střídavého proudu se v čase mění podle funkce [[sinus]]:
:<math>i(t) = I_m \cdot \sin (\omega t + \varphi _0)</math>,
Harmonický střídavý proud prochází obvodem s lineární zátěží (odpor, indukčnost, kapacita) při napájení ze zdroje harmonického střídavého napětí:
:<math>u(t) = U_m \cdot \sin (\omega t + \varphi _0 + \varphi)</math>,
kde ''I<sub>m</sub>'' je [[amplituda]] střídavého proudu, ''U<sub>m</sub>'' amplituda střídavého napětí, ''ω'' je [[úhlová frekvence]], ''φ''<sub>0</sub> je počáteční [[fáze (vlna)|fáze]] střídavého napětí, ''φ'' je fázový posuv mezi napětím a proudem (často se zkráceně mluví o fázi).
Střídavý proud může mít libovolný obecný průběh např. trojúhelníkový, pilový, obdélníkový, impulsní apod., ale každý periodický střídavý signál můžeme pomocí [[Fourierova transformace|Fourierovy transformace]] převést na řadu harmonických sinusových signálů, to znamená že můžeme na tento průběh pohlížet jako na součet sinusových průběhů o různých frekvencích a amplitudách.
=== 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 [[elektrický obvod|obvodu]] mají ''stejnou frekvenci'', ale podle charakteru zátěže má proud vůči napětí různý [[fáze (vlna)|fázový posuv]]. Na [[elektrotechnická součástka|součástkách]] s [[elektrická kapacita|kapacitou]] ([[kondenzátor]]) má proud proti napětí fázový předstih, na součástkách s [[indukčnost]]í ([[cívka]]) má proud proti napětí fázové zpoždění (viz též [[obvod RLC|RLC obvody]]). Součástky pouze s [[elektrický odpor|elektrickým odporem]] ([[rezistor]]) nevytvářejí žádný fázový posuv – napětí a proud jsou ve [[Fáze (vlna)|fázi]].
Lineární zátěž je ve střídavém obvodu charakterizována svou [[impedance|impedancí]]. Velikost impedance závisí vedle [[elektrický odpor|rezistence]] též na zdánlivých odporech ([[Induktance|induktivní reaktanci]], [[Kapacitance|kapacitní reaktanci]]) jednotlivých součástek proti průchodu střídavého proudu.
=== Velikost střídavých veličin ===
Velikost střídavého proudu je obtížné vyjádřit jediným číslem, protože jeho hodnota se neustále mění v čase. Proto zavádíme několik různých odlišně definovaných hodnot:
* '''I<sub>max</sub>''' je '''špičkový''' proud, nejvyšší hodnota proudu, která se v daném průběhu vyskytuje
* '''I''''''<sub>ef</sub>''' je '''[[efektivní hodnota]]''' proudu, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji udávanou hodnotu. Pokud není specifikováno o jakou hodnotu se jedná, je myšlena hodnota efektivní. Efektivní hodnota je definována jako velikost [[stejnosměrný proud|stejnosměrného]] proudu, který by při průchodu rezistorem vyvolal stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o [[kvadratický průměr]] hodnot uceleného počtu period. Pro sinusový průběh platí tyto vztahy:
<center>
I<sub>ef</sub> = 1/√2 . I<sub>max</sub> ≈ 0,7072. I<sub>max</sub>
I<sub>max</sub> = √2 . I<sub>ef</sub> ≈ 1,4142. I<sub>ef</sub>
</center>
* '''I<sub>stř</sub>''' – '''střední absolutní hodnota''' proudu. Je to [[střední hodnota]] absolutních hodnot proudu:
<center>
<math>
I_{str} = \frac{1}{T} \int_{t}^{t+T} |i(\tau)| \mathrm{d}\tau
</math>
</center>
Jde o hodnotu ustáleného stejnosměrného proudu, při které projde vodičem za jednu periodu stejný [[elektrický náboj]] jako u proudu střídavého (uvažují se zde ovšem absolutní hodnoty). Střední hodnota je vlastně proud naměřený stejnosměrným ampérmetrem, za předpokladu dvoucestného [[usměrňovač|usměrnění]] např. Grätzovým můstkem. Některé levnější měřicí přístroje proto měří místo I<sub>ef</sub> hodnotu I<sub>stř</sub> , což je mnohem jednodušší, a pak ji násobí konstantou 1,1107. To může být zdrojem systematických chyb při měření neharmonických průběhů. Přístroje umožňující měřit skutečnou efektivní hodnotu libovolných střídavých průběhů se pak označuji '''true RMS'''.Vztah I<sub>stř</sub> k ostatním napětím:
<center>
I<sub>stř</sub> = 2 I<sub>max</sub> / π = 0,6366 I<sub>max</sub>
I<sub>max</sub> = π . I<sub>stř</sub> / 2 = 1,5708 I<sub>stř</sub>
I<sub>stř</sub> = √8 I<sub>ef</sub> / π = 0,9003 I<sub>ef</sub>
I<sub>ef</sub> = π . I<sub>stř</sub> / √8 = 1,1107 I<sub>stř</sub>
</center>
=== Výkon střídavého proudu ===
Kvůli neustále se měnící okamžité hodnotě střídavého proudu a napětí se mění také [[elektrický výkon]]. ''Průměrný'' elektrický výkon střídavého proudu (harmonický průběh) lze vypočítat:
:<math>P = U \cdot I \cdot \cos \varphi</math>,
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
:<math>I_{ef} = \frac {\sqrt{2}}{2} I_m \approx 0{,}707 \cdot I_m</math>,
:<math>U_{ef} = \frac {\sqrt{2}}{2} U_m \approx 0{,}707 \cdot U_m</math>,
kde ''I<sub>m</sub>'' je amplituda střídavého proudu a ''U<sub>m</sub>'' je amplituda střídavého napětí.
== Výroba střídavého proudu ==
Střídavý proud vzniká [[Zákon elektromagnetické indukce|elektromagnetickou indukcí]] v [[elektrický generátor|generátoru]], nazývaném [[alternátor]]. [[Frekvence]] otáčení [[Rotor (elektrotechnika)|rotor]]u v generátoru určuje frekvenci střídavého proudu. Jestliže se otáčení rotoru děje se stálou [[úhlová rychlost|úhlovou rychlostí]], pak vzniklý střídavý proud má harmonický průběh.
=== Dvoufázová soustava ===
Předchůdce třífázové soustavy zůstává v provozu ve [[Filadelfie|Filadelfii]].
{{podrobně|Dvoufázová soustava}}
=== Trojfázová soustava ===
[[Soubor:Trojúhelník.svg|náhled|Zapojení 3F soustavy do [[Přepočet hvězda trojúhelník|trojúhelníku]]]]
[[Soubor:Hvězda.svg|náhled|Zapojení 3F soustavy do hvězdy bez vyvedeného středního vodiče]]
{{redirect|Trojfázová soustava|sdružené napětí}}
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 [[Přepočet hvězda trojúhelník|hvězdy nebo trojúhelníku]], 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'' [[elektrický potenciál|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'', 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 podle [[cosinová věta|cosinové věty]]:
:<math>U_s = 2 \cdot \sin \left(\frac{\pi}{3}\right) \cdot U_f = \sqrt{3} \cdot U_f \approx 1{,}73 \cdot U_f</math>.
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 [[Elektrárna|elektrárnách]], dálkovému přenosu a v neposlední řadě kvůli snadnějšímu vypínání. Snížení přenosových ztrát se dosahuje především transformací elektrického napětí na [[vysoké napětí]] nebo [[velmi vysoké napětí]] (vyšší [[intenzita elektrického pole]]) a nízký proud (nižší [[magnetická indukce]]), čímž se snižují provozní ztráty vzniklé [[Jouleovo teplo|zahříváním]] elektrického vedení vývinem [[Jouleovo teplo|Jouleova tepla]]. Vyšší střídavé napětí přináší také pořizovací úspory na průřezech [[vodič (elektrotechnický výrobek)|vodičů]], tedy především na [[Měď|mědi]], a následných lehčích nosných konstrukcích vedení i dalších zařízení. Transformace napětí se provádí pomocí elektrických [[transformátor]]ů napětí.
==== Výhody střídavého proudu ====
Zásadní výhodou střídavého proudu je, ve srovnání se stejnosměrným proudem, jeho mnohem jednodušší průmyslová výroba a distribuce:
* jednoduché (skokově přepínané) zvyšování a snižování napětí pomocí [[transformátor]]ů.
* vzhledem k tomu, že proud prochází nulou každou půlperiodu, vycházejí přístroje určené k vypínání ([[vypínač (elektrotechnika)|vypínače]] a [[stykač]]e) a ochraně ([[elektrická pojistka|pojistky]], [[Elektrický jistič|jističe]] a [[proudový chránič|chrániče]]) silových obvodů střídavého proudu konstrukčně mnohem menší.
* generátory střídavého proudu, na rozdíl od stejnosměrných [[Dynamo|dynam]], nepoužívají [[Komutátor (elektrotechnika)|komutátory]] (mechanické [[střídač]]e), takže jsou jednodušší z hlediska výroby i údržby.
V oblasti distribuce se ale [[stejnosměrný proud]] výjimečně používá také, a sice pro masivní dálkové vedení 750 kV odlehlými a nepřístupnými oblastmi divočiny, případně i pod hladinou moře, kde je pak potřeba jen jediný vodič, který může být i v [[Supravodivost|supravodivém]] provedení.
==== Nevýhody střídavého proudu ====
Hlavní nevýhody střídavého proudu ve srovnání se stejnosměrným:
* složitější [[rekuperace]] (vracení energie do sítě) – tento problém je zmírněn nástupem pokročilé polovodičové techniky (aplikace elektronických [[střídač]]ů)
* nutnost synchronizovat všechny elektrické generátory v celé [[Elektrická přenosová soustava|síti]] ([[synchronizace fází]])
* nutnost vyvažovat nejen toky samotného [[Činný výkon|činného výkonu]], ale i [[Jalový výkon|jalového]]
* podstatný vliv rozložených [[Liniové parametry vedení|liniových parametrů vedení]], jako [[parazitní indukce|parazitní indukčnost]] a [[Parazitní kapacita|kapacita]]
== Důvody střídavého elektrického napájení ==
Střídavá forma elektrické energie je vhodná pro její přenos z důvodů:
* podstatného snížení [[Přenosové ztráty|ztrát na vedení]],
* podstatného snížení pořizovacích nákladů na dálkové rozvody,
obojí snížením velikosti přenášeného střídavého proudu.
=== Transformace při rozvodu ===
Po zvýšení, pro účely [[Přenos elektrické energie|přenosu elektrické energie]], se velmi vysoké napětí – tzv. nadřazená soutava (VVN) (v ČR o napětí 110 kV, 220 kV a 400 kV) opět snižuje v rozvodnách VVN/VN a [[transformovna|transformovnách]] na [[vysoké napětí]] (VN), to se pak dále snižuje v distribučních transformátorech na [[nízké napětí]] (NN) s [[efektivní hodnota|efektivní hodnotou]] mezifázového [[sdružené napětí|sdruženého napětí]] definovanou na přesně 400 [[volt|V]], resp. 0,4 [[kilo|kV]], s mezními [[tolerance]]mi +5 % −10 %.
Zápis na transformovně pak může být například:
: VN/NN: 3× 22/0,4 kV, 50 Hz
Díky ''n''-násobnému snížení napětí je v síti NN pro přenos stejného výkonu nutno přenášet adekvátně zvýšený proud, tedy při dodržení stejné [[Hustota elektrického proudu|proudové hustoty]] je potřeba ''n''× krát větší průřez vodičů a jemu odpovídající vyšší množství [[elektrický vodič|vodivého materiálu]] v [[kabel]]ech.
=== Trojfázový rozvod ===
Pro [[elektromotor]]y, pro [[točivý elektrický stroj|točivé]] [[elektrický stroj|elektrické]] [[stroj]]e obecně, je přirozené používat [[trojfázový rozvod]], díky kterému pak v prostoru může vznikat [[točivé elektromagnetické pole|točivé]] [[elektromagnetické pole|elektromagnetické]] [[Fyzikální pole|pole]]. [[Trojfázový stroj]] totiž pro vytvoření točivého elektromagnetického pole nepotřebuje [[Střední vodič|„nulák“]], který navíc dokonce ani nemusí existovat.
==== Výroba ====
Při [[výroba elektrické energie|výrobě elektrické energie]] v [[elektrárna|elektrárnách]] mohou mít [[elektrický generátor|generátory]] ([[alternátor]]y) svá vlastní [[jmenovité napětí|jmenovitá napětí]], třeba 3 kV, a do standardizované sítě VN se připojují [[přifázovávání|přifázované]] a přes přesně nastavené [[transformátor s odbočkami|odbočky transformátorů]].
Po zvýšení, pro účely přenosu, se velmi vysoké napětí (VVN) opět snižuje v rozvodnách a transformovnách na vysoké napětí (VN).
==== Rozvody v zahraničí ====
V Evropě se používá sjednocená rozvodná síť o frekvenci 50 Hz, naproti tomu například v [[Severní Amerika|Severní]] [[Amerika|Americe]] se v domácnostech používá [[elektrický rozvod]] o fázovém napětí 120 V při frekvenci 60 Hz, navíc s jinak definovanou [[neutrální zem]]í: Mimo [[střední vodič]].
=== Jednofázový rozvod ===
Pro použití v domácnostech se však používá spíše [[jednofázové napájení]] s efektivní hodnotou [[fázové napětí|fázového napětí]] [[cirka|cca]] 230 [[volt|V]] proti zemi. Jeho hodnota vyplývá právě z hodnoty 400 V, kdy sdružené napětí mezi [[fázor]]y [[rotující fázor|rotujícími]] v [[rovnostranný trojúhelník|rovnostranném]] [[trojúhelník]]u jednoznačně určuje hodnotu mezi vrcholem a středem [[Střední vodič|umělé]] [[Uzemnění|země]]. Fázové napětí pak lze vypočítat z [[kosinus|kosinové]] [[kosinová věta|věty]]: Fázové napětí vyplývá ze sdruženého [[Dělení|zmenšeného]] [[odmocnina|odmocninou]] čísla 3, cca 1,73.
==== Rozvody v domácnostech ====
V [[byt]]ovém [[bytový rozvod|rozvodu]] je předepsáno vytvořit několik navzájem nezávislých [[napájení (elektrotechnika)|napájecích]] [[elektrický obvod|obvodů]] ([[Zásuvka (elektrotechnika)|zásuvky]], [[svítidlo|světla]], [[elektrický sporák]], [[automat]]ická [[pračka]]), každý zvlášť. Ty je vhodné připojovat z důvodů rovnoměrnějšího zatížení každý k jiné [[elektrická fáze|fázi]] [[rozvodná síť|rozvodné sítě]].
==== Napájení drobné elektroniky ====
V převážné většině [[spotřební elektronika|spotřební elektroniky]] ([[počítač]], [[rozhlas]] apod.) se používá bezpečné [[malé napětí|malé]] (MN) [[stejnosměrné napětí]], které se typicky vytváří buď pomocí domácích transformátorků ([[adaptér]]ů) s [[usměrňovač]]i nebo pomocí [[Spínaný zdroj|spínaných zdrojů]]. Tyto spotřebiče tedy mohou být napájeny i z jiných zdrojů [[stejnosměrné napětí|stejnosměrného napětí]], jako jsou [[autobaterie|(auto)baterie]], [[Zinko-uhlíkový článek|suché články]], [[dynamo|dynama]], [[fotovoltaický článek|fotovoltaické články]] apod.
{{podrobně|Domovní elektroinstalace}}
== Použití střídavého proudu ==
Střídavý proud se používá v běžných domácích [[elektrický spotřebič|elektrických spotřebičích]] ([[žárovka]], [[zářivka]], spotřebiče používající [[elektromotor]], [[Elektrické topení|elektrická topidla]] apod.).
=== V trakci ===
Zvláštní kapitolu tvoří speciální typy [[trakce|trakčního]] napájení v [[doprava|dopravě]], kde se kromě [[stejnosměrné napájení|stejnosměrného napájení]] [[Hnací vozidlo|trakčních vozidel]] (lokomotiv, trolejbusů, vozů metra či tramvají) používá běžná frekvence 50 Hz při speciálním zapojení fází [[střídavé napájení|střídavého napájení]].
V některých zemích, např. v [[Německo|Německu]], [[Rakousko|Rakousku]] a [[Švýcarsko|Švýcarsku]], [[železnice]] používá třetinová frekvence 16<math>\tfrac{2}{3}</math>Hz (16,{{overline|6}}Hz). Tato frekvence byla zvolena pro možnost jednoduchého odvození od frekvence 50 Hz v rotačních měničích. V současnosti je pro tyto napájecí sítě normována frekvence 16,7 Hz.
=== V průmyslu ===
Další typy speciálního použití střídavého proudu lze najít v [[průmysl]]u: Kupř. v [[hutnictví]] se běžně používají [[oblouková pec|obloukové pece]] s běžnou frekvencí 50 Hz, které jsou jedny z největších spotřebičů zapojených do sítě vůbec.
Početně nejvýznamnější a nejsilnější skupinu [[elektrický spotřebič|elektrospotřebičů]] v průmyslu tvoří [[třífázové napětí|třífázové]] [[asynchronní motor]]y, které pohání naprostou většinu běžných průmyslových strojních [[mechanismus|mechanismů]].
=== Palubní sítě ===
Střídavý proud je používán i v [[palubní síť|palubních sítích]] některých [[dopravní prostředky|dopravních prostředků]] ([[letadlo|letadla]], [[loď|lodě]]). V těchto případech je obvykle používáno [[střídavé napájení]] s vyšší frekvencí (typicky 400 Hz) pro snížení [[ztráty elektrické energie|ztrát]] a zmenšení rozměrů a [[hmotnost]]i transformátorů.
== Označení střídavého proudu ==
Ve schématech elektrických obvodů se střídavý proud označuje vlnovkou '''~'''. Anglická zkratka střídavého proudu je '''AC''' (''alternating current'').
== Odkazy ==
=== Reference ===
<references/>
=== Související články ===
* [[Stejnosměrný proud]]
* [[Elektřina]]
* [[Transformátor]]
* [[Alternátor]]
* [[Elektrárna]]
* [[Telegrafní rovnice]]
=== Externí odkazy ===
* {{Commonscat}}
* [http://www.ucebnice.krynicky.cz/Fyzika/4_Elektrina_a_magnetismus/7_Elektrina_a_magnetismus_v_praxi/4701_Trifazova_soustava_stridaveho_napeti.pdf Trojfázová soustava (krynicky.cz)] {{Wayback|url=http://www.ucebnice.krynicky.cz/Fyzika/4_Elektrina_a_magnetismus/7_Elektrina_a_magnetismus_v_praxi/4701_Trifazova_soustava_stridaveho_napeti.pdf |date=20091222023433 }}
{{Autoritní data}}
[[Kategorie:Elektřina]]
[[Kategorie:Elektrotechnika]]
[[Kategorie:Fyzikální veličiny]]
| 