جریان متناوب

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
منحنی سبز رنگ جریان متناوب.

یک جریان متناوب ( AC ) جریان الکتریکی است که در آن اندازه ی جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه ی جریان مقدار ثابتی می ماند.

برق تحویل داده شده به شرکت های تجاری منازل مسکونی به صورت متناوب (AC) است. شکل یک مدار AC معمولاً به صورت یک موج سینوسی کامل است ولی در کاربردهای خاص شکل موج های مختلفی استفاده می شود مانند امواج مثلثی یا مربعی. سیگنال های صوتی و رادیویی حمل شده بر روی سیم های برق نیز نمونه هایی از جریان متناوب است. در این کاربرد یک هدف مهم معمولاً بازیابی اطلاعات کدگذاری شده (مدوله) بر روی سیگنال AC است.

تاریخچه[ویرایش]

توان الکتریکی با جریان متناوب ، نوعی از انرژی الکتریکی است که برای تغذیه تجاری الکتریسیته به عنوان توان الکتریکی ، از جریان متناوب استفاده می‌کند. ویلیام استنلی جی آر کسی است که یکی از اولین سیم پیچهای عملی را برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک صورت ابتدایی ترانسفورماتور مدرن بود که یک سیم پیچ القایی نامیده می‌شد. از سال 1881م تا 1889م سیستمی که امروزه استفاده می‌شود، توسط نیکلا تسلا ، جرج وستینگهاوس ، لوییسین گاولارد ، جان گیبس و الیور شالنجر طراحی شد.

سیستمی که توماس ادیسون برای اولین بار برای توزیع تجاری الکتریسیته بکار برد، به دلیل استفاده از جریان مستقیم محدودیتهایی داشت که در این سیستم برطرف شد. اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال 1891م نزدیک تلورید کلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد. توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فناوری جریان مستقیم(DC) داشت، استفاده از جریان مستقیم را به شدت حمایت می‌کرد، اما در نهایت جریان متناوب به عرصه استفاده عمومی آمد. چارلز پروتیوس استینمتز از جنرال الکتریک بسیاری از مشکلات مرتبط با تولید الکتریسیته و انتقال آن را با استفاده از جریان متناوب حل کرد.

انتقال، توزیع و منبع تغذیه داخلی[ویرایش]

ولتاژ AC ممکن است با یک ترانسفورماتور افزایش یا کاهش پیدا کند. با استفاده از ولتاژ بالاتر به طور قابل توجهی انتقال توان موثرتر صورت خواهد گرفت. تلفات در یک رسانا برابر حاصل ضرب مربع جریان و مقاومت رساناست که با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود

 P_{\rm L} = I^2 R \, .

بنابراین در انتقال یک توان ثابت بر روی سیم داده شده اگر جریان 2 برابر شود تلفات توان 4 برابر خواهد شد.

توان منتقل شده برابر حاصل ضرب جریان و ولتاژ است (بافرض اینکه اختلاف فاز وجود نداشته باشد)

P_{\rm T} = IV \, .

بنابراین همان توان را می توان با ولتاژ بالاتر و جریان کمتری منتقل کرد از این رو در هنگام انتقال مقدار زیادی از توان ، استفاده از ولتاژ بالا سودمندتر است (در حدود صدها کیلو وات). با این حال ولتاژ بالا نیز معایبی دارد یکی از مهمترین مشکلات افزایش عایق مورد نیاز و به طور کلی مشکل در مدیریت ایمنی آنهاست. در یک نیروگاه ، برق در یک ولتاژ مناسب برای ژنراتور تولید می شود و سپس ولتاژ آن برای انتقال افزایش می یابد.

در نزدیکی بارها ، ولتاژ انتقال به ولتاژ مورد استفاده ی وسایل کاهش می یابد. ولتاژ مصرف کننده بسته به کشور و اندازه ی بار متفاوت است. اما به طور کلی کلی موتورها و روشنایی های ساخته شده از چند صد ولت بین فازها استفاده می کنند.

ولتاژ تحویل داده شده به تجهیزاتی مثل روشنایی و موتور ها استاندارد است (با یک محدوده مجاز ولتاژ بیشتر از آنچه انتظار می رود تجهیزات کار کند). توان استاندارد ولتاژ استفاده و درصد تلورانس سیستمها ی قدرت موجود در جهان متفاوت است. سیستم انتقال برق جریان مستقیم ولتاژ بالا( HVDC ) مدرن در مقایسه با سیستم های جریان متناوب به عنوان وسیله ای برای حجم کارآمدتر انتقال توان الکتریکی در طول فواصل طولانی رایج تر است. با این حال سیستم ها ی HVDC گران تر میشود و در مسافت های کوتاه نسبت به ترانسفورماتورها کارایی کمتری دارند.

انتقال با جریان مستقیم ولتاژ بالا هنگامی که ادیسون ، وستینگهاوس و تسلا سیستم قدرت خود را طراحی کردند ممکن نبود چون به لحاظ اقتصادی راهی برای تبدیل برقAC به DC و برعکس وجود نداشت. تولید الکتریکی 3 فاز بسیار رایج است. ساده ترین حالت آن سه سیم پیچ جداگانه است که بر روی محور ژنراتور با اختلاف فاز 120 درجه نسبت به هم نصب می شوند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم و اندازه یکسان هستند. اگر سیم پیچی به آن اضافه شود (فاصله 60 درجه) فاز مشابه با قطبیت معکوس تولید می کند بنابراین می توان به راحتی آن ها را با هم سیم کشی کرد.

در عمل به طور معمول از آرایش قطبی بزرگتر استفاده می شود. برای مثال یک ماشین 12 قطبی 36 سیم پیچ (10 درجه فاصله) خواهد داشت و مزیتش این است که با سرعت پایین تر می تواند کار کند به عنوان مثال یک ماشین 2قطبی در حال کار در 3600 rpm و یک ماشین 12قطبی در حال اجرا در 600 rpm تولید فرکانس مشابه می کند. این عمل برای ماشین های بزرگتر کارآمدتر است.

اگر بار بر روی یک سیستم سه فاز به طور صحیح متعادل شده باشد جریانی از نقطه ی خنثی عبور نخواهد کرد حتی در بدترین حالت نامتعادل (خطی) بار جریان خالص از بالاترین جریان فاز تجاوز نمی‌کند. بارهای غیرخطی (مثل کامپیوتر ) ممکن است به یک گذرگاه بزرگ نول و یک سیم نول در تابلوی توزیع بالادست برای رفتار هارمونیک نیاز داشته باشند.هارمونیک می تواند منجر به تجاوز سطوح جریان سیم نول از یک یا همه فازها شود.

برای سه فاز در ولتاژ استفاده معمولاً از سیستم 4 سیمه استفاده می شود هنگامی که 3 فاز کاهش می یابند یک ترانسفورماتور با یک دلتا(سه سیم) اولیه و ستاره (4سیم، مرکز ارت) ثانویه معمولاً استفاده می شود بنابراین نیازی به نول در طرف عرضه وجود ندارد.

برای مصرف کنندگان کوچکتر تنها یک فاز و نول یا دو فاز و نول به املاک داده می شود. برای تاسیسات بزرگتر هر سه فاز و نول به تابلوی توزیع اصلی داده می شود. ممکن است هر دو مدار تک فاز و 3 فاز از تابلوی اصلی آغاز شود.

سیستم های تک فاز 3 سیمه با یک ترانسفورماتورcenter-tapped با دو سیم جریان دار یک طرح توزیع متداول برای ساختمان های کوچک مسکونی و تجاری در شمال آمریکاست.این طرح گاهی اوقات به اشتباه به عنوان دو فاز خوانده می شود. مشابه این روش به دلیل های مختلف در سایت های ساخت و ساز در انگلستان استفاده می شود. وسایل برقی کوچک و روشنایی ها قرار است به وسیله ترانسفورماتور center-tapped محلی با ولتاژ 55 ولت بین هر سیم برق و زمین تغذیه شوند.این روش به طور قابل توجهی خطر شوک الکتریکی وقتی که یکی از سیم های جریان دار بدون عایق در یک وسیله است را کاهش می دهد.این خطا در حالی است که بین دو سیم در زمان کار کردن وسیله ولتاژ منطقی 110 ولت وجود دارد. سومین سیم ، سیم اتصال (ارت) نامیده می شود و معمولاً بدنه ی قطعاتی که در ارتباط مستقیم با مدار الکتریکی نیستند را به زمین وصل می کند.

در صورت وقوع خطا ، سیم زمین می‌تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا ، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژ ی برابر ولتاژ نقطه خنثی است. شایعترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می‌دهد که شیئی (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می‌شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده است تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود قطع کند. در کاربردهای صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمتهای مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می‌شود تا جریان های کوچک زمین ، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.

فرکانس های AC منبع تغذیه[ویرایش]

عموماً این مطلب پذیرفته شده است که نیکلا تسلا فرکانس 60 هرتز را به عنوان کمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشناییهای خیابانها می‌شد، انتخاب کرد. توان 25 هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولید شود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می‌شده است.

هنوز هم ممکن است برخی از ژنراتورهای 25 هرتز در آبشار نیاگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پایین طراحی موتورهای الکتریکی کم سرعت را ساده می‌سازد و می‌توان آنرا بصورت بهتر و موثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه‌ای در روشناییها می‌شود. در کاربردهای دریایی، نظامی، صنعت نساجی، دریایی، کامپیوتر های پردازنده مرکزی، هواپیما، و فضاپیما ممکن است گاهی فرکانس 400 هرتز را به علت مزیتهای مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق 16.67 هرتزی هم هنوز در برخی از سیستمهای راه آهن اروپا از جمله در اتریش، آلمان، نروژ، سوئد و سوئیس به چشم می‌خورد.

فرمول های ولتاژ AC[ویرایش]

یک موج سینوسی ، خط چین:rms

جریان متناوب به وسیله ی ولتاژ متناوب ایجاد می شود. ولتاژ AC را می توان به عنوان یک تابع از زمان توسط معادله ی زیر توضیح داد:

V(t)=V_\mathrm{peak}\cdot\sin(\omega t)
  • \displaystyle V_{\rm peak} : ولتاژ حداکثر (واحد: ولت)

فرکانس زاویه ای وابسته به فرکانس فزیکی است f (واحد: هرتز) که نشان دهنده ی تعداد سیکل در ثانیه است \displaystyle\omega = 2\pi f

اندازه پیک تو پیک ولتاژ AC یعنی اختلاف بین ماکزیمم مثبت و ماکزیمم منفی.چون ماکزیمم \sin(x) برابر 1+ و مقدار مینیمم آن 1- است ولتاژ AC بین +V_{\rm peak} و -V_{\rm peak} است ولتاژ پیک تو پیک را معمولاً با V_{\rm pp} یا V_{\rm P-P} نشان می دهند که برابر است با

V_{\rm peak} - (-V_{\rm peak}) = 2 V_{\rm peak}

توان و جذر متوسط مربع[ویرایش]

رابطه ی بین ولتاژ و توان تحویل داده شده  :p(t) = \frac{v^2(t)}{R} است که در آن R نشان دهنده ی مقاومت بار است.

در رابطه بالا استفاده از توان میانگین زمانی به جای توان لحظه ای p(t) سودمندتر است. بنابراین ولتاژ AC اغلب به صورت مقدار جذر متوسط مربع (rms) بیان می شود و با V_{\rm rms} نشان داده می شود چون

P_{\rm time~averaged} = \frac{{V^2}_{\rm rms}}{R}.

برای ولتاژ سینوسی

V_\mathrm{rms}=\frac{V_\mathrm{peak}}{\sqrt{2}}.

به ضریب \sqrt{2} عامل اوج گفته می شود که برای شکل موج های مختلف متفاوت است.

V_\mathrm{rms}=\frac{V_\mathrm{peak}}{\sqrt{3}}.
\displaystyle V_\mathrm{rms}=V_\mathrm{peak}.
  • برای هر شکل موج تناوبی دلخواه
V_\mathrm{rms}=\sqrt{\frac{1}{T} \int_0^{T}{v^2(t) dt}}.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]