بست فایلز

جریان متناوب(AC) و جريان مستقيم (DC)

جریان(dc)
تعریف
جریان مستقیم(DC یا جریان پیوسته)،عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیلکم است. در جریان مستقیم، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می کند که این امرجریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می کند.

در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولیدالکتریسیته در اواخر قرن 19 توسط توماس ادیسون بکار رفت. امروزه استفاده از جریانمستقیم برای این منظور غالباً کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسطنیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسب تراست (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه هایتوان AC با فرکانس های مختلف به هم، بکار می رود.

DC

عموماً در بسیاری از کاربرد های کم ولتاژ استفاده می شود، خصوصاً در جایی کهانرژی از طریق باتری ها تامین می شود که تنها می توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثرسیستم های خودکار، از DC استفاده می کنند. اگرچه که ژنراتور یک وسیله AC است که ازیک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می کند. اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یکمنبع تغذیه DC دارند. با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است اما کلاً به ولتاژهایبا پلاریته ثابت، DC گفته می شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادیهستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسوساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایینگذر، ولتاژ پایدار تری حاصل می شود.

معمولاً به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستم های جریان مستقیم، نصبآنها نیازمند پریزها، کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب بهکار می رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرامعکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد. (کهاکثر دستگاه های عمل کننده با باتری این امکان را ندارند.)

امروزه (سال 2000م) گرایشاتی در جهت سیستم های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستم های برق خورشیدی که توسط باتری هایخورشیدی تغذیه می شوند، به کارمی رود.جریان

متناوب(AC)

تعریف
یک جریان متناوب (AC ) جریان الکتریکی ای است که درآن اندازه جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آناندازه جریان مقدار ثابتی می ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموماً یک موج سینوسیکامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می شود. اما بههر حال در کاربردهای خاص، شکل موج های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده میشود.

تاریخچه
توان الکتریکی با جریان متناوب، نوعی از انرژیالکتریکی است که برای تغذیه تجاری الکتریسیته به عنوان توان الکتریکی، از جریانمتناوب استفاده می کند. ویلیام استنلی جی آر کسی است که یکی از اولین سیم پیچ هایعملی را برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک صورت ابتداییترانسفورماتور مدرن بود که یک سیم پیچ القایی نامیده می شد. از سال 1881م تا 1889مسیستمی که امروزه استفاده می شود، توسط نیکلا تسلا، جرج وستینگهاوس، لوییسینگاولارد، 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 محدودیت های داشت که در این سیستم برطرف شد.
اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال 1891م نزدیک تلوریدکلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد. توماس ادیسون به علتاینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فن آوری جریان مستقیم «DC» داشت، استفادهاز جریان مستقیم را، به شدت حمایت می کرد اما در نهایت جریان متناوب به عرصهاستفاده عمومی آمد (جنگ جریان ها را مشاهده کنید).
چارلز پروتیوس استینمتز ازجنرال الکتریک بسیاری از مشکلات مرتبط با تولید الکتریسیته و انتقال آن را بااستفاده از جریان متناوب حل کرد.

توزیع برق و تغذیه خانگی
بر خلاف جریان DC، جریان AC را میتوان توسط یک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژی انتقال داد. هر چه میزان ولتاژافزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقالتوان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادیاست. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P=I^2*R محاسبه می شود، بنابراین اگرجریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.

با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را می توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیمتا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجهتلفات کاهش یابد. سپس می توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بیخطر باشد، کاهش دهیم.

تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده ای موثرتر از ژنراتورهای تجاریرا برای ما ممکن می سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدانمغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می شود. اما به هر حال جای دادنسه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ)، هم نسبتاً آسان و هم مقرون به صرفهاست. این سیم پیچ ها روی محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فیزیکی جدا اند ودارای یک اختلاف زاویه 120 درجه ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید میشود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم، اما اندازه های یکسان هستند.

توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمان های صنعتی و توزیع الکتریسیته تکفاز در محیط های خانگی بکار می رود. نوعاً یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن استمسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخش های مختلف هر مسیر، تغذیه کند.
سیستم های سه فاز به گونه ای طراحی شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگرباری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدینمفهوم است که می توان جریان را تنها با سه کابل به جای شش کابل که در غیر این صورتمورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چندفازه است.

در بسیاری از موارد تنها یک تک فاز برای تغذیه ی روشنایی خیابان ها یا مصرفکننده های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یککابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می دهیم تا برای هر خانه یک مدارکامل را فراهم کنیم «یعنی هر خانه می تواند از یکی از کابل های فاز و کابل خنثیبرای مصرف استفاده کند». خانه های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می کنندیا وقتی که مصرف کننده های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول سهفاز پخش می کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاًتنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالاً با یک پوشش آهنی زمین شده، است.

برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحهسوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثرکشورهای انگلیسی زبان سیم earthو در آمریکا سیم groundخوانده می شود. در صفحه سوییچاصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earthدردسترس (برای آمریکایی ها نقطه ground )نظیر لوله آب، متصل می کنند.

در صورت وقوع خطا، سیم زمین می تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز وجدا کردن مدار دارای خطا، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است کهساختمان مجاور دارای ولتاژی برابر ولتاژ نقطه خنثی است.

شایع ترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می دهد که شی ای (معمولاً یکنفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین، مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریانخطا از فاز به زمین ایجاد می شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریانپس ماند طراحی شده است تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوکالکتریکی منجر به مرگ شود، قطع کند.

در کاربرد های صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمت های مجزای سیستم خنثی به زمینمتصلند که این امر موجب می شود تا جریان های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور ویک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن ایناطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد بهیک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.

فرکانس های AC در کشورها
اکثر کشورهای جهان سیستم هایالکتریکی شان را روی یکی از دو فرکانس 60 و 50 هرتز استاندارد کرده اند. لیستکشورهای 60 هرتز که اغلبشان در دنیای جدید قرار دارند کوتاه تر است اما نمی توانگفت که 60 هرتز کمتر معمول است.

کشورهای 60 هرتز عبارتند از: ساموای امریکا، آنتیگوا و باربودا، آروبا، باهاماس،بلیز، برمودا، کانادا، جزایر کیمان، کلمبیا، کاستاریکا، کوبا، جمهوری دمونیکن،السالوادور، پلینسیای فرانسه، گوام، گواتمالا، گیانا، هاییتی، هندوراس، کره جنوبی،لیبریا، جزایر مارشال، مکزیک، میکرونسیا، مونت سرات، نیکاراگویه، جزایر ماریانایشمالی، پالایو، پاناما، پرو، فیلیپین، پرتوریکو، ساین کیتس و نویس، سورینام،تایوان، ترینیداد توباگو، جزایر ترکس و کیاکوس، ایالات متحده، ونزولا، جزایرویرجین، جزیره ویک.

این کشورها دارای سیستم هایی با فرکانس مختلط 60 و 50 هرتز اند: بحرین،برزیل(اغلب فرکانس 60) ، ژاپن (فرکانس 60 هرتز در زمان حضور غربی ها).

اغلب کشورها بگونه ای استاندارد تلویزیون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانسخطوط برق شان متناسب باشد. استاندارد NTSCبرای کار با فرکانس خطوط برق 60 هرتزطراحی شده است در حالیکه PALو SECAMبرای فرکانس خطوط 50 هرتز طراحی شده است امانسخه 60 هرتز PALهم وجود دارد، برای مثال در برزیل PAL-Mارایه دهنده وضوح PALو چشمکتصویر پایین NTSCاست.

عموماً این مطلب پذیرفته شده است که نیکلا تسلا فرکانس 60 هرتز را به عنوانکمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشنایی هایخیابان ها می شد، انتخاب کرد. توان 25 هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولیدشود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می شده است.
هنوز هم ممکن است برخیاز ژنراتورهای 25 هرتز در آبشار نیاگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پایینطراحی موتورهای الکتریکی کم سرعت را ساده می سازد و می توان آنرا به صورت بهتر وموثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه ای در روشناییها می شود. کاربرد های ساحلی و دریایی ممکن است گاهاً فرکانس 400 هرتز را به علتمزیت های مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق 67/16 هرتزی هم هنوز در برخی ازسیستم های راه آهن اروپا مانند سوئد به چشم می خورد.

ریاضیات ولتاژهای AC
جریان های متناوب عموما باولتاژهای متناوب مرتبط اند. یک ولتاژ AC، V را می توان به صورت ریاضی مانند یک تابعاز زمان توسط معادله زیر نمایش داد:

که در آن A، اندازه بر حسب ولت است (همچنین ولتاژ پیک خوانده می شود)
ω،فرکانس زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه و t، زمان بر حسب ثانیه است.
به دلیلاینکه فرکانس زاویه ای برای ریاضی دانان بیش از مهندسین جذاب است، این معادلهمعمولاً به صورت زیر نوشته می شود:

که در آن f، فرکانس بر حسب هرتز است.
مقدار پیک به پیک یک ولتاژ AC بهصورت اختلاف بین پیک مثبت و منفی این ولتاژ تعرف می شود. به دلیل اینکه حداکثرولتاژ sin(x) ، 1+ و حداقل مقدار آن 1- است، یک ولتاژ AC بین +A و A – نوسان میکند. بنابراین ولتاژ پیک به پیک که به صورت VP-P نوشته می شود، برابر (+A)-(-A) = 2×Aخواهد بود.
اندازه یک ولتاژ AC معمولاً به صورت یک مقدار ریشه میانگین مجذور (rms) بیان می شود که Vrms نوشته می شود. برای یک ولتاژ سینوسی داریم:

Vrms در محاسبه توانای که توسط یک بار الکتریکی مصرف شده، مفید است. اگر یکولتاژ مستقیم VDC یک توان P را به یک بار داده شده ارایه دهد، آنگاه یک ولتاژمتناوب با Vrms در صورتی همان توان را به بار مشابه ارایه می دهد که Vrms = VDC.
برای توضیح این مفهوم، خطوط برق 240 ولتی متناوب را در انگلیس تصور کنید. دلیلنام این خطوط این است که مقدار rms آن (حداقل بطور نامی) 240 ولت است. بدین مفهومکه این خطوط همان اثر گرمایی را دارند که ولتاژ DC 240 ولتی دارد. برای محاسبهولتاژ پیک (اندازه)، می توانیم معادله بالا را به این معاله تغییر دهیم:

برای ولتاژ AC 240 ولتی، ولتاژ پیک یا A برابر 240 V × √2 = 339 V (تقریبا) است. ولتاژ پیک به پیک خطوط 240 ولتی حتی از این هم بیشتر است: 2 × 240 V × √2 = 679 V (تقریبا). اتحادیه اروپا (شامل انگلیس) اکنون یک تغذیه 230 ولتی و 50 هرتزی را بینکشورهای خود، هم آهنگ کرده است