جریان متناوب

منحنی سبز رنگ جریان متناوب.
یک جریان متناوب (alternative current ,AC) جریان الکتریکی است که در آن جهت جریان به صورت چرخه‌ای تغییر می‌کند بر خلاف جریان مستقیم که در آن جهت جریان عوض نمی‌شود.
برق تحویل داده شده به شرکت‌های تجاری منازل مسکونی به صورت متناوب (AC) است. شکل یک مدار AC معمولا به صورت یک موج سینوسی کامل است ولی در کاربردهای خاص شکل موج‌های مختلفی استفاده می‌شود مانند امواج مثلثی یا مربعی. سیگنال‌های صوتی و رادیویی حمل شده بر روی سیم‌های برق نیز نمونه‌هایی از جریان متناوب است. در این کاربرد یک هدف مهم معمولا بازیابی اطلاعات کدگذاری شده (مدوله) بر روی سیگنال AC است.
تاریخچه
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 ۱۸۸۱م تا ۱۸۸۹م 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 ۱۸۹۱م 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 نیکولا تسلا 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
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 می‌شود
بنابراین در انتقال یک توان ثابت بر روی سیم داده شده اگر جریان ۲ برابر شود تلفات توان ۴ برابر خواهد شد.
توان منتقل شده برابر حاصل ضرب جریان و ولتاژ است (بافرض اینکه اختلاف فاز وجود نداشته باشد)
بنابراین همان توان را می‌توان 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 می‌شود و سپس ولتاژ آن برای انتقال افزایش می‌یابد.
در نزدیکی بارها، ولتاژ انتقال به ولتاژ مورد استفاده وسایل کاهش می‌یابد. ولتاژ مصرف‌کننده بسته به کشور و اندازه بار متفاوت است. اما به طور کلی موتورها و روشنایی‌های ساخته شده از چند صد ولت بین فازها استفاده می‌کنند.
ولتاژ تحویل داده شده به تجهیزاتی مثل روشنایی و موتورها استاندارد است (با یک محدوده مجاز ولتاژ بیشتر از آنچه انتظار می‌رود 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 سیستم‌های جریان متناوب به عنوان وسیله‌ای برای حجم کارآمدتر انتقال توان الکتریکی در طول فواصل طولانی رایج‌تر است. با این حال سیستم‌ها ی HVDC گران‌تر می‌شود و در مسافت‌های 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 ۳ فاز بسیار رایج است. ساده‌ترین حالت آن سه سیم پیچ جداگانه است که بر روی محور ژنراتور با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه نسبت به هم نصب می‌شوند. سه شکل موج جریان تولید می‌شود که دارای اختلاف فاز ۱۲۰ درجه‌ای نسبت به هم و اندازه یکسان هستند. اگر سیم پیچی به آن اضافه شود (فاصله ۶۰ درجه) فاز مشابه با قطبیت معکوس تولید می‌کند بنابراین می‌توان به راحتی آن‌ها را با هم سیم کشی کرد.
در عمل به طور معمول از آرایش قطبی بزرگتر استفاده می‌شود. برای مثال یک ماشین ۱۲ قطبی ۳۶ سیم پیچ (۱۰ درجه فاصله) خواهد داشت و مزیتش این است که با سرعت پایین‌تر می‌تواند کار کند به عنوان مثال یک ماشین ۲قطبی در حال کار در 3600 rpm و یک ماشین ۱۲قطبی در حال اجرا در 600 rpm تولید فرکانس مشابه می‌کند. این عمل برای ماشین‌های بزرگتر کارآمدتر است.
اگر بار بر روی یک سیستم سه فاز به طور صحیح متعادل شده باشد جریانی از نقطه 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 می‌تواند منجر به تجاوز سطوح جریان سیم نول از یک یا همه فازها شود.
برای سه فاز در ولتاژ استفاده معمولا از سیستم ۴ سیمه استفاده می‌شود هنگامی که ۳ فاز کاهش می‌یابند یک ترانسفورماتور با یک دلتا (سه سیم) اولیه و ستاره (۴سیم، مرکز ارت) ثانویه معمولا استفاده می‌شود بنابراین نیازی به نول در طرف عرضه وجود ندارد.
برای مصرف‌کنندگان کوچکتر تنها یک فاز و نول یا دو فاز و نول به املاک داده می‌شود. برای تاسیسات بزرگتر هر سه فاز و نول به تابلوی توزیع اصلی داده می‌شود. ممکن است هر دو مدار تک فاز و ۳ فاز از تابلوی اصلی آغاز شود.
سیستم‌های تک فاز ۳ سیمه با یک ترانسفورماتورcenter-tapped با دو سیم جریان دار یک طرح توزیع متداول برای ساختمان‌های کوچک مسکونی و تجاری در شمال آمریکاست. این طرح گاهی اوقات به اشتباه به عنوان دو فاز خوانده می‌شود. مشابه این روش به دلیل‌های مختلف در سایت‌های ساخت و ساز در انگلستان استفاده می‌شود. وسایل برقی کوچک و روشنایی‌ها قرار است به وسیله ترانسفورماتور center-tapped محلی با ولتاژ ۵۵ ولت بین هر سیم برق و زمین تغذیه شوند. این روش به طور قابل توجهی خطر شوک الکتریکی وقتی که یکی از سیم‌های جریان دار بدون عایق در یک وسیله است را کاهش می‌دهد. این خطا در حالی است که بین دو سیم در زمان کار کردن وسیله ولتاژ منطقی ۱۱۰ ولت وجود دارد.
سومین سیم، سیم اتصال (ارت) نامیده می‌شود و معمولا بدنه قطعاتی که در ارتباط مستقیم با مدار الکتریکی نیستند را به زمین وصل می‌کند.
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 (معمولا 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 شده‌است 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 جریان‌های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف‌کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می‌دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می‌گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.
فرکانس‌های AC منبع تغذیه
عموما این مطلب پذیرفته شده‌است که نیکلا تسلا فرکانس ۶۰ هرتز را به عنوان کمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشناییهای خیابانها می‌شد، انتخاب کرد. توان ۲۵ هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولید شود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می‌شده‌است.
هنوز هم ممکن است برخی از ژنراتورهای ۲۵ 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، کامپیوترهای پردازنده مرکزی، هواپیما، و فضاپیما ممکن است گاهی فرکانس ۴۰۰ هرتز را به علت مزیتهای مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق ۱۶٫۶۷ هرتزی هم هنوز در برخی از سیستمهای راه آهن اروپا از جمله در اتریش، آلمان، نروژ، سوئد و سوئیس به چشم می‌خورد.
فرمول‌های ولتاژ AC
یک موج سینوسی،
خط چین:rms
جریان متناوب به وسیله ولتاژ متناوب ایجاد می‌شود. ولتاژ AC را می‌توان به عنوان یک تابع از زمان توسط معادله زیر توضیح داد:
: ولتاژ حداکثر (واحد: ولت)
: فرکانس زاویه‌ای (واحد: رادیان بر ثانیه)
فرکانس زاویه‌ای وابسته به فرکانس فزیکی است f (واحد: هرتز) که نشان دهنده تعداد سیکل در ثانیه است
: زمان (واحد: ثانیه)
اندازه پیک تو پیک ولتاژ AC یعنی اختلاف بین ماکزیمم مثبت و ماکزیمم منفی. چون ماکزیمم برابر ۱+ و مقدار مینیمم آن ۱- است ولتاژ AC بین و است ولتاژ پیک تو پیک را معمولا با یا نشان می‌دهند که برابر است با
توان و جذر متوسط مربع
رابطه بین ولتاژ و توان تحویل داده شده: است که در آن نشان دهنده مقاومت بار است.
در رابطه بالا استفاده از توان میانگین زمانی به جای توان لحظه‌ای سودمندتر است؛ بنابراین ولتاژ AC اغلب به صورت مقدار جذر متوسط مربع (rms) بیان می‌شود و با نشان داده می‌شود چون
برای ولتاژ سینوسی
به ضریب عامل اوج گفته می‌شود که برای شکل موج‌های مختلف متفاوت است.
شکل موج مثلثی متمرکز در صفر
شکل موج مربعی متمرکز در صفر
برای هر شکل موج تناوبی دلخواه
جریان الکتریکی
جریان مستقیم