مقاله ي ماشين هاي جريان مستقيم

مقاله ي ماشين هاي جريان مستقيم

جريان متناوب(AC) و جريان مستقيم (DC)



● تعريف جريان (dc)

جريان مستقيم (DC يا جريان پيوسته)، عبور پيوسته جريان الکتريسيته از يک هادي نظير يک سيم از پتانسيل بالا به پتانسيل کم است. در جريان مستقيم ، بار الکتريکي همواره در يک جهت عبور مي کند که اين امر جريان مستقيم را از جريان متناوب (AC) متمايز مي کند.

در واقع جريان مستقيم ابتدا براي انتقال توان الکتريکي پس از کشف توليد الکتريسيته در اواخر قرن ۱۹ توسط توماس اديسون بکار رفت.

امروزه استفاده از جريان مستقيم براي اين منظور غالباً کنار گذاشته شده است، چرا که جريان متناوب (که توسط نيکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) براي انتقال در طول خطوط بلند بسيار مناسب تر است (جنگ جريان ها را مشاهده کنيد). هنوز هم انتقال توان DC براي اتصال شبکه هاي توان AC با فرکانس هاي مختلف به هم، بکار مي رود.

عموماً در بسياري از کاربرد هاي کم ولتاژ استفاده مي شود، خصوصاً در جايي که انرژي از طريق باتري ها تامين مي شود که تنها مي توانند ولتاژ DC توليد کنند. اکثر سيستم هاي خودکار، از DC استفاده مي کنند.

اگرچه که ژنراتور يک وسيله AC است که از يک يکسو کننده براي توليد DC استفاده مي کند. اغلب مدارات الکترونيکي نياز به يک منبع تغذيه DC دارند. با وجود اينکه DC مخفف جريان مستقيم است اما کلاً به ولتاژ هاي با پلاريته ثابت، DC گفته مي شود. برخي از انواع DC داراي تغييرات ولتاژ زيادي هستند، مانند خروجي دست نخورده يک يکسوساز. با عبور اين خروجي از يک فيلتر RC پايين گذر، ولتاژ پايدار تري حاصل مي شود.

معمولاً به دليل ولتاژ هاي بسيار پايين بکار رفته در سيستم هاي جريان مستقيم ، نصب آنها نيازمند پريزها، کليدها و لوازم ثابت متفاوتي از آنچه که براي جريان متناوب به کار مي رود است. در يک وسيله جريان مستقيم اين نکته بسيار مهم است که پلاريته آنرا معکوس وصل نکنيم، مگر اينکه وسيله داري يک پل ديودي براي اصلاح اين امر باشد. (که اکثر دستگاه هاي عمل کننده با باتري اين امکان را ندارند.)

امروزه (سال ۲۰۰۰م) گرايشاتي در جهت سيستم هاي انتقال جريان مستقيم ولتاژ بالا (HVDC) ايجاد شده است. همچنين DC در سيستم هاي برق خورشيدي که توسط باتري هاي خورشيدي تغذيه مي شوند، به کارمي رود.

● تعريف جريان متناوب(AC)

يک جريان متناوب (AC ) جريان الکتريکي اي است که در آن اندازه جريان به صورت چرخه اي تغيير مي کند، بر خلاف جريان مستقيم که در آن اندازه جريان مقدار ثابتي مي ماند. شکل موج معمول يک مدار AC عموماً يک موج سينوسي کامل است چرا که اين شکل موج منجر به انتقال انرژي به موثرترين صورت مي شود. اما به هر حال در کاربرد هاي خاص، شکل موج هاي متفاوتي نظير مثلثي يا مربعي نيز استفاده مي شود.

● تاريخچه

توان الکتريکي با جريان متناوب، نوعي از انرژي الکتريکي است که براي تغذيه تجاري الکتريسيته به عنوان توان الکتريکي، از جريان متناوب استفاده مي کند. ويليام استنلي جي آر کسي است که يکي از اولين سيم پيچ هاي عملي را براي توليد جريان متناوب طراحي کرد. طراحي وي يک صورت ابتدايي ترانسفورماتور مدرن بود که يک سيم پيچ القايي ناميده مي شد. از سال ۱۸۸۱م تا ۱۸۸۹م سيستمي که امروزه استفاده مي شود، توسط نيکلا تسلا، جرج وستينگهاوس، لوييسين گاولارد، جان گيبس و اليور شالنجر طراحي شد.

سيستمي که توماس اديسون براي اولين بار براي توزيع تجاري الکتريسيته بکار برد، به دليل استفاده از جريان مستقيم محدوديت هاي داشت که در اين سيستم برطرف شد.

اولين انتقال جريان متناوب در طول فواصل بلند در سال ۱۸۹۱م نزديک تلوريد کلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پيدا کرد. توماس اديسون به علت اينکه حقوق انحصاري اختراعات متعددي را در فن آوري جريان مستقيم «DC» داشت، استفاده از جريان مستقيم را، به شدت حمايت مي کرد اما در ن هاي ت جريان متناوب به عرصه استفاده عمومي آمد (جنگ جريان ها را مشاهده کنيد).

چارلز پروتيوس استينمتز از جنرال الکتريک بسياري از مشکلات مرتبط با توليد الکتريسيته و انتقال آن را با استفاده از جريان متناوب حل کرد.

● توزيع برق و تغذيه خانگي

بر خلاف جريان DC، جريان AC را مي توان توسط يک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژي انتقال داد. هر چه ميزان ولتاژ افزايش يابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزايش ميزان قابليت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژي الکتريکي وابسته به عبور جريان از يک هادي است. تلفات توان به علت جريان توسط رابطه P=I^۲-R محاسبه مي شود، بنابراين اگر جريان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.

با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را مي توانيم به يک ولتاژ بالا افزايش دهيم تا بتوانيم توان را در طول فواصل بلند در سطح جريان پايين انتقال داده و در نتيجه تلفات کاهش يابد. سپس مي توانيم ولتاژ را دوباره به سطحي که براي تغذيه خانگي بي خطر باشد، کاهش دهيم.

توليد الکتريکي سه فاز بسيار عمومي است و استفاده اي موثرتر از ژنراتور هاي تجاري را براي ما ممکن مي سازد. انرژي الکتريکي توسط چرخش يک سيم پيچ داخل يک ميدان مغناطيسي در ژنراتور هاي بزرگ و با هزينه بالا ايجاد مي شود. اما به هر حال جاي دادن سه سيم پيچ جدا روي يک محور (بجاي يک سيم پيچ)، هم نسبتاً آسان و هم مقرون به صرفه است. اين سيم پيچ ها روي محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فيزيکي جدا اند و داراي يک اختلاف زاويه ۱۲۰ درجه اي نسبت به هم هستند. سه شکل موج جريان توليد مي شود که داراي اختلاف فاز ۱۲۰ درجه اي نسبت به هم، اما اندازه هاي يکسان هستند.

توزيع الکتريسيته سه فاز بطور وسيعي در ساختمان هاي صنعتي و توزيع الکتريسيته تک فاز در محيط هاي خانگي بکار مي رود. نوعاً يک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسير هاي مختلفي را با يک فاز متفاوت براي بخش هاي مختلف هر مسير، تغذيه کند.

سيستم هاي سه فاز به گونه اي طراحي شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باري به طور صحيح متعادل شده باشد، جريان ي از نقطه خنثي عبور نخواهد کرد. اين بدين مفهوم است که مي توان جريان را تنها با سه کابل به جاي شش کابل که در غير اين صورت مورد نياز است، انتقال داد. گفتني است که برق سه فاز در واقع نوعي از سيستم چند فازه است.

در بسياري از موارد تنها يک تک فاز براي تغذيه ي روشنايي خيابان ها يا مصرف کننده هاي خانگي مورد نياز است. وقتي که يک سيستم توان الکتريکي سه فاز داريم، يک کابل چهارمي که خنثي است را در توزيع خياباني قرار مي دهيم تا براي هر خانه يک مدار کامل را فراهم کنيم «يعني هر خانه مي تواند از يکي از کابل هاي فاز و کابل خنثي براي مصرف استفاده کند». خانه هاي مختلف در خيابان از فاز هاي مختلف استفاده مي کنند يا وقتي که مصرف کننده هاي زيادي به سيستم متصلند، آنها را به صورت مساوي در طول سه فاز پخش مي کنند تا بار روي سيستم متعادل شود. بنابراين کابل تغذيه هر خانه معمولاً تنها شامل يک هادي فاز و نول و احتمالاً با يک پوشش آهني زمين شده، است.

براي اطمينان يک سيم سومي هم اغلب بين هر يک از وسايل الکتريکي در خانه و صفحه سوييچ الکتريکي اصلي يا جعبه فيوز وصل مي شود. اين سيم سوم در انگلستان و اکثر کشور هاي انگليسي زبان سيم earthو در آمريکا سيم groundخوانده مي شود. در صفحه سوييچ اصلي سيم earth را به سيم نول و نيز به يک تيرک متصل به زمين يا هر نقطه earthدر دسترس (براي آمريکايي ها نقطه ground ) نظير لوله آب، متصل مي کنند.

در صورت وقوع خطا، سيم زمين مي تواند جريان کافي را براي راه اندازي يک فيوز و جدا کردن مدار داراي خطا، از خود عبور دهد. همچنين اتصال زمين به اين مفهوم است که ساختمان مجاور داراي ولتاژي برابر ولتاژ نقطه خنثي است.

شايع ترين نوع خطاي الکتريکي (شوک) در صورتي رخ مي دهد که شي اي (معمولاً يک نفر) بطور تصادفي بين يک هادي فاز و زمين، مداري تشکيل دهد. در اين صورت يک جريان خطا از فاز به زمين ايجاد مي شود که به جريان پس ماند معروف است. يک مدار شکن جريان پس ماند طراحي شده است تا چنين مشکلي را شناسايي کند و مدار را قبل از اينکه شوک الکتريکي منجر به مرگ شود، قطع کند.

در کاربرد هاي صنعتي (سه فاز) بسياري از قسمت هاي مجزاي سيستم خنثي به زمين متصلند که اين امر موجب مي شود تا جريان هاي کوچک زمين، که همواره بين يک ژنراتور و يک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. اين سيستم زمين کردن اين اطمينان را به ما مي دهد که اگر خطايي رخ دهد، جريان ي که از نقطه خنثي مي گذرد به يک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. اين روش به سيستم خنثي زمين چندگانه معروف است.

● فرکانس هاي AC در کشورها

اکثر کشور هاي جهان سيستم هاي الکتريکي شان را روي يکي از دو فرکانس ۶۰ و ۵۰ هرتز استاندارد کرده اند. ليست کشور هاي ۶۰ هرتز که اغلبشان در دنياي جديد قرار دارند کوتاه تر است اما نمي توان گفت که ۶۰ هرتز کمتر معمول است.

کشور هاي ۶۰ هرتز عبارتند از: سامواي امريکا، آنتيگوا و باربودا، آروبا، باهاماس، بليز، برمودا، کانادا، جزاير کيمان، کلمبيا، کاستاريکا، کوبا، جمهوري دمونيکن، السالوادور، پلينسياي فرانسه، گوام، گواتمالا، گيانا، هاي يتي، هندوراس، کره جنوبي، ليبريا، جزاير مارشال، مکزيک، ميکرونسيا، مونت سرات، نيکاراگويه، جزاير مارياناي شمالي، پالايو، پاناما، پرو، فيليپين، پرتوريکو، ساين کيتس و نويس، سورينام، تايوان، ترينيداد توباگو، جزاير ترکس و کياکوس، ايالات متحده، ونزولا، جزاير ويرجين، جزيره ويک.

اين کشورها داراي سيستم هاي ي با فرکانس مختلط ۶۰ و ۵۰ هرتز اند: بحرين، برزيل(اغلب فرکانس ۶۰) ، ژاپن (فرکانس ۶۰ هرتز در زمان حضور غربي ها).

اغلب کشورها بگونه اي استاندارد تلويزيون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانس خطوط برق شان متناسب باشد. استاندارد NTSCبراي کار با فرکانس خطوط برق ۶۰ هرتز طراحي شده است در حاليکه PALو SECAMبراي فرکانس خطوط ۵۰ هرتز طراحي شده است اما نسخه ۶۰ هرتز PALهم وجود دارد، براي مثال در برزيل PAL-Mارايه دهنده وضوح PALو چشمک تصوير پايين NTSCاست.

عموماً اين مطلب پذيرفته شده است که نيکلا تسلا فرکانس ۶۰ هرتز را به عنوان کمترين فرکانسي که منجر به عدم بروز پديده چشمک زني قابل مشاهده در روشنايي هاي خيابان ها مي شد، انتخاب کرد. توان ۲۵ هرتز بيش از آني که در آبشار نياگارا توليد شود، در اونتاريو و آمريکاي شمالي استفاده مي شده است.

هنوز هم ممکن است برخي از ژنراتور هاي ۲۵ هرتز در آبشار نياگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پايين طراحي موتور هاي الکتريکي کم سرعت را ساده مي سازد و مي توان آنرا به صورت بهتر و موثرتري توليد کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زني قابل ملاحظه اي در روشنايي ها مي شود. کاربرد هاي ساحلي و دريايي ممکن است گاهاً فرکانس ۴۰۰ هرتز را به علت مزيت هاي مختلف فني مورد استفاده قرار دهند. برق ۶۷/۱۶ هرتزي هم هنوز در برخي از سيستم هاي راه آهن اروپا مانند سوئد به چشم مي خورد.

● رياضيات ولتاژ هاي AC

جريان هاي متناوب عموما با ولتاژ هاي متناوب مرتبط اند. يک ولتاژ AC، V را مي توان به صورت رياضي مانند يک تابع از زمان توسط معادله زير نمايش داد:

که در آن A، اندازه بر حسب ولت است (همچنين ولتاژ پيک خوانده مي شود)

&#۹۶۹;، فرکانس زاويه اي بر حسب راديان بر ثانيه و t، زمان بر حسب ثانيه است.

به دليل اينکه فرکانس زاويه اي براي رياضي دانان بيش از مهندسين جذاب است، اين معادله معمولاً به صورت زير نوشته مي شود: که در آن f، فرکانس بر حسب هرتز است.

مقدار پيک به پيک يک ولتاژ AC به صورت اختلاف بين پيک مثبت و منفي اين ولتاژ تعرف مي شود. به دليل اينکه حداکثر ولتاژ sin(x) ، ۱+ و حداقل مقدار آن ۱- است، يک ولتاژ AC بين +A و A – نوسان مي کند. بنابراين ولتاژ پيک به پيک که به صورت VP-P نوشته مي شود، برابر (+A)-(-A) = ۲×Aخواهد بود.

اندازه يک ولتاژ AC معمولاً به صورت يک مقدار ريشه ميانگين مجذور (rms) بيان مي شود که Vrms نوشته مي شود. براي يک ولتاژ سينوسي داريم:

Vrms در محاسبه تواناي که توسط يک بار الکتريکي مصرف شده، مفيد است. اگر يک ولتاژ مستقيم VDC يک توان P را به يک بار داده شده ارايه دهد، آنگاه يک ولتاژ متناوب با Vrms در صورتي همان توان را به بار مشابه ارايه مي دهد که Vrms = VDC.

براي توضيح اين مفهوم، خطوط برق ۲۴۰ ولتي متناوب را در انگليس تصور کنيد. دليل نام اين خطوط اين است که مقدار rms آن (حداقل بطور نامي) ۲۴۰ ولت است. بدين مفهوم که اين خطوط همان اثر گرمايي را دارند که ولتاژ DC ۲۴۰ ولتي دارد. براي محاسبه ولتاژ پيک (اندازه)، مي توانيم معادله بالا را به اين معاله تغيير دهيم:

براي ولتاژ AC ۲۴۰ ولتي، ولتاژ پيک يا A برابر ۲۴۰ V × √۲ = ۳۳۹ V (تقريبا) است. ولتاژ پيک به پيک خطوط ۲۴۰ ولتي حتي از اين هم بيشتر است: ۲ × ۲۴۰ V × √۲ = ۶۷۹ V (تقريبا). اتحاديه اروپا (شامل انگليس) اکنون يک تغذيه ۲۳۰ ولتي و ۵۰ هرتزي را بين کشور هاي خود، هم آهنگ کرده است.