Prąd przemienny

Prądu przemiennego (która może być podana jako AC lub AC ) jest wyposażone w okresowo zmieniających kierunek dwa razy w czasie, i który prowadzi ilości energii elektrycznej alternatywnie wynosić w jednym kierunku, a w drugiej. Prąd przemienny ma zatem składową ciągłą (wartość średnią) równą zero.

Prąd przemienny charakteryzuje się częstotliwością mierzoną w hercach (Hz). Te częstotliwości odpowiada liczbie okresów sygnału na sekundę (jedna oscylacji = jednym okresie). Prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz wykonuje pięćdziesiąt oscylacji na sekundę, czyli zmienia kierunek sto razy na sekundę.

Najczęściej stosowaną formą prądu przemiennego jest prąd sinusoidalny , głównie do komercyjnej dystrybucji energii elektrycznej. Stosowana częstotliwość to najczęściej 50 Hz, z wyjątkiem, na przykład, w Ameryce Północnej, gdzie częstotliwość wynosi 60 Hz .

Prąd przemienny (którego wartość średnia - składowa stała - wynosi zero) może zasilać transformator bez ryzyka nasycenia obwodu magnetycznego .

Historyczny

We Francji, Lucien Gaulard wynalazł transformator ( patent z7 listopada 1882 r.). Maszyna synchroniczna został wynaleziony w Stanach Zjednoczonych przez fizyka Nikola Tesla (zgłoszenia patentowe1 st maja 1888). Te dwa wynalazki umożliwiają przezwyciężenie ograniczeń nałożonych przez wykorzystanie prądu stałego do dystrybucji energii elektrycznej, zalecane wówczas przez Thomasa Edisona, który złożył liczne patenty związane z tą techniką (i posiadał sieci dystrybucji prądu stałego).

Korzyści płynące z transportu i dystrybucji energii elektrycznej prądami przemiennymi są niezaprzeczalne. Przemysłowiec George Westinghouse , posiadacz patentów, w końcu nałożyła go na Stany Zjednoczone.

Korzyści

W przeciwieństwie do prądu stałego, prąd przemienny może mieć swoją charakterystykę (napięcie i prąd) zmienianą przez transformator uzwojenia przy zachowaniu przesyłanej mocy. Ale gdy tylko pojawi się nieistotna składowa prądu stałego, transformator nie jest już odpowiedni.

Dzięki transformatorowi, gdy natężenie prądu transportowanego przez sieci rozdzielcze wysokiego napięcia jest mniejsze, straty wywołane efektem Joule'a są zmniejszone dla tej samej mocy chwilowej p transportowanej. Na przykład, jeśli napięcie u zostanie zwiększone o współczynnik 10, wartość natężenia zostanie podzielona przez tę samą wartość, ponieważ chwilowa wartość mocy jest równa:

p ( t ) = u ( t ) × ja ( t )

A dzieląc przez 10 natężenie przewodzonego prądu I , dzieli się przez 100 straty spowodowane rezystancją kabli elektrycznych, przy czym moc rozpraszana (w watach ) w rezystancji jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu:

P = RI 2

W przypadku dystrybucji napięcie jest następnie obniżane, aby zapewnić napięcie dostosowane do potrzeb użytkownika.

Sinusoidalne prądy przemienne

Sinusoidalny prąd przemienny to sinusoidalny sygnał o jednorodnej wielkości z prądem (wyrażony w amperach ). Ściśle rzecz biorąc, jego składnik DC musi wynosić zero, aby zakwalifikować go jako AC, dlatego sinusoida będzie miała średnią wartość równą zero.

Z matematycznego punktu widzenia

Chwilową wartość napięcia opisuje równanie typu:

u ( t ) = u 0 ⋅ sin ( ω ⋅ t )

lub

u 0 to amplituda sygnału, napięcie szczytowe, w woltach (V),
ω jest impulsem sygnału w radianach na sekundę (rad⋅s -1 ), zdefiniowanym przez ω = 2⋅π⋅ ƒ = 2⋅π / T
ƒ będącą częstotliwością sygnału w hercach (Hz), przy czym T jest okres sygnału w sekundach (s).

Natężenie prądu ma równanie typu:

ja ( t ) = ja 0 ⋅sin ( ω ⋅ t + φ )

lub

i 0 to amplituda sygnału w amperach (A),
φ to przesunięcie fazowe lub faza początku wyrażona w radianach.

Ściśle mówiąc, sinusoidalny prąd przemienny ma tyle samo czasu ( T / 2) dodatni, co ujemny, co oznacza, że jego składowa stała wynosi zero. Sinusoida oscyluje zatem w sposób zrównoważony wokół 0, implikując (matematycznie) średnie wartości u i i zero oraz wartości efektywne (elektrycznie)

$\ mathrm {U} = {\ frac {u_ {0}} {\ sqrt {2}}}$ ,
${\ displaystyle \ mathrm {I} = {\ frac {i_ {0}} {\ sqrt {3}}}}$ .

Rozważ dwa sygnały na rysunku obok. Mówi się, że te dwa sygnały są identyczne, ale przesunięte w fazie o π (pół okresu). Między ich dwoma równaniami jest więc tylko przesunięcie fazowe (lub faza w początku), które się różni.

W rzeczywistości ważne jest to, że różnica faz na początku jest równa φ niebieski - φ czerwony = k π gdzie k jest nieparzystą liczbą całkowitą, ponieważ takie przesunięcie fazowe (π radiany odpowiadające 180 stopniom ) odpowiada offset d 'pół obrotu na okręgu trygonometrycznym . Łączymy więc z jednym sygnałem przeciwną wartość drugiego, ponieważ sin ( x + k ⋅π) = - sin ( x ). Kiedy niebieski sygnał jest na maksimum, czerwony jest na minimum i na odwrót. Zauważ, że te dwa sygnały są przeciwne, to znaczy symetryczne względem osi x.

Systemy fazowe

Jednofazowy

Prąd jednofazowy jest najczęściej używany dla ogółu społeczeństwa. Wykorzystuje dwa przewody: fazowy i neutralny (zwykle podłączony do ziemi na ostatnim transformatorze, podobnie jak neutralny prądu trójfazowego).

Trójfazowy

Tylko alternatory wielofazowe są w stanie dostarczyć dużą moc. Jest to prąd trójfazowy, który jest wykorzystywany do przemysłowej produkcji energii elektrycznej. Zasilanie trójfazowe wykorzystuje cztery kable, po jednym dla każdej z trzech faz i jeden kabel dla przewodu neutralnego. Każdy z kabla trójfazowego przepływa prąd przemienny sinusoida fazie przesuniętej 2 /3 radianach $\ Liczba Pi$ ( 120 stopni) w stosunku do pozostałych dwóch kabli. Przewód neutralny jest zwykle podłączony do ziemi na początku, więc nie jest to kabel transmisyjny, po przybyciu jest po prostu odtwarzany przez sprzężenie w gwiazdę trójfazowych uzwojeń wtórnych transformatora rozdzielczego niskiego napięcia (230/400 woltów) . Ten przewód neutralny jest ponownie podłączony do ziemi tam, gdzie jest to konieczne.

Prąd fazowy jest prąd płynący przez fazę odbiornika. $J$

Obecna linia jest obecny poprzez linię. $i$

A, B i C to nazwy trzech linii. N jest neutralny w przypadku połączenia w gwiazdę. W przypadku połączenia w trójkąt nie ma neutralnego.

Jeśli odbiornik jest podłączony w gwiazdę (zwaną również Y) . ${\ styl wyświetlania I _ {\ tekst {A}} = J _ {\ tekst {AN}}}$

Jeśli odbiornik jest połączony w trójkąt (zwany także ) ,. $\Delta$ ${\ displaystyle I _ {\ text {A}} = {\ sqrt {3}} J _ {\ text {AB}} e ^ {(- j {\ frac {\ pi} {6}})}}$

Inne systemy

XIX th wieku i początek XX th century były bardzo płodnym rodzaje prądów przemiennych. Możemy przytoczyć :

Systemy dwufazowe i dwufazowe.

W niektórych krajach systemy dwufazowe i dwufazowe są starymi systemami dystrybucji energii. Dwufazowy wykorzystuje tylko dwie fazy; system ten jest nadal używany, ale staje się coraz rzadszy.

Układ czterofazowy (4 lub 5 przewodów): fazy przesunięte o 90 stopni.

Te systemy częstotliwości zostały również zróżnicowane. We Francji możemy przytoczyć 25 Hz na południowym zachodzie i 42,5 Hz w regionie Nicei .

Uwagi i referencje

Uwagi

W języku angielskim: AC , dla prądu przemiennego .
Niezerowa wartość średnia prądu.
Ryzyko przegrzania transformatora (czysta strata) lub nawet zwarcia z powodu nasycenia obwodu magnetycznego.

Bibliografia

Jean Cessac i Georges Treherne, Fizyki - klasa matematyki , redaktor Fernand Nathan, Paryż, 1957, str. 290-291.
Ilarion Pavel, „ Wynalezienie silnika synchronicznego autorstwa Nikoli Tesli ” [PDF] , na bibnum.education.fr , Bibnum (dostęp 26 marca 2014 ) , s. 18.

Załączniki

Powiązane artykuły

Prąd ciągły