لفور سلاملفور دوست داشتنی و زیبا

آشنایی با جریان متناوب و جریان مستقیم

آشنایی با جریان متناوب و جریان مستقیم:

برای یک فرد مبتدی که قصد آموزش الکترونیک را دارد قبل از هر چیزی شناخت و مقایسه دو سیستم جریان متناوب و جریان مستقیم است.

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 ۱۸۹۱میلادی نزدیک تلورید کلرادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد.

توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فن آوری 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.

 
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 ولتاژ افزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادی است. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P = Ri2t محاسبه می‌شود، بنابراین اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.

با استفاده از ترانسفورماتور ، ولتاژ را می‌توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیم تا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجه تلفات کاهش یابد. سپس می‌توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بی خطر باشد، کاهش دهیم.

تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده‌ای موثرتر از ژنراتورهای تجاری را برای ما ممکن می‌سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدان مغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می‌شود.

اما به هر حال جای دادن سه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ) ، هم نسبتا آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچها روی محور ژنراتورها نصب شده‌اند اما از نظر فیزیکی جدا هستند و دارای یک اختلاف زاویه ۱۲۰ درجه‌ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید می‌شود که دارای اختلاف فاز ۱۲۰ درجه‌ای نسبت به هم ، اما اندازه‌های یکسان هستند.

توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمانهای صنعتی و توزیع الکتریسیته تک فاز در محیطهای خانگی بکار می‌رود. نوعا یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخشهای مختلف هر مسیر تغذیه کند.

سیستمهای سه فاز به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری بطور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می‌توان جریان را تنها با سه کابل بجای شش کابل که در غیر این صورت مورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چند فازه است.

در بسیاری از موارد تنها یک برق تک فاز برای تغذیه روشنایی خیابانها یا مصرف کننده‌های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یک کابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می‌دهیم تا برای هر خانه یک مدار کامل را فراهم کنیم، «یعنی هر خانه می‌تواند از یکی از کابلهای فاز و کابل خنثی برای مصرف استفاده کند».

خانه‌های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می‌کنند یا وقتی که مصرف کننده‌های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول برق سه فاز پخش می‌کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولا تنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالا با یک پوشش آهنی زمین شده ، است.

برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می‌شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثر کشورهای انگلیسی زبان سیم earth و در آمریکا سیم ground خوانده می‌شود. در صفحه سوییچ اصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earth در دسترس (برای آمریکاییها نقطه ground) نظیر لوله آب ، متصل می‌کنند.

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 ولتاژی 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.

جریان AC و فرکانس :

جریان در هر سیم پیوسته از مثبت به منفی و از منفی به مثبت تغییر می یابد یا متناوب می شود. تعداد تغییر از مثبت به منفی و برگشت مجدد از منفی به مثبت در هر ثانیه را فرکانس یا سیکل می گویند. در برق ایران این تغییر حالت ۵۰ بار در ثانیه اتفاق می افتد و چنین جریانی ۵۰ هرتز نامیده می شود. هر سیم ۵۰ بار در ثانیه مثبت و ۵۰ بار در ثانیه منفی است و ۱۰۰ بار در ثانیه ولتاژ آن صفر است.

در بسیاری از کشورها برق متناوب دارای فرکانس ۵۰ سیکل است یعنی ۵۰ پریود در ثانیه و یا ۱۰۰ نیم موج در ثانیه. در صورتی که مانند ایران فرکانس ۵۰ هرتز باشد زمان پریود یک پنجاهم ثانیه می شود. ( در هر دور گردش سیم پیچ یک نیم موج مثبت و یک نیم موج منفی تولید می شود که این دو نیم موج را با هم یک پریود می نامند. تعداد پریود هایی که در هر ثانیه تکرا می شود فرکانس نامیده می شود که با علامت F نشان داده و واحد آن هرتز می باشد. یک هرتس یعنی یک پریود در هر ثانیه.)

 
 
فرکانسهای AC در کشورها:

اکثر کشورهای جهان سیستمهای الکتریکی‌شان را روی یکی از دو فرکانس ۶۰ و ۵۰ هرتز استاندارد کرده‌اند. لیست کشورهای ۶۰ هرتز که اغلبشان در دنیای جدید قرار دارند کوتاهتر است، اما نمی‌توان گفت که ۶۰ هرتز کمتر معمول است.

 

کشورهای ۶۰ 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 ماریانای شمالی ، پالایو ، پاناما ، پرو ، فیلیپین ، پرتوریکو ، ساین کیتس و نویس ، سورینام ، تایوان ، ترینیداد توباگو ، جزایر ترکس و کیاکوس ، ایالات متحده ، ونزولا ، جزایر ویرجین ، جزیره ویک.

این کشورها دارای سیستمهایی با فرکانس مختلط ۶۰ و ۵۰ هرتز‌اند: بحرین ، برزیل (اغلب فرکانس ۶۰) ، ژاپن (فرکانس ۶۰ هرتز در زمان حضور غربیها).ا

غلب کشورها به گونه‌ای استاندارد تلویزیون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانس خطوط برقشان متناسب باشد.استاندارد NTSC برای کار با فرکانس خطوط برق ۶۰ هرتز طراحی شده است، در حالیکه PAL و SECAM برای فرکانس خطوط ۵۰ هرتز طراحی شده است، اما نسخه ۶۰ هرتز PAL هم وجود دارد، برای مثال در برزیل PAL-M ارائه دهنده وضوح PAL و چشمک تصویر پایین NTSC است.عموماً این مطلب پذیرفته شده است 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 می‌شده است.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. کاربردهای ساحلی و دریایی ممکن است گاها 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 مانند سوئد به چشم می‌خورد.

جریان مستقیم چیست؟
جریان مستقیم (DC یا جریان پیوسته) ، عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیل کم است. در جریان مستقیم ، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می‌کند که این امر جریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می‌کند.

مقدمه

در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولید الکتریسیته در اواخر قرن ۱۹ توسط توماس ادیسون بکار رفت. امروزه استفاده از جریان مستقیم برای این منظور غالباً کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسط نیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسبتر است (جنگ جریانها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه‌های توان AC با فرکانسهای مختلف به هم ، بکار می‌رود.

>C عموماً در بسیاری از کاربردهای کم ولتاژ استفاده می‌شود، خصوصاً در جایی که انرژی از طریق باتریها تأمین می‌شود که تنها می‌توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستمهای خودکار از DC استفاده می‌کنند. اگر چه ژنراتور یک وسیله AC است که از یک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می‌کند، اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه DC دارند.

با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است، اما کلاً به ولتاژهای با پلاریته ثابت ، DC گفته می‌شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادی هستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسو ساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر ، ولتاژ پایدارتری حاصل می‌شود.

معمولاً به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستمهای جریان مستقیم، نصب آنها نیازمند پریزها ، |کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب بکار می‌رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرا معکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد (که اکثر دستگاههای عمل کننده با باتری این امکان را ندارند).

امروزه گرایشاتی در جهت سیستمهای انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستمهای برق خورشیدی که توسط باتریهای خورشیدی تغذیه می‌شوند، بکار می‌رود.

جریان مستقیم در صنعت:

اگر چه در صنعت بیشتر جریانهای متناوب بکار می‌روند، گاهی جریان مستقیم نیز مورد نیاز است. چنین جریانی را یا توسط تبدیل جریان متناوب شبکه اصلی به کمک یکسو کننده‌ها و یا با استفاده از مولدهای dc خاصی بدست می‌آورند. اغلب روش دوم در کل راحت‌تر است.

 
مولدهای جریان مستقیم:

مولدهای dc همان مولدهای القایی مرسوم هستند که با وسیله خاصی (به نام جابجاگر) مجهز هستند که در قطب‌ها (زغالها) تبدیل ولتاژ متناوب به ولتاژ مستقیم را امکان پذیر می‌سازند. یک مولد ساده جریان مستقیم از چهار قسمت اصلی زیر تشکیل شده است:

 

قطبهای مغناطیسی:

که وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی مولد را به عهده دارد و می‌تواند بصورت آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی باشد.

 
هادیها:

برای ایجاد ولتاژ القایی بکار گرفته می‌شود.



کموتاتور:

در ساده‌ترین حالت از دو نیم استوانه مسی که توسط میکا نسبت به یکدیگر عایق شده‌اند تشکیل می‌گردد، وظیفه یک طرفه کردن ولتاژ و جریان القایی را در خارج از مولد به عهده دارد.

 
جاروبک:

جهت انتقال جریان الکتریکی از هادیها به مصرف کننده استفاده می‌شود.

 
طرز کار مولد ساده جریان مستقیم:

با حرکت هادیها در فضای ما بین قطبها باعث می‌شود میدان مغناطیسی توسط هادیها قطع شود. بدین ترتیب مطابق پدیده القاء در هادیها ولتاژ القاء می‌شود. ابتدا و انتهای هر کلاف به یک نیم استوانه مسی یا یک تیغه کوموتاتور وصل می‌شود، روی تیغه‌های کوموتاتور دو عدد جاروبک بطور ثابت قرار داشته و با حرکت هادیها تیغه‌های کموتاتور زیر جاروبک می‌لغزند، بدین ترتیب در ژنراتورهای جریان مستقیم از طریق کوموتاتور ولتاژ القاء شده طوری به جاروبکها منتقل می‌شود که همیشه یکی از جاروبکها دارای پلاریته مثبت و دیگری دارای پلاریته منفی است.

ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم:

وسایل تبدیل انرژی الکترومکانیکی گردان را ماشینهای الکتریکی می‌گویند.

ماشینهای الکتریکی به دو طریق دسته بندی می‌شوند:

از نظر نوع جریان الکتریکی:
        ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم
        ماشینهای الکتریکی جریان متناوب

 
از نظر نوع تبدیل انرژی:
        مولدهای الکتریکی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
        موتورهای الکتریکی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

 

بطور کلی ماشینهای الکتریکی جزء وسایل تبدیل انرژی غیر خطی هستند، یعنی هر تغییر در ورودی همیشه به یک نسبت در خروجی ظاهر نمی شود.