جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC)

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: جریان مستقیم (DC)، 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.

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.

عموماً در بسیاری از کاربرد‌های کم ولتاژ استفاده می‌شود، خصوصاً در جایی که انرژی از طریق باتری‌ها تامین می‌شود که تنها می‌توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستم‌های خودکار، از DC استفاده می‌کنند.

اگرچه که 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 یکسوساز با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر، ولتاژ پایدار تری 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 به کار 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، به کارمی رود.

 

 

جریان متناوب: 
یک جریان متناوب (AC) جریان الکتریکی‌ای است که در آن اندازه جریان به صورت چرخه‌ای تغییر می‌کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه جریان مقدار ثابتی می‌ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموماً یک موج سینوسی کامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می‌شود. اما به هر حال در کاربردهای خاص، شکل موج‌های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده می‌شود.

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 ۱۸۸۱ م. تا ۱۸۸۹ م. 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 محدودیت‌های داشت که در این سیستم برطرف شد.

اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال ۱۸۹۱ م. 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 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

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=R*I^ 2 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 نسبتاً آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچ‌ها روی محور ژنراتور‌ها نصب شده اند، اما از نظر فیزیکی جدا اند 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. نوعاً 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 شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می‌توان جریان را تن‌ها با سه کابل به جای 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 تک فاز برای تغذیه‌ی 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 سه فاز پخش می‌کنند تا بار روی سیستم متعادل شود؛ بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاً تن‌ها 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 صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می‌شود. 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 شی‌ای (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 جریان‌های 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 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.
اکثر کشورهای جهان سیستم‌های الکتریکی شان را روی یکی از دو فرکانس ۶۰ و ۵۰ هرتز استاندارد کرده اند. 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 سیستم هایی با فرکانس مختلط ۶۰ و ۵۰ هرتز اند: بحرین، برزیل (اغلب فرکانس ۶۰)، ژاپن (فرکانس ۶۰ هرتز در زمان حضور غربی ها).

اغلب کشور‌ها بگونه‌ای استاندارد تلویزیون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانس خطوط برق شان 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 ارایه 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 به صورت بهتر و موثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه‌ای در روشنایی‌ها می‌شود. کاربرد‌های ساحلی و دریایی ممکن است گاهاً فرکانس ۴۰۰ هرتز را به علت مزیت‌های مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند.

برق 16.6 V هرتزی هم هنوز در برخی از سیستم‌های راه آهن اروپا مانند سوئد به چشم می‌خورد.
جریان‌های متناوب عموما با ولتاژهای متناوب مرتبط اند. یک ولتاژ AC را می‌توان به صورت ریاضی مانند یک تابع از زمان توسط معادله زیر نمایش داد:

 

که در آن A، اندازه بر حسب ولت است (همچنین ولتاژ پیک خوانده می‌شود)

W.، فرکانس زاویه‌ای بر حسب رادیان بر ثانیه و t، زمان بر حسب ثانیه است.
به دلیل اینکه فرکانس زاویه‌ای برای ریاضی دانان بیش از مهندسین جذاب است، این معادله معمولاً به صورت زیر نوشته می‌شود: که در آن f، فرکانس بر حسب هرتز است.

مقدار پیک به پیک یک ولتاژ AC به صورت اختلاف بین پیک مثبت و منفی این ولتاژ تعرف می‌شود. به دلیل اینکه حداکثر ولتاژ sin (x)، ۱ + و حداقل مقدار آن ۱ - است، یک ولتاژ AC بین +A و A - نوسان می‌کند؛ بنابراین ولتاژ پیک به پیک که به صورت VP-P نوشته می‌شود، برابر (+A) - (-A) = ۲ ×A خواهد بود.

اندازه یک ولتاژ AC معمولاً به صورت یک مقدار ریشه میانگین مجذور (rms) بیان می‌شود که Vrms نوشته می‌شود. برای یک ولتاژ سینوسی داریم:

Vrms در محاسبه توانای که توسط یک بار الکتریکی مصرف شده، مفید است. اگر یک ولتاژ مستقیم VDC یک توان P  را به یک بار داده شده ارایه دهد، آنگاه یک ولتاژ متناوب با Vrms در صورتی همان توان را به بار مشابه ارایه می‌دهد که Vrms = VDC.

برای توضیح این مفهوم، خطوط برق ۲۴۰ ولتی متناوب را در انگلیس تصور کنید. دلیل نام این خطوط این است که مقدار rms آن (حداقل بطور نامی) ۲۴۰ ولت است. بدین مفهوم که این خطوط همان اثر گرمایی را دارند که ولتاژ DC ۲۴۰ ولتی دارد.

 

برای محاسبه ولتاژ پیک (اندازه)، می‌توانیم 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:  240*2 V. × √ 2 = 679 V. (تقریبا). اتحادیه اروپا (شامل انگلیس) اکنون یک تغذیه ۲۳۰ ولتی و ۵۰ هرتزی را بین کشورهای خود، هم آهنگ کرده است.