Σημασία της Παραγωγής Εναλλασσόμενου Ρεύματος

Σε αντίθεση με το συνεχές ρεύμα (DC), το εναλλασσόμενο ρεύμα ορίζεται λόγω ενός ρεύματος που ταξιδεύει μόνο σε μία μόνο διαδρομή. Το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα που εναλλάσσει την κατεύθυνση και την πολικότητα του σε τακτική βάση. Το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι ο τύπος ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται από τις βιομηχανίες και τα νοικοκυριά όταν συνδέουν συσκευές κουζίνας, τηλεοράσεις, ανεμιστήρες και ηλεκτρικούς λαμπτήρες σε μια πρίζα τοίχου. Το στοιχείο μπαταρίας ενός φακού είναι μια κοινή πηγή ισχύος DC. Όταν πρόκειται για αλλαγή ρεύματος ή τάσης, τα ακρωνύμια AC και DC χρησιμοποιούνται συνήθως για να αναφέρονται σε εναλλασσόμενα και συνεχή ρεύματα, αντίστοιχα.

Τι προκαλεί τα εναλλασσόμενα ρεύματα;

Αν και το συνεχές ρεύμα ή η ακατευθυντική ροή ενός ηλεκτρικού φορτίου, είναι μια θεμελιώδης έννοια στην ηλεκτρική μηχανική, μπορεί να μην είναι ο συγκεκριμένος τύπος ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται. Οι λέξεις εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) και συνεχές ρεύμα (DC) χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τους δύο τύπους ρεύματος που διαρρέουν ένα κύκλωμα και να ορίσουν την έννοια της παραγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος. Πολλές πηγές ενέργειας, οι πιο εμφανείς ηλεκτρομηχανικές γεννήτριες, παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα με τάσεις που κυμαίνονται μεταξύ αρνητικής και θετικής πολικότητας με την πάροδο του χρόνου. Ένας εναλλάκτης μπορεί επίσης να παράγει ρεύμα AC για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Ένας βρόχος καλωδίων περιστρέφεται γρήγορα σε ένα μαγνητικό πεδίο σε έναν εναλλάκτη. Ως αποτέλεσμα αυτού δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα κατά μήκος του σύρματος. Το ρεύμα και η τάση στο καλώδιο εναλλάσσονται καθώς το καλώδιο περιστρέφεται και συναντά περιοδικά μια νέα μαγνητική πολικότητα. Αυτό το ρεύμα έχει την ικανότητα να αλλάζει κατεύθυνση σε τακτική βάση και ως αποτέλεσμα, η τάση σε ένα κύκλωμα AC αντιστρέφεται επίσης σε τακτική βάση. Το εναλλασσόμενο ρεύμα μπορεί να έχει περιοδικό χαρακτήρα εάν το ρεύμα αντιστρέφει την πολικότητα σε τακτική βάση.

Το AC μπορεί να υιοθετήσει μια ποικιλία μορφών μέχρι τη στιγμή που η τάση και το ρεύμα εναλλάσσονται. Θα δείτε πολλές διαφορετικές κυματομορφές εάν συνδέσετε ένα κύκλωμα AC σε έναν παλμογράφο και ανιχνεύσετε την τάση του με την πάροδο του χρόνου, συμπεριλαμβανομένων του ημιτόνου, του τετραγώνου και του τριγώνου. Η ημιτονοειδής κυματομορφή είναι η πιο διαδεδομένη κυματομορφή, με ταλαντούμενη τάση ημιτονοειδούς κυματομορφής στις περισσότερες δομές με καλώδιο.

Δημιουργία εναλλακτικού ρεύματος

Μια συσκευή που παράγει εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι γνωστή ως εναλλάκτης. Μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος (γεννήτρια AC) είναι ένας τύπος ηλεκτρικής γεννήτριας.

Ένα ρεύμα ρέει μέσω ενός συρμάτινου βρόχου που περιστρέφεται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Μια ανεμογεννήτρια, μια τουρμπίνα ατμού, ρέον νερό και άλλες πηγές περιστροφής μπορούν όλα να χρησιμοποιηθούν για την περιστροφή του σύρματος. Επειδή το καλώδιο περιστρέφεται και εισέρχεται σε μια νέα μαγνητική πολικότητα σε τακτική βάση, η τάση και το ρεύμα στο καλώδιο εναλλάσσονται.

Η αρχή που χρησιμοποιείται είναι η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Αυτό που λέει είναι ότι αν αλλάξουμε τη μαγνητική ροή μέσω ενός αγώγιμου βρόχου, θα προκαλέσει ηλεκτρική τάση μέσα στον βρόχο. Ενώ η πρωταρχική πηγή είναι στην πραγματικότητα το επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι ένα μη συντηρητικό διάνυσμα γύρω από τη μεταβαλλόμενη ροή. Αλλά όταν το πεδίο αλλάζει μέσα στον αγωγό, θα ασκήσει μια δύναμη στα ηλεκτρόνια που θα ρέουν δίνοντας ένα ρεύμα και ως εκ τούτου μια επαγόμενη EMF ή ηλεκτροκινητική δύναμη μπορεί να ειπωθεί ότι λειτουργεί.

Για να παράγουμε AC σε μια σειρά σωλήνων νερού, συνδέουμε έναν μηχανικό στρόφαλο σε ένα έμβολο που αντλεί νερό εμπρός και πίσω μέσω των σωλήνων (ή "εναλλασσόμενο" ρεύμα). Αξίζει να σημειωθεί ότι, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση ροής, το στενό τμήμα του σωλήνα παράγει αντίσταση στη ροή του νερού.

Μοτέρ AC

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες που λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα επωφελούνται από πολλά άλλα τέτοια πλεονεκτήματα και κέρδη από τη σχεδίαση της γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος έναντι του σχεδιασμού της γεννήτριας DC.

Οι βούρτσες είναι απαραίτητες για τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την ηλεκτρική επαφή με κινούμενα πηνία καλωδίων, αλλά όχι για κινητήρες AC. Πράγματι, για τους σκοπούς αυτού του σεμιναρίου, οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος είναι πολύ παρόμοιοι με τους αντίστοιχους γεννήτριες, με τον κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος να βασίζεται στο αντιστρεπτικό μαγνητικό πεδίο που παράγεται από εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω σταθερών πηνίων σύρματος για να περιστρέφει τον περιστρεφόμενο μαγνήτη γύρω από τον άξονά του και ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος που βασίζεται σε επαφές βούρτσας που πραγματοποιούν και διακόπτουν συνδέσεις για να αντιστρέφουν το ρεύμα μέσω του περιστρεφόμενου πηνίου κάθε 1/2 περιστροφής (180 μοίρες).

Κυματομορφές παραγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος

Οι κυματομορφές AC μπορεί να λάβουν πολλά διαφορετικά σχήματα έως ότου η τάση και το ρεύμα θα παραμείνουν αλλαγμένα μεταξύ τους. Εάν συνδέσουμε έναν παλμογράφο σε ένα κύκλωμα AC και ανιχνεύσουμε την τάση του με την πάροδο του χρόνου, θα μπορούσαμε να δούμε μια ποικιλία κυματομορφών. Το ημιτονοειδές κύμα είναι το πιο συχνό είδος εναλλασσόμενου ρεύματος. Το AC στα περισσότερα σπίτια και χώρους εργασίας δημιουργεί ένα ημιτονοειδές κύμα λόγω της παλμικής του τάσης.

Ημιτονικό κύμα

Συχνά απαιτείται μαθηματική περιγραφή μιας κυματομορφής AC. Θα χρησιμοποιήσουμε ένα τυπικό ημιτονοειδές κύμα σε αυτό το παράδειγμα. Ένα ημιτονοειδές κύμα έχει τρεις συνιστώσες:συχνότητα, πλάτος και φάση.

Το τετραγωνικό κύμα και το τριγωνικό κύμα είναι δύο ακόμη τύποι AC. Τα τετραγωνικά κύματα χρησιμοποιούνται συχνά σε ψηφιακά και μεταγωγικά ηλεκτρονικά, καθώς και στη δοκιμή της λειτουργικότητάς τους.

Εναλλασσόμενες τρέχουσες εφαρμογές

Το AC υπάρχει σχεδόν συνήθως σε καταστήματα στο σπίτι και στο χώρο εργασίας. Αυτό οφείλεται στην ευκολία με την οποία το AC μπορεί να δημιουργηθεί και να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις. Η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χάνει λιγότερη ενέργεια σε υψηλές τάσεις (πάνω από 110 kV). Τα χαμηλότερα ρεύματα προκύπτουν από υψηλότερες τάσεις και τα χαμηλότερα ρεύματα έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία λιγότερης θερμότητας στη γραμμή ισχύος λόγω αντίστασης. Οι μετασχηματιστές διευκολύνουν τη μετατροπή AC σε και από υψηλές τάσεις.

Οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν επίσης να τροφοδοτούνται από AC. Οι κινητήρες και οι γεννήτριες είναι οι ίδιοι μηχανισμοί, εκτός από τους κινητήρες που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια (δημιουργείται τάση στους ακροδέκτες όταν περιστρέφεται ο άξονας ενός κινητήρα!). Αυτό είναι επωφελές για πολλές μεγάλες συσκευές που λειτουργούν με AC, όπως ψυγεία, πλυντήρια πιάτων και ούτω καθεξής.

Συμπέρασμα

Το εναλλασσόμενο ρεύμα (μια συνεχής ροή ηλεκτρικού φορτίου προς μία κατεύθυνση) είχε πάντα ένα σαφές πλεονέκτημα έναντι του συνεχούς ρεύματος (μια σταθερή ροή ηλεκτρικού φορτίου προς μία κατεύθυνση) καθώς μπορούσε να μεταδώσει ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις με μικρή απώλεια ενέργειας λόγω αντίστασης. Η ισχύς που μεταδίδεται είναι ίση με το ρεύμα επί την τάση, ενώ η ισχύς που χάνεται είναι ίση με την αντίσταση επί το τετράγωνο του ρεύματος.