AC

Curent alternativ (în verde). Axa orizontală măsoară timpul; axa verticală măsoară curentul sau tensiunea.

Curentul alternativ ( AC sau AC din engleză : A lternating C urrent ), în ingineria electrică , este un tip de curent electric în care fluxul de electroni își inversează direcția continuu în timp. Spre deosebire de curentul continuu (reprezentat în roșu în figură) în care fluxul de electroni este unidirecțional, în curent alternativ fluxul de electroni își inversează direcția, cu o alternanță care are loc cu o frecvență fixă (de obicei 50 Hz sau 60 Hz).

Cu toate acestea, inversiunea polarității nu are loc brusc, ci cu o variație progresivă în funcție de o tendință numită sinusoidală , în care valoarea curentului (și deci tensiunea) începe de la zero și crește treptat într-o anumită direcție, atinge valoarea maximă pentru a scădea apoi pentru a scădea la zero și începe din nou în direcția opusă cu aceeași tendință, apoi ciclul se repetă. Graficând valorile asumate de cantitatea electrică în timp pe un grafic, se obține un sinusoid , reprezentat în verde în figura din dreapta, de unde și termenul sinusoidal. Caracteristicile de variație progresivă menționate anterior derivă direct din structura fizică a generatoarelor electrice rotative, care produc energia pentru traversarea câmpurilor magnetice rotative.

Istorie

Același subiect în detaliu: Nikola Tesla și George Westinghouse .

La originile utilizării industriale a energiei electrice în secolul al XIX-lea , a fost utilizat curentul continuu , care oferea avantajul de a putea fi stocat în baterii , dar odată cu apariția curentului alternativ de către omul de știință Nikola Tesla , lumea a fost revoluționată din nou. Eficiența acestui nou tip de curent a făcut posibilă reducerea drastică a pierderilor de energie pe distanțe mari datorită creșterii tensiunii electrice care a permis transmiterea de energie electrică mare la tensiune înaltă și curent redus, reducând drastic pierderile datorate disipării pe linie și, prin urmare, grosimea conductorului utilizat pentru transport, comparativ cu curentul continuu al lui Edison .

Un factor fundamental pentru afirmarea curentului alternativ a fost ușurința sa de „transformare” (modificare) a diferenței de potențial (tensiune electrică). Curentul poate fi transportat pe distanțe mari cu tensiuni foarte mari, cu o eficiență excelentă și dispersii puține; prin urmare, ele pot fi reduse, cu transformatoare statice simple și eficiente din punct de vedere structural, la tensiuni minime pentru o distribuție minută de utilizare. Transformarea curentului continuu la diferite tensiuni este mai puțin eficientă și mult mai complexă.

Mai mult, motoarele electrice cu curent alternativ sunt mai fiabile și mai eficiente decât cele cu curent continuu.

Rețele de distribuție a curentului alternativ

Harta lumii colorată în funcție de tensiunile și frecvențele electricității din sistemele de distribuție pentru uz casnic

Distribuția de energie electrică este ultimul pas în procesul de livrare a energiei electrice către utilizatorul final după producție și transmisie , de obicei folosind tensiuni mai mari pentru transmisie, dar menținând aceeași frecvență.

În prezent, în lume, electricitatea alternativă este distribuită în două frecvențe, 50 Hz ( Europa , Asia , Africa ) și 60 Hz ( America , parte a Japoniei ) și, de asemenea, la tensiuni diferite (vezi standardele electrice din lume ). Frecvența curentului alternativ este determinată de viteza de rotație standard a generatoarelor. Rețelele cu frecvențe diferite nu pot fi interconectate între ele și, de obicei, privesc teritorii sau câmpuri de producție, care sunt separate una de cealaltă.

În Europa, electricitatea este distribuită sub formă de curent alternativ sinusoidal la o frecvență constantă de 50 Hz . Această valoare poate fi afectată de vârfurile de consum din rețeaua electrică (caz în care tinde să fie mai mică) sau de supraproducție (devenind mai frecventă); deoarece aceste variații de frecvență pot afecta negativ funcționarea dispozitivelor conectate - sau le pot deteriora - există sisteme speciale care sunt activate pentru a încerca să mențină frecvența cât mai aproape de valoarea nominală, chiar și în prezența unor dezechilibre excesive între producție și consum. ^[1]

Operațiune

Utilizarea curentului alternativ derivă din faptul că:

transportul (în special pe distanțe mari) a puterilor electrice mari este foarte eficient dacă este efectuat la tensiuni ridicate, acesta din urmă ușor accesibil cu ajutorul transformatoarelor ;
alternatoarele sunt constructiv mai simple și au o eficiență mai mare decât dinamurile ;
în curent continuu nu este posibil să se exploateze avantajele unui sistem trifazat .

Conversia între curent continuu și curent alternativ

Aproape toate dispozitivele electronice ale utilizatorului funcționează în curent continuu, dar acest lucru poate fi obținut, din curent alternativ, prin intermediul unui redresor simplu.

Pe de altă parte, este posibil să se obțină curent electric alternativ din curent continuu, generat în parametri corespunzători de frecvență , formă de undă și tensiune prin intermediul dispozitivelor electronice numite invertoare datorită faptului că produc efecte inverse redresorului.

Invertoarele formate în mod tradițional din dispozitive electronice discrete (pornit / oprit) au dificultăți în a reproduce unda sinusoidală perfectă și continuă, dar produc cu ușurință doar unde pătrate , care la puteri semnificative induc fenomene parazite de frecvențe false, dispersii de energie și zgomot, care sunt ineficient și dăunător echipamentului. Prin urmare, sunt necesare adăugări complexe de modulație care aduc unda mai aproape de forma sinusoidală, care este funcțional optimă.

Invertorul este o componentă fundamentală a unui sistem fotovoltaic conectat la rețeaua de distribuție. De fapt, modulele fotovoltaice produc curent continuu și pentru a alimenta total sau parțial producția de energie electrică rezultată în rețea , acesta trebuie transformat în mod corespunzător în curent alternativ și sincronizat cu cel al rețelei, pentru a contribui la așa-numita generație distribuită .

Regim sinusoidal

Electricitatea distribuită în mod obișnuit și utilizată în ingineria electrică are o formă de undă sinusoidală, deoarece această tendință derivă direct din modul în care funcționează alternatoarele și din legile inducției electromagnetice . Prin urmare, forța electromotivă produsă de un alternator are forma:

f(t)=F_{0}\sin(\omega t+\phi )\;

{\ displaystyle f (t) = F_ {0} \ sin (\ omega t + \ phi) \;}

f (t) = F_ {0} \ sin (\ omega t + \ phi) \;

unde este $F_{0}$ ${\ displaystyle F_ {0}}$ $F_ {0}$ este valoarea maximă a forței electromotoare, adică amplitudinea oscilației, $\omega$ ${\ displaystyle \ omega}$ $\omega$ este pulsația, legată de perioada T și de frecvență $\nu$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ :

T={\frac {2\pi }{\omega }}

{\ displaystyle T = {\ frac {2 \ pi} {\ omega}}}

T = {\ frac {2 \ pi} {\ omega}}

Și

\nu ={\frac {\omega }{2\pi }}

{\ displaystyle \ nu = {\ frac {\ omega} {2 \ pi}}}

\ nu = {\ frac {\ omega} {2 \ pi}}

Curentul alternativ trebuie să aibă aceeași formă:

i(t)=I_{0}\sin(\omega t+\phi )\;

{\ displaystyle i (t) = I_ {0} \ sin (\ omega t + \ phi) \;}

i (t) = I_ {0} \ sin (\ omega t + \ phi) \;

O cantitate sinusoidală are o valoare medie zero pe o perioadă T. Din acest motiv, cantitatea măsurabilă este valoarea sa efectivă sau efectivă menită să fie valoarea pătrată medie rădăcină:

I_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t}^{t+T}i^{2}(t)\ dt

{\ displaystyle I_ {rms} ^ {2} = {\ frac {1} {T}} \ int _ {t} ^ {t + T} i ^ {2} (t) \ dt}

I _ {{rms}} ^ {{2}} = {\ frac {1} {T}} \ int _ {{t}} ^ {{t + T}} i ^ {2} (t) \ dt

din care obținem că curentul efectiv $I_{eff}$ ${\ displaystyle I_ {eff}}$ ${\ displaystyle I_ {eff}}$ , referit ca $I_{rms}$ ${\ displaystyle I_ {rms}}$ ${\ displaystyle I_ {rms}}$ în citirea în engleză ( rms înseamnă rădăcină medie pătrat care se traduce, de fapt, în valoare pătrată medie ), este legată de valoarea sa maximă $I_{0}$ ${\ displaystyle I_ {0}}$ $I_ {0}$ :

I_{rms}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{t}^{t+T}I_{0}^{2}\sin ^{2}(\omega t)dt}}={\frac {I_{0}}{\sqrt {2}}}

{\ displaystyle I_ {rms} = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {t} ^ {t + T} I_ {0} ^ {2} \ sin ^ {2} (\ omega t) dt}} = {\ frac {I_ {0}} {\ sqrt {2}}}}

I _ {{rms}} = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {{t}} ^ {{t + T}} I _ {{0}} ^ {{2} } \ sin ^ {2} (\ omega t) dt}} = {\ frac {I_ {0}} {{\ sqrt {2}}}}

Pentru tensiune $V_{eff}$ ${\ displaystyle V_ {eff}}$ ${\ displaystyle V_ {eff}}$ , adică $V_{rms}$ ${\ displaystyle V_ {rms}}$ $V _ {{rms}}$ după cum se indică în literatura engleză, avem:

V_{rms}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{t}^{t+T}V_{0}^{2}\sin ^{2}(\omega t)dt}}={\frac {V_{0}}{\sqrt {2}}}

{\ displaystyle V_ {rms} = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {t} ^ {t + T} V_ {0} ^ {2} \ sin ^ {2} (\ omega t) dt}} = {\ frac {V_ {0}} {\ sqrt {2}}}}

V _ {{rms}} = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {{t}} ^ {{t + T}} V _ {{0}} ^ {{2} } \ sin ^ {2} (\ omega t) dt}} = {\ frac {V_ {0}} {{\ sqrt {2}}}}

Tensiunea efectivă $V_{rms}$ ${\ displaystyle V_ {rms}}$ $V _ {{rms}}$ vă permite să scrieți modulul puterii complexe ca

|{\bar {P}}|=V_{rms}I_{rms}

{\ displaystyle | {\ bar {P}} | = V_ {rms} I_ {rms}}

| {\ bar {P}} | = V _ {{rms}} I _ {{rms}}

cu o expresie similară cu ( $P=VI$ ${\ displaystyle P = VI}$ $P = VI$ ) care s-ar scrie în regim constant (numit și curent continuu ). Prin urmare, având în vedere un bipol cu privire la care tensiunea și curentul sunt perfect în fază (deci un bipol pur rezistiv) se poate afirma că tensiunea și curentul efectiv reprezintă, numeric , valorile de tensiune și curent care, în regim constant , ar disipa prin efect Joule o putere echivalentă cu puterea medie disipată în regim sinusoidal de același bipol rezistiv supus tensiunilor și curenților sinusoidali de amplitudine, respectiv, $V_{0},I_{0}$ ${\ displaystyle V_ {0}, I_ {0}}$ $V_ {0}, I_ {0}$ .

În graficul lateral, se arată forma undei sinusoidale efective, care este indicată de linia roșie.

Grafic al valorii tensiunii reale
1) tensiune de vârf
2) tensiune de vârf la vârf
3) valoarea efectivă
4) perioadă

De exemplu, tensiunea electrică menajeră normală monofazată are $V_{rms}$ ${\ displaystyle V_ {rms}}$ $V _ {{rms}}$ = $V_{eff}$ ${\ displaystyle V_ {eff}}$ ${\ displaystyle V_ {eff}}$ = 230 V , deci există o tensiune de vârf $V_{0}$ ${\ displaystyle V_ {0}}$ $V_ {0}$ = $V_{p}$ ${\ displaystyle V_ {p}}$ $V_ {p}$ = 325,27 V, această valoare poate fi obținută prin înmulțirea tensiunii efective (valoarea nominală a rețelei electrice) cu ${\sqrt {2}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {2}}}$ ${\ sqrt {2}}$ (aproximativ la 1,41); în timp ce tensiunea de vârf la vârf $2V_{0}$ ${\ displaystyle 2V_ {0}}$ ${\ displaystyle 2V_ {0}}$ = $V_{pp}$ ${\ displaystyle V_ {pp}}$ ${\ displaystyle V_ {pp}}$ = 650,54 V se obține înmulțind valoarea tensiunii efective cu $2{\sqrt {2}}$ ${\ displaystyle 2 {\ sqrt {2}}}$ $2 {\ sqrt {2}}$ (aproximativ la 2,83).

Aceste valori sunt importante pentru a verifica compatibilitatea / capacitatea unui izolator sau a unui dispozitiv (componentă electronică) pentru a susține aceste tensiuni.

Metoda simbolică

Același subiect în detaliu: Metoda simbolică .

Metoda simbolică este metoda utilizată în practică atunci când este vorba de mărimi sinusoidale, deoarece este imediată și are caracteristica de a formaliza legile circuitelor de curent alternativ, în analogie cu cele deja văzute pentru circuitele de curent continuu.

Mărimile fizice exprimate prin metoda simbolică sunt numere complexe care, totuși, au aceeași frecvență: de fapt, la nivel practic, cantitățile cu care avem de-a face sunt isofrecvențiale. Amintind numerele complexe , o cantitate poate fi exprimată algebric ca:

z=a_{1}+ia_{2}

{\ displaystyle z = a_ {1} + ia_ {2}}

z = a_ {1} + ia_ {2}

unde este $|z|={\sqrt {a_{1}^{2}+a_{2}^{2}}}$ ${\ displaystyle | z | = {\ sqrt {a_ {1} ^ {2} + a_ {2} ^ {2}}}}$ $| z | = {\ sqrt {a _ {{1}} ^ {{2}} + a _ {{2}} ^ {{2}}}}$ este modulul numărului complex e ${\frac {a_{2}}{a_{1}}}={\frac {\sin \phi }{\cos \phi }}=\tan \phi$ ${\ displaystyle {\ frac {a_ {2}} {a_ {1}}} = {\ frac {\ sin \ phi} {\ cos \ phi}} = \ tan \ phi}$ ${\ frac {a_ {2}} {a_ {1}}} = {\ frac {\ sin \ phi} {\ cos \ phi}} = \ tan \ phi$ unde este $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ se numește argument sau anomalie, în cazul nostru este faza. Datorită acestui fapt, putem exprima același număr complex ca:

z=|z|(\cos \phi +i\sin \phi )

{\ displaystyle z = | z | (\ cos \ phi + i \ sin \ phi)}

z = | z | (\ cos \ phi + i \ sin \ phi)

Folosind formula lui Euler , putem exprima același număr complex sub formă exponențială:

z=|z|e^{i\phi }

{\ displaystyle z = | z | e ^ {i \ phi}}

z = | z | e ^ {{i \ phi}}

Datorită acestui formalism, o cantitate sinusoidală poate fi exprimată simbolic ca:

curent electric alternativ:

\mathbf {I} (t)=I_{max}\sin(\omega t)

{\ displaystyle \ mathbf {I} (t) = I_ {max} \ sin (\ omega t)}

{\ mathbf {I}} (t) = I _ {{max}} \ sin (\ omega t)

tensiune alternativă:

\mathbf {V} (t)=V_{max}\sin(\omega t)

{\ displaystyle \ mathbf {V} (t) = V_ {max} \ sin (\ omega t)}

{\ mathbf {V}} (t) = V _ {{max}} \ sin (\ omega t)

unde este $V_{max},I_{max}$ ${\ displaystyle V_ {max}, I_ {max}}$ $V _ {{max}}, I _ {{max}}$ sunt amplitudinile specificate mai sus și în care faza individuală nu este luată în considerare.

Să luăm un exemplu al circuitului pur rezistiv supus numai tensiunii sinusoidale:

v(t)=V_{max}\sin(\omega t)=\mathbf {V}

{\ displaystyle v (t) = V_ {max} \ sin (\ omega t) = \ mathbf {V}}

v (t) = V _ {{max}} \ sin (\ omega t) = {\ mathbf {V}}

Prin rezistor generatorul trece un curent alternativ egal cu:

i(t)={\frac {V_{max}\sin(\omega t)}{R}}=\mathbf {I}

{\ displaystyle i (t) = {\ frac {V_ {max} \ sin (\ omega t)} {R}} = \ mathbf {I}}

i (t) = {\ frac {V _ {{max}} \ sin (\ omega t)} {R}} = {\ mathbf {I}}

În cele din urmă datorită utilizării notației simbolice:

\mathbf {I} ={\frac {\mathbf {V} }{R}}

{\ displaystyle \ mathbf {I} = {\ frac {\ mathbf {V}} {R}}}

{\ mathbf {I}} = {\ frac {{\ mathbf {V}}} {R}}

relația dintre curent și tensiune rămâne analogă Legii lui Ohm în curent continuu.

Măsurarea tensiunii curentului alternativ

Multe instrumente de măsurare, inclusiv multimetre mai ieftine, sunt construite pentru a calcula valoarea efectivă (în engleză RMS ) a unei tensiuni sinusoidale rectificate prin măsurarea valorii sale medii sau a valorii maxime: indicația este corectă numai dacă semnalul are forma perfect sinusoidală unde, în timp ce este greșit, cu atât semnalul este mai distorsionat, adică bogat în armonici (de exemplu, se mișcă foarte mult chiar dacă unul continuu este suprapus semnalului sinusoidal).

Instrumentele care măsoară adevărata valoare RMS se disting prin acronimul RMS adevărat .

Notă

^ Disputa electricității , pe ilpost.it . Adus pe 29 februarie 2020 .

Bibliografie

( EN ) Charles Proteus Steinmetz : Teoria și calculul fenomenelor de curent alternativ ( McGrawHill , 1900)
( EN ) Charles Proteus Steinmetz: Descărcări electrice, unde și impulsuri (1914)
( EN ) Charles Proteus Steinmetz: Elemente teoretice ale ingineriei electrice (1915)
( EN ) Charles Proteus Steinmetz: Teoria și calculul aparatelor electrice (1917)
( EN ) Charles Proteus Steinmetz: Teoria și calculul fenomenelor și oscilațiilor electrice tranzitorii (McGrawHill, 1920)
(EN) Louis Cohen : Formule și tabele pentru calcularea problemelor de curent alternativ (McGraw-Hill, New York , 1913)
(EN) Ernst Julius Berg : Inginerie electrică, primul curs (McGrawHill, New York, 1916)
(EN) Ernst Julius Berg: Inginerie electrică, curs avansat (McGrawHill, New York, 1916)

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere cu curent alternativ

linkuri externe

( EN ) Curent alternativ , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Cantități electrice sinusoidale , pe sandroronca.it .
Reactanța, Impedanța, Rezonanța Seriei , pe sandroronca.it .

Controlul autorității	Tesauro BNCF 21486 · LCCN (EN) sh85041643 · GND (DE) 4064931-3 · BNF (FR) cb121088640 (dată) · NDL (EN, JA) 00.566.656

Portalul Electromagnetismului

Portal electrotehnic

Portal de inginerie

[1] Disputa electricității , pe ilpost.it . Adus pe 29 februarie 2020 .

[1]

V · D · M Nikola Tesla
Cariera e invenții	Brevete · Egg of Columbus · Transmițător de amplificare · sistem polifazic · Câmp magnetic rotativ · motor de inducție · Stație experimentală Tesla · teleforce · Telegeodinamica · Tesla Coil ( transfer de energie fără fir ) · Radio · Tesla Turbină · Oscilator Tesla · Sistem trifazat · Turn Wardenclyffe · Tesla Electric Light & Manufacturing · teslascop · Individualizarea artei
Lucrări	Note din Colorado Springs, 1899-1900 · Fragmente de bârfe olimpice · Invențiile mele: Autobiografia lui Nikola Tesla
Alte	Război curent · Radio de invenție · Westinghouse Electric · sistem global de transmisie fără fir · Raze de moarte · Raze X · unde terestre staționare · purpurea Placa Tesla
În cultura populară	Secretul lui Nikola Tesla · Prestigiul · Ordinul: 1886
Legate de	Muzeul Nikola Tesla · Centrul de Știință Tesla din Wardenclyffe · Premiul IEEE Nikola Tesla · Premiul Nikola Tesla prin satelit · Knob Hill · Tesla Motors · Aeroportul din Belgrad Nikola Tesla · Turnul către oameni (documentar) · Tesla · AC
Wikicitat · Wikisource · Commons