Courant alternatif

lumi??res de la ville dans une consult?? Mouvement flou exposition. Le clignotement AC provoque les lignes ?? pointill??s plut??t que continue.

Un courant alternatif (AC) est un courant ??lectrique dont la grandeur et la direction varient de mani??re cyclique, par opposition ?? courant continu, dont la direction reste constante. L'habituel une forme d'onde de Circuit d'alimentation AC est un onde sinuso??dale, car cela se traduit par la transmission la plus efficace de l'??nergie. Cependant, dans certaines applications diff??rentes formes d'ondes sont utilis??es, telles que des ondes triangulaires ou carr??s.

Utilis?? de fa??on g??n??rique, AC se r??f??re ?? la forme sous laquelle l'??lectricit?? est livr??e aux entreprises et aux r??sidences. Cependant, audio et la radio signaux exerc??es ??lectrique fil sont aussi des exemples de courant alternatif. Dans ces applications, un objectif important est souvent la r??cup??ration de l'information cod??e (ou modul??e) sur le signal AC.

Histoire

William Stanley, Jr. con??u un des premiers dispositifs pratiques pour transf??rer la puissance AC efficace entre les circuits isol??s. Utilisation de paires de bobines enroul??es sur un noyau en fer commun, sa conception, appel??e bobine d'induction, ??tait un d??but transformateur. Le syst??me de r??seau alternatif utilis?? aujourd'hui d??velopp?? rapidement apr??s 1886, et comprend les concepts cl??s par Nikola Tesla, qui a ensuite vendu son brevet ?? George Westinghouse. Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens et d'autres ont contribu?? par la suite ?? ce domaine. Syst??mes de climatisation ont surmont?? les limites de la syst??me actuel directe utilis??e par Thomas Edison de distribuer efficacement l'??lectricit?? sur de longues distances.

La premi??re centrale commerciale moderne utilisant du courant alternatif triphas?? ??tait ?? la centrale hydro??lectrique de Mill Creek, pr??s de Redlands, en Californie en 1893 con??ue par Almirian Decker. La conception de Decker incorpor?? 10 000 volts transmission triphas?? et a ??tabli les normes pour le syst??me complet de production, de transport et de moteurs utilis??s aujourd'hui.

Alternant th??orie du circuit ??volu?? rapidement dans la derni??re partie du 19??me et d??but du 20??me si??cle. Contributeurs notables ?? la base th??orique d'une alternance de calculs actuels comprennent Charles Steinmetz, James Clerk Maxwell , Oliver Heaviside, et bien d'autres. Calculs dans les syst??mes triphas??s asym??triques ont ??t?? simplifi??es par la composantes sym??triques m??thodes discut??es par Charles Legeyt Fortescue en 1918.

Transport, la distribution et l'alimentation domestique

Alimentation en courant alternatif peut ??tre augment?? ou r??duit ?? une tension avec transformateur. Utilisation d'une tension plus ??lev??e conduit ?? une transmission plus efficace de mani??re significative de la puissance. Les pertes de puissance dans un conducteur est un produit du carr?? du courant et la r??sistance du conducteur, d??crit par la formule . Cela signifie que lors de la transmission d'une puissance fixe sur un fil donn??, si le courant est doubl??e, la perte de puissance sera quatre fois plus grande.

??tant donn?? que la puissance ??mise est ??gal au produit du courant, la tension et la cosinus φ de la diff??rence de phase ( ), La m??me quantit?? d'??nergie peut ??tre transmise ?? un courant inf??rieur en augmentant la tension. Par cons??quent, il est avantageux lors de la transmission de grandes quantit??s de puissance pour distribuer la puissance ?? des tensions ??lev??es (souvent des centaines de kilovolts).

Cependant, des tensions ??lev??es ont aussi des inconv??nients, dont les principales sont l'isolation accrue exig??e, et g??n??ralement plus de difficult?? dans leur manipulation sans danger. Dans un centrale ??lectrique, la puissance est g??n??r??e ?? une tension proche de la conception d'un g??n??rateur, puis se avan??a vers une haute tension pour la transmission. Pr??s des charges, la tension de transmission est abaiss??e pour les tensions utilis??es par l'??quipement. tensions de consommation varient selon le pays et la taille de la charge, mais g??n??ralement les moteurs et l'??clairage sont con??us pour utiliser jusqu'?? quelques centaines de volts entre phases.

La tension d'utilisation livr?? ?? des ??quipements tels que l'??clairage et moteur des charges est normalis??, avec une plage autoris??e de la tension sur laquelle est pr??vu l'??quipement ?? utiliser. Standard tensions d'utilisation de la puissance et de la tol??rance de pourcentage varient dans les diff??rents syst??mes de secteur trouv??s dans le monde.

Moderne haute tension, en courant continu contraste des syst??mes de transmission de puissance ??lectrique avec les syst??mes alternatif actuels les plus courants comme un moyen pour la transmission de l'??nergie ??lectrique en vrac sur de longues distances. Syst??mes HVDC ont tendance ?? ??tre plus co??teux et moins efficace que les transformateurs. Transmission avec courant continu haute tension ne ??tait pas faisable quand Edison , Westinghouse et Tesla ont ??t?? la conception de leurs syst??mes d'alimentation, car il n'y avait alors aucun moyen de convertir ??conomiquement alimentation AC-DC et retour aux tensions n??cessaires.

Triphas?? production d'??lectricit?? est tr??s commun. Trois bobines s??par??es dans le g??n??rateur stator sont physiquement d??cal?? d'un angle de 120 ?? par rapport ?? l'autre. Trois ondes de courant sont produites qui sont ??gaux en amplitude et 120 ?? en opposition de phase ?? l'autre.

Si la charge sur un r??seau triphas?? est ??quilibr?? de mani??re ??gale entre les phases, aucun courant ne circule ?? travers le point neutre. M??me dans le cas le plus d??favorable asym??trique (lin??aire) de charge, le courant de neutre ne d??passe pas le plus ??lev?? des courants de phase. Il est ?? noter que les charges non lin??aires (par exemple, ordinateurs) peuvent n??cessiter un bus neutre surdimensionn?? et neutre dans le panneau de distribution en amont pour g??rer harmoniques. Les harmoniques peuvent causer des niveaux actuels de conducteur neutre ?? d??passer celui de conducteurs une ou toutes les phases.

Pour triphas?? ?? l'utilisation des tensions d'un syst??me ?? quatre fils est souvent utilis??. Lorsque d??missionner triphas??, un transformateur avec un primaire Delta et une ??toile secondaire est souvent utilis?? de sorte qu'il ne est pas n??cessaire pour un neutre sur le c??t?? de l'offre.

Pour les plus petits clients (juste comment petit varie selon les pays et l'??ge de l'installation), seule une monophas?? et le neutre ou deux phases et le neutre sont prises ?? la propri??t??. Pour les grandes installations tous les trois phases et le neutre sont prises au panneau de distribution principal. Dans le panneau principal triphas??, deux circuits simples et triphas??s peuvent commencer.

Syst??mes monophas??s ?? trois fils, avec un seul transformateur ?? prise m??diane donnant deux conducteurs sous tension, est un syst??me de distribution commun pour les b??timents r??sidentiels et commerciaux en Am??rique du Nord. Cet agencement est quelquefois incorrecte d??nomm?? "deux phases". Une m??thode similaire est utilis??e pour une raison diff??rente sur les sites de construction au Royaume-Uni. Outils ??lectriques petits et ??clairage sont cens??s ??tre aliment?? par un transformateur ?? point milieu local avec une tension de 55V entre chaque conducteur d'alimentation et la terre. Cela r??duit consid??rablement le risque de choc ??lectrique dans le cas o?? l'un des conducteurs sous tension est expos??e ?? travers un d??faut de l'??quipement tout en permettant encore une tension raisonnable pour ex??cuter les outils.

Un troisi??me fil, appel?? le fil de liaison, est souvent connect?? entre non courants portant bo??tiers m??talliques et la terre. Ce conducteur offre une protection contre les chocs ??lectriques en raison d'un contact accidentel des conducteurs de circuit avec le ch??ssis m??tallique des appareils et outils portatifs. Collage de tous les non-courant les parties m??talliques dans un syst??me complet assure il ya toujours un chemin de faible imp??dance ?? la masse suffisante pour transporter tout courant de d??faut aussi longtemps que n??cessaire pour que le syst??me pour effacer l'erreur. Ce chemin de faible imp??dance permet le montant maximum de courant de d??faut de se ??couler, amenant le dispositif de protection contre les surintensit??s (Breakers, fusibles) pour d??clencher ou br??ler aussi vite que possible, retourner le syst??me ??lectrique dans un ??tat s??r. Tous les fils de connexion sont li??s ?? la terre sur le panneau de service principal, comme ce est le Neutre / Chef d'orchestre identifi??e si elle est pr??sente.

AC fr??quences d'alimentation

Le fr??quence du syst??me ??lectrique varie selon les pays; plus de puissance ??lectrique est g??n??r?? ?? 50 ou 60 Hz. Voir Liste des pays avec des bouchons r??seau ??lectrique, les tensions et fr??quences. Certains pays ont un m??lange de 50 Hz et 60 Hz, notamment le Japon.

A basse fr??quence facilite la conception de moteurs ??lectriques ?? basse vitesse, en particulier pour le levage, le broyage et le laminage des applications, et de type de collecteur moteurs de traction pour des applications telles que les chemins de fer , mais provoque aussi un scintillement visible dans l'??clairage ?? incandescence et scintillement d??sagr??able de lampes fluorescentes. 16⅔ Hz puissance est encore utilis?? dans certains syst??mes ferroviaires europ??ens, comme en Autriche , l'Allemagne , la Norv??ge , la Su??de et la Suisse . L'utilisation de fr??quences plus basses aussi fourni l'avantage de pertes ?? faible imp??dance, qui sont proportionnels ?? la fr??quence. Les g??n??rateurs d'origine de Niagara Falls ont ??t?? construits pour produire 25 Hz puissance, comme un compromis entre basse fr??quence pour la traction et induction lourde moteurs, tout en permettant l'??clairage incandescent de fonctionner (mais avec scintillement visible); la plupart des clients 25 Hz r??sidentiels et commerciaux pour le pouvoir Niagara Falls ont ??t?? convertis en 60 Hz par la fin des ann??es 1950, bien que certains clients industriels 25 Hz existaient encore d??s le d??but du 21??me si??cle.

Off-shore, militaire, de l'industrie textile, de la marine, ordinateur mainframe, avions, engins spatiaux et les applications utilisent parfois 400 Hz, pour les prestations de poids r??duit d'appareils ou de vitesses de moteur plus ??lev??s.

Effets ?? des fr??quences ??lev??es

A courant constant, les flux directs uniform??ment dans toute la section transversale de la (uniforme) fil qui le porte. En courant alternatif de fr??quence quelconque, le courant est forc?? vers la surface ext??rieure du fil, et ?? l'??cart du centre. En effet, une charge ??lectrique qui acc??l??re (comme ce est le cas d'un courant alternatif) rayonne des ondes ??lectromagn??tiques et des mat??riaux de haut conductivit?? (le m??tal qui constitue le fil) ne permettent pas la propagation des ondes ??lectromagn??tiques. Ce ph??nom??ne est appel?? effet de peau.

A tr??s hautes fr??quences, le courant ne se ??coule plus dans le fil, mais se ??coule efficacement sur la surface du fil, dans une ??paisseur de quelques profondeurs de peau. La profondeur de la peau est l'??paisseur ?? laquelle la densit?? de courant est r??duite de 63%. M??me ?? des fr??quences relativement basses utilis??s pour la transmission de puissance ??lev??e (50-60 Hz), la distribution non uniforme de courant se produit encore suffisamment ??paisse conducteurs. Par exemple, la profondeur d'un conducteur en cuivre de la peau est d'environ 8,57 mm ?? 60 Hz, conducteurs de courant si ??lev??s sont g??n??ralement creuse pour r??duire leur masse et de co??t.

Comme le courant tend ?? se ??couler dans la p??riph??rie de conducteurs, la section efficace du conducteur est r??duite. Cela augmente le courant alternatif efficace r??sistance du conducteur, ??tant donn?? que la r??sistance est inversement proportionnelle ?? la surface de section transversale dans laquelle le courant se ??coule r??ellement. La r??sistance en courant alternatif est souvent beaucoup plus ??lev?? que la r??sistance en courant continu, ce qui provoque une perte d'??nergie beaucoup plus ??lev??e en raison de chauffage ohmique (??galement appel??e perte de I ² R).

Des techniques pour r??duire la r??sistance AC

Pour un faible pour les fr??quences moyennes, les conducteurs peuvent ??tre divis??s en fils torsad??s, chacun isol?? les uns des autres, et les brins individuels sp??cialement dispos??s ?? changer leur position relative dans le faisceau de conducteurs. Fil construit en utilisant cette technique se appelle Fil de Litz. Cette mesure permet de r??duire en partie l'effet de peau en for??ant le flux de courant plus ??gale ?? travers la section totale des conducteurs bloqu??s. Fil de Litz est utilis?? pour la fabrication de haute Q inductances, r??duire les pertes dans les conducteurs souples v??hiculant des courants tr??s ??lev??s ?? des fr??quences de puissance, et dans les enroulements de dispositifs transportant plus radiofr??quence courant (jusqu'?? plusieurs centaines de kilohertz), comme mode de commutation alimentations et fr??quence radio transformateurs.

Des techniques pour r??duire la perte de rayonnement

Comme ??crit plus haut, un courant alternatif est constitu??e d' une charge ??lectrique p??riodique sous l'acc??l??ration , ce qui provoque un rayonnement d' ondes ??lectromagn??tiques . ??nergie qui est rayonn??e repr??sente une perte. En fonction de la fr??quence, diff??rentes techniques sont utilis??es pour r??duire au minimum la perte par rayonnement.

Paires torsad??es

A des fr??quences allant jusqu'?? environ 1 GHz, les fils sont regroup??s par paire dans un c??blage pour former une paire torsad??e afin de r??duire les pertes dues ?? un rayonnement ??lectromagn??tique et couplage inductif. Une paire torsad??e doit ??tre utilis?? avec un syst??me de signalisation ??quilibr??, o?? les deux fils par des courants ??gaux mais oppos??s. Il en r??sulte que chaque fil de la paire torsad??e rayonne un signal qui est effectivement annul??e par l'autre fil, ce qui entra??ne pratiquement pas de rayonnement ??lectromagn??tique.

Les c??bles coaxiaux

Aux fr??quences sup??rieures ?? 1 GHz, fils non blind??s de dimensions pratiques perdent trop d'??nergie ?? un rayonnement, de sorte des c??bles coaxiaux sont utilis??s ?? la place. Un c??ble coaxial a un fil conducteur int??rieur d'un tube conducteur. Le courant circulant dans le conducteur int??rieur est ??gal et oppos?? au courant circulant sur la surface int??rieure du tube ext??rieur. Cela provoque le champ ??lectromagn??tique soit compl??tement contenu ?? l'int??rieur du tube, et (id??alement) aucune ??nergie ne est ??mise ou coupl?? ?? l'ext??rieur du tube. Les c??bles coaxiaux ont acceptable petites pertes pour des fr??quences allant jusqu'?? environ 20 GHz. Pour fr??quences micro-ondes sup??rieure ?? 20 GHz, la pertes di??lectriques (due principalement ?? la facteur de dissipation de la couche di??lectrique qui s??pare le fil interne du tube ext??rieur) devient trop grande, ce qui rend des guides d'ondes un support plus efficace pour transmettre l'??nergie.

Guides d'ondes

Guides d'ondes sont semblables ?? c??bles coaxiaux, ?? la fois constitu??s de tubes, avec la plus grande diff??rence ??tant que le guide n'a pas de conducteur interne. Les guides d'ondes peuvent avoir toute section transversale quelconque, mais des sections transversales rectangulaires sont les plus communs. Avec les guides d'ondes, l'??nergie ne est plus port?? par un courant ??lectrique, mais par une guid?? champ ??lectromagn??tique. Guides d'ondes ont des dimensions comparables ?? la longueur d'onde du courant alternatif ?? transmettre, de sorte qu'ils sont r??alisables uniquement ?? des fr??quences micro-ondes.

Fibre optique

A des fr??quences sup??rieures ?? 200 GHz, les dimensions de guides d'ondes deviennent impraticable petite, et la les pertes ohmiques dans les parois de guide d'ondes deviennent grandes. Au lieu de cela, la fibre optique , qui sont une forme de guides d'ondes di??lectriques, peuvent ??tre utilis??s. Pour ces fr??quences, les concepts de tensions et courants ne sont plus utilis??s.

Math??matiques de tensions alternatives

Une onde sinuso??dale, sur un cycle (360 ??). La ligne pointill??e repr??sente la moyenne quadratique (RMS) valeur ?? environ 0,707

Courants alternatifs sont accompagn??es (ou caus??es) par des tensions alternatives. En anglais, le sigle AC est commun??ment utilis?? et quelque peu pr??ter ?? confusion pour les deux. Une tension alternative v peut ??tre d??crit math??matiquement comme fonction du temps par l'??quation suivante:

,

o??

• est la tension de cr??te (unit??: volt ),
• est le fr??quence angulaire (unit??: radians par seconde)
  • La fr??quence angulaire est li??e ?? la fr??quence physique, , Qui repr??sente le nombre d'oscillations par seconde (unit?? = hertz), par l'??quation .
• est le temps (unit??: seconde).

La valeur cr??te ?? cr??te d'une tension alternative est d??finie comme la diff??rence entre la cr??te positive et son pic n??gatif. Etant donn?? que la valeur maximale de est une valeur minimum et la valeur -1, sautes d'une tension alternative entre et . La tension cr??te-??-cr??te, g??n??ralement ??crit ou , Est donc .

Puissance et moyenne quadratique

La relation entre la tension et la puissance est:

o?? repr??sente une r??sistance de charge

Plut??t que d'utiliser la puissance instantan??e, Il est plus pratique d'utiliser une puissance moyenne dans le temps (lorsque la moyenne est effectu??e sur ne importe quel nombre entier de cycles). Par cons??quent, la tension alternative est souvent exprim??e en moyenne quadratique (RMS) valeur, ??crit , Parce

Pour une tension sinuso??dale:

Le facteur est appel?? le facteur de cr??te, qui varie pour diff??rentes formes d'onde.

• Pour un triangle forme d'onde:

• Pour un forme d'onde carr??e:

Exemple

Pour illustrer ces concepts, envisager une prise de courant 240 V AC. Elle est appel??e ainsi parce que son Valeur quadratique moyenne est de 240 V. Cela signifie que la puissance moyenn??e dans le temps fournie est ??quivalente ?? la puissance d??livr??e par une tension continue de 240 volts. Pour d??terminer la tension de cr??te (amplitude), on peut modifier l'??quation ci-dessus pour:

Pour notre 240 V AC, le V _pic de tension de cr??te est donc , Qui est d'environ 339 V. La valeur cr??te-??-cr??te du 240 V AC est double, ?? environ 679 V.