Courant alternatif

lumières de la ville dans une consulté Mouvement flou exposition. Le clignotement AC provoque les lignes à pointillés plutôt que continue.

Un courant alternatif (AC) est un courant électrique dont la grandeur et la direction varient de manière cyclique, par opposition à courant continu, dont la direction reste constante. L'habituel une forme d'onde de Circuit d'alimentation AC est un onde sinusoïdale, car cela se traduit par la transmission la plus efficace de l'énergie. Cependant, dans certaines applications différentes formes d'ondes sont utilisées, telles que des ondes triangulaires ou carrés.

Utilisé de façon générique, AC se réfère à la forme sous laquelle l'électricité est livrée aux entreprises et aux résidences. Cependant, audio et la radio signaux exercées électrique fil sont aussi des exemples de courant alternatif. Dans ces applications, un objectif important est souvent la récupération de l'information codée (ou modulée) sur le signal AC.

Histoire

William Stanley, Jr. conçu un des premiers dispositifs pratiques pour transférer la puissance AC efficace entre les circuits isolés. Utilisation de paires de bobines enroulées sur un noyau en fer commun, sa conception, appelée bobine d'induction, était un début transformateur. Le système de réseau alternatif utilisé aujourd'hui développé rapidement après 1886, et comprend les concepts clés par Nikola Tesla, qui a ensuite vendu son brevet à George Westinghouse. Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens et d'autres ont contribué par la suite à ce domaine. Systèmes de climatisation ont surmonté les limites de la système actuel directe utilisée par Thomas Edison de distribuer efficacement l'électricité sur de longues distances.

La première centrale commerciale moderne utilisant du courant alternatif triphasé était à la centrale hydroélectrique de Mill Creek, près de Redlands, en Californie en 1893 conçue par Almirian Decker. La conception de Decker incorporé 10 000 volts transmission triphasé et a établi les normes pour le système complet de production, de transport et de moteurs utilisés aujourd'hui.

Alternant théorie du circuit évolué rapidement dans la dernière partie du 19ème et début du 20ème siècle. Contributeurs notables à la base théorique d'une alternance de calculs actuels comprennent Charles Steinmetz, James Clerk Maxwell , Oliver Heaviside, et bien d'autres. Calculs dans les systèmes triphasés asymétriques ont été simplifiées par la composantes symétriques méthodes discutées par Charles Legeyt Fortescue en 1918.

Transport, la distribution et l'alimentation domestique

Alimentation en courant alternatif peut être augmenté ou réduit à une tension avec transformateur. Utilisation d'une tension plus élevée conduit à une transmission plus efficace de manière significative de la puissance. Les pertes de puissance dans un conducteur est un produit du carré du courant et la résistance du conducteur, décrit par la formule . Cela signifie que lors de la transmission d'une puissance fixe sur un fil donné, si le courant est doublée, la perte de puissance sera quatre fois plus grande.

Étant donné que la puissance émise est égal au produit du courant, la tension et la cosinus φ de la différence de phase ( ), La même quantité d'énergie peut être transmise à un courant inférieur en augmentant la tension. Par conséquent, il est avantageux lors de la transmission de grandes quantités de puissance pour distribuer la puissance à des tensions élevées (souvent des centaines de kilovolts).

Cependant, des tensions élevées ont aussi des inconvénients, dont les principales sont l'isolation accrue exigée, et généralement plus de difficulté dans leur manipulation sans danger. Dans un centrale électrique, la puissance est générée à une tension proche de la conception d'un générateur, puis se avança vers une haute tension pour la transmission. Près des charges, la tension de transmission est abaissée pour les tensions utilisées par l'équipement. tensions de consommation varient selon le pays et la taille de la charge, mais généralement les moteurs et l'éclairage sont conçus pour utiliser jusqu'à quelques centaines de volts entre phases.

La tension d'utilisation livré à des équipements tels que l'éclairage et moteur des charges est normalisé, avec une plage autorisée de la tension sur laquelle est prévu l'équipement à utiliser. Standard tensions d'utilisation de la puissance et de la tolérance de pourcentage varient dans les différents systèmes de secteur trouvés dans le monde.

Moderne haute tension, en courant continu contraste des systèmes de transmission de puissance électrique avec les systèmes alternatif actuels les plus courants comme un moyen pour la transmission de l'énergie électrique en vrac sur de longues distances. Systèmes HVDC ont tendance à être plus coûteux et moins efficace que les transformateurs. Transmission avec courant continu haute tension ne était pas faisable quand Edison , Westinghouse et Tesla ont été la conception de leurs systèmes d'alimentation, car il n'y avait alors aucun moyen de convertir économiquement alimentation AC-DC et retour aux tensions nécessaires.

Triphasé production d'électricité est très commun. Trois bobines séparées dans le générateur stator sont physiquement décalé d'un angle de 120 ° par rapport à l'autre. Trois ondes de courant sont produites qui sont égaux en amplitude et 120 ° en opposition de phase à l'autre.

Si la charge sur un réseau triphasé est équilibré de manière égale entre les phases, aucun courant ne circule à travers le point neutre. Même dans le cas le plus défavorable asymétrique (linéaire) de charge, le courant de neutre ne dépasse pas le plus élevé des courants de phase. Il est à noter que les charges non linéaires (par exemple, ordinateurs) peuvent nécessiter un bus neutre surdimensionné et neutre dans le panneau de distribution en amont pour gérer harmoniques. Les harmoniques peuvent causer des niveaux actuels de conducteur neutre à dépasser celui de conducteurs une ou toutes les phases.

Pour triphasé à l'utilisation des tensions d'un système à quatre fils est souvent utilisé. Lorsque démissionner triphasé, un transformateur avec un primaire Delta et une étoile secondaire est souvent utilisé de sorte qu'il ne est pas nécessaire pour un neutre sur le côté de l'offre.

Pour les plus petits clients (juste comment petit varie selon les pays et l'âge de l'installation), seule une monophasé et le neutre ou deux phases et le neutre sont prises à la propriété. Pour les grandes installations tous les trois phases et le neutre sont prises au panneau de distribution principal. Dans le panneau principal triphasé, deux circuits simples et triphasés peuvent commencer.

Systèmes monophasés à trois fils, avec un seul transformateur à prise médiane donnant deux conducteurs sous tension, est un système de distribution commun pour les bâtiments résidentiels et commerciaux en Amérique du Nord. Cet agencement est quelquefois incorrecte dénommé "deux phases". Une méthode similaire est utilisée pour une raison différente sur les sites de construction au Royaume-Uni. Outils électriques petits et éclairage sont censés être alimenté par un transformateur à point milieu local avec une tension de 55V entre chaque conducteur d'alimentation et la terre. Cela réduit considérablement le risque de choc électrique dans le cas où l'un des conducteurs sous tension est exposée à travers un défaut de l'équipement tout en permettant encore une tension raisonnable pour exécuter les outils.

Un troisième fil, appelé le fil de liaison, est souvent connecté entre non courants portant boîtiers métalliques et la terre. Ce conducteur offre une protection contre les chocs électriques en raison d'un contact accidentel des conducteurs de circuit avec le châssis métallique des appareils et outils portatifs. Collage de tous les non-courant les parties métalliques dans un système complet assure il ya toujours un chemin de faible impédance à la masse suffisante pour transporter tout courant de défaut aussi longtemps que nécessaire pour que le système pour effacer l'erreur. Ce chemin de faible impédance permet le montant maximum de courant de défaut de se écouler, amenant le dispositif de protection contre les surintensités (Breakers, fusibles) pour déclencher ou brûler aussi vite que possible, retourner le système électrique dans un état sûr. Tous les fils de connexion sont liés à la terre sur le panneau de service principal, comme ce est le Neutre / Chef d'orchestre identifiée si elle est présente.

AC fréquences d'alimentation

Le fréquence du système électrique varie selon les pays; plus de puissance électrique est généré à 50 ou 60 Hz. Voir Liste des pays avec des bouchons réseau électrique, les tensions et fréquences. Certains pays ont un mélange de 50 Hz et 60 Hz, notamment le Japon.

A basse fréquence facilite la conception de moteurs électriques à 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'éclairage à incandescence et scintillement désagréable de lampes fluorescentes. 16⅔ Hz puissance est encore utilisé dans certains systèmes ferroviaires européens, comme en Autriche , l'Allemagne , la Norvège , la Suède et la Suisse . L'utilisation de fréquences plus basses aussi fourni l'avantage de pertes à faible impédance, qui sont proportionnels à la fréquence. Les générateurs d'origine de Niagara Falls ont été construits pour produire 25 Hz puissance, comme un compromis entre basse fréquence pour la traction et induction lourde moteurs, tout en permettant l'éclairage incandescent de fonctionner (mais avec scintillement visible); la plupart des clients 25 Hz résidentiels et commerciaux pour le pouvoir Niagara Falls ont été convertis en 60 Hz par la fin des années 1950, bien que certains clients industriels 25 Hz existaient encore dès le début du 21ème siècle.

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 réduit d'appareils ou de vitesses de moteur plus élevés.

Effets à des fréquences élevées

A courant constant, les flux directs uniformément dans toute la section transversale de la (uniforme) fil qui le porte. En courant alternatif de fréquence quelconque, le courant est forcé vers la surface extérieure du fil, et à l'écart du centre. En effet, une charge électrique qui accélère (comme ce est le cas d'un courant alternatif) rayonne des ondes électromagnétiques et des matériaux de haut conductivité (le métal qui constitue le fil) ne permettent pas la propagation des ondes électromagnétiques. Ce phénomène est appelé effet de peau.

A très hautes fréquences, le courant ne se écoule plus dans le fil, mais se écoule efficacement sur la surface du fil, dans une épaisseur de quelques profondeurs de peau. La profondeur de la peau est l'épaisseur à laquelle la densité de courant est réduite de 63%. Même à des fréquences relativement basses utilisés pour la transmission de puissance élevée (50-60 Hz), la distribution non uniforme de courant se produit encore suffisamment épaisse conducteurs. Par exemple, la profondeur d'un conducteur en cuivre de la peau est d'environ 8,57 mm à 60 Hz, conducteurs de courant si élevés sont généralement creuse pour réduire leur masse et de coût.

Comme le courant tend à se écouler dans la périphérie de conducteurs, la section efficace du conducteur est réduite. Cela augmente le courant alternatif efficace résistance du conducteur, étant donné que la résistance est inversement proportionnelle à la surface de section transversale dans laquelle le courant se écoule réellement. La résistance en courant alternatif est souvent beaucoup plus élevé que la résistance en courant continu, ce qui provoque une perte d'énergie beaucoup plus élevée en raison de chauffage ohmique (également appelée perte de I ² R).

Des techniques pour réduire la résistance AC

Pour un faible pour les fréquences moyennes, les conducteurs peuvent être divisés en fils torsadés, chacun isolé les uns des autres, et les brins individuels spécialement disposés à changer leur position relative dans le faisceau de conducteurs. Fil construit en utilisant cette technique se appelle Fil de Litz. Cette mesure permet de réduire en partie l'effet de peau en forçant le flux de courant plus égale à travers la section totale des conducteurs bloqués. Fil de Litz est utilisé pour la fabrication de haute Q inductances, réduire les pertes dans les conducteurs souples véhiculant des courants très élevés à des fréquences de puissance, et dans les enroulements de dispositifs transportant plus radiofréquence courant (jusqu'à plusieurs centaines de kilohertz), comme mode de commutation alimentations et fréquence radio transformateurs.

Des techniques pour réduire la perte de rayonnement

Comme écrit plus haut, un courant alternatif est constituée d' une charge électrique périodique sous l'accélération , ce qui provoque un rayonnement d' ondes électromagnétiques . Énergie qui est rayonnée représente une perte. En fonction de la fréquence, différentes techniques sont utilisées pour réduire au minimum la perte par rayonnement.

Paires torsadées

A des fréquences allant jusqu'à environ 1 GHz, les fils sont regroupés par paire dans un câblage pour former une paire torsadée afin de réduire les pertes dues à un rayonnement électromagnétique et couplage inductif. Une paire torsadée doit être utilisé avec un système de signalisation équilibré, où les deux fils par des courants égaux mais opposés. Il en résulte que chaque fil de la paire torsadée rayonne un signal qui est effectivement annulée par l'autre fil, ce qui entraîne pratiquement pas de rayonnement électromagnétique.

Les câbles coaxiaux

Aux fréquences supérieures à 1 GHz, fils non blindés de dimensions pratiques perdent trop d'énergie à un rayonnement, de sorte des câbles coaxiaux sont utilisés à la place. Un câble coaxial a un fil conducteur intérieur d'un tube conducteur. Le courant circulant dans le conducteur intérieur est égal et opposé au courant circulant sur la surface intérieure du tube extérieur. Cela provoque le champ électromagnétique soit complètement contenu à l'intérieur du tube, et (idéalement) aucune énergie ne est émise ou couplé à l'extérieur du tube. Les câbles coaxiaux ont acceptable petites pertes pour des fréquences allant jusqu'à environ 20 GHz. Pour fréquences micro-ondes supérieure à 20 GHz, la pertes diélectriques (due principalement à la facteur de dissipation de la couche diélectrique qui sépare le fil interne du tube extérieur) devient trop grande, ce qui rend des guides d'ondes un support plus efficace pour transmettre l'énergie.

Guides d'ondes

Guides d'ondes sont semblables à câbles coaxiaux, à la fois constitués de tubes, avec la plus grande différence étant 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'énergie ne est plus porté par un courant électrique, mais par une guidé champ électromagnétique. Guides d'ondes ont des dimensions comparables à la longueur d'onde du courant alternatif à transmettre, de sorte qu'ils sont réalisables uniquement à des fréquences micro-ondes.

Fibre optique

A des fréquences supérieures à 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 diélectriques, peuvent être utilisés. Pour ces fréquences, les concepts de tensions et courants ne sont plus utilisés.

Mathématiques de tensions alternatives

Une onde sinusoïdale, sur un cycle (360 °). La ligne pointillée représente la moyenne quadratique (RMS) valeur à environ 0,707

Courants alternatifs sont accompagnées (ou causées) par des tensions alternatives. En anglais, le sigle AC est communément utilisé et quelque peu prêter à confusion pour les deux. Une tension alternative v peut être décrit mathématiquement comme fonction du temps par l'équation suivante:

,

où

• est la tension de crête (unité: volt ),
• est le fréquence angulaire (unité: radians par seconde)
  • La fréquence angulaire est liée à la fréquence physique, , Qui représente le nombre d'oscillations par seconde (unité = hertz), par l'équation .
• est le temps (unité: seconde).

La valeur crête à crête d'une tension alternative est définie comme la différence entre la crête positive et son pic négatif. Etant donné que la valeur maximale de est une valeur minimum et la valeur -1, sautes d'une tension alternative entre et . La tension crête-à-crête, généralement écrit ou , Est donc .

Puissance et moyenne quadratique

La relation entre la tension et la puissance est:

où représente une résistance de charge

Plutôt que d'utiliser la puissance instantanée, Il est plus pratique d'utiliser une puissance moyenne dans le temps (lorsque la moyenne est effectuée sur ne importe quel nombre entier de cycles). Par conséquent, la tension alternative est souvent exprimée en moyenne quadratique (RMS) valeur, écrit , Parce

Pour une tension sinusoïdale:

Le facteur est appelé le facteur de crête, qui varie pour différentes formes d'onde.

• Pour un triangle forme d'onde:

• Pour un forme d'onde carrée:

Exemple

Pour illustrer ces concepts, envisager une prise de courant 240 V AC. Elle est appelée ainsi parce que son Valeur quadratique moyenne est de 240 V. Cela signifie que la puissance moyennée dans le temps fournie est équivalente à la puissance délivrée par une tension continue de 240 volts. Pour déterminer la tension de crête (amplitude), on peut modifier l'équation ci-dessus pour:

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