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Corrente alternada

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Luzes da cidade viram em um movimento borrado exposição. O piscar AC faz com que as linhas de ser pontilhado e não contínuo.

Uma corrente alternada (CA) é uma corrente eléctrica cuja magnitude e direcção variar ciclicamente, em oposição a corrente contínua, cuja direcção se mantém constante. O usual onda de um Circuito de alimentação AC é um onda sinusoidal, como isto resulta na transmissão de energia mais eficiente. No entanto, em certas aplicações, diferentes formas de onda são utilizados, tais como ondas triangulares ou quadradas.

Usado genericamente, AC refere-se à forma pela qual a eletricidade é entregue a empresas e residências. No entanto, áudio e rádio sinais exercida elétrica fio são também exemplos de corrente alternada. Nestas aplicações, um objectivo importante é muitas vezes a recuperação de informação codificada (ou modulada) para o sinal de corrente alternada.

História

William Stanley, Jr. projetado um dos primeiros dispositivos práticos para transferir o poder de forma eficiente AC entre circuitos isolados. Usando pares de bobinas enroladas em um núcleo de ferro comum, o seu design, chamado de bobina de indução, foi um dos primeiros transformador. O sistema de sistema de energia AC usado hoje desenvolveu-se rapidamente depois de 1886, e inclui conceitos-chave por Nikola Tesla, que posteriormente vendeu sua patente para George Westinghouse. Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens e outros contribuíram posteriormente a este campo. Sistemas de corrente alternada superou as limitações da sistema de corrente contínua usado por Thomas Edison para distribuir energia elétrica de forma eficiente em longas distâncias.

A primeira usina comercial moderna usando corrente alternada trifásica foi na usina hidrelétrica de Mill Creek perto Redlands, Califórnia, em 1893, projetado por Almirian Decker. O projeto de Decker incorporou 10.000 volts transmissão trifásica e estabeleceu os padrões para o sistema completo de geração, transmissão e motores usados hoje.

Alternando teoria de circuitos atual evoluiu rapidamente na última parte do século 19 e início do século 20. Contribuidores notáveis para a base teórica da alternando cálculos atuais incluem Charles Steinmetz, James Clerk Maxwell , Oliver Heaviside, e muitos outros. Cálculos em sistemas trifásicos desequilibrados foram simplificadas pela métodos componentes simétricas discutidos por Charles Legeyt Fortescue em 1918.

Transmissão, distribuição e fornecimento de energia doméstica

A alimentação AC pode ser aumentada ou diminuída em tensão com um transformador. A utilização de uma voltagem mais alta conduz a transmissão significativamente mais eficiente de energia. As perdas de potência no condutor são um produto do quadrado da corrente e da resistência do condutor, descrito pela fórmula P = I ^ 2 \ cdot R \, \! . Isto significa que, quando a transmissão de uma potência fixa num determinado fio, se a corrente é dobrada, a perda de energia será quatro vezes maior.

Uma vez que a potência transmitida é igual ao produto da corrente, a tensão e o co-seno da diferença de fase φ ( P = IV \ cos \ phi ), A mesma quantidade de energia pode ser transmitido com uma corrente inferior através do aumento da tensão. Por isso, é vantajoso quando a transmissão de grandes quantidades de energia a distribuir a energia com voltagens elevadas (normalmente centenas de quilovolts).

No entanto, tensões elevadas também têm desvantagens, sendo os principais o aumento do isolamento necessário, e, geralmente, maior dificuldade no seu manuseamento seguro. Em um Usina, a energia é gerada por uma tensão conveniente para a criação de um gerador, e, em seguida, se aproximou de uma alta tensão para transmissão. Perto das cargas, a tensão de transmissão é reduzida para as tensões usadas pelo equipamento. Voltagens de consumo variam consoante o país eo tamanho da carga, mas geralmente motores e iluminação são construídos para usar até algumas centenas de volts entre as fases.

A tensão de utilização entregues a equipamentos, tais como iluminação e motores cargas é padronizado, com um intervalo permitido de tensão sobre o equipamento que está prevista a sua exploração. Voltagens de utilização de energia padrão e porcentagem de tolerância variam nos diferentes canos principais sistemas de energia encontrados no mundo.

Moderno de alta tensão, sistemas de transmissão de energia elétrica de corrente contínua contraste com os sistemas de corrente alternada mais comuns, como um meio para a transmissão em massa de energia elétrica a longas distâncias. Sistemas HVDC tendem a ser mais caro e menos eficiente do que os transformadores. Transmissão em corrente contínua de alta tensão não era viável quando Edison , Westinghouse e Tesla estavam projetando seus sistemas de energia, uma vez que não havia então nenhuma maneira de converter economicamente energia AC para DC e de volta nas tensões necessárias.

Trifásico geração elétrica é muito comum. Três bobinas separadas no gerador estator são fisicamente compensada por um ângulo de 120 ° entre si. Três formas de onda de corrente são produzidos, que são iguais em grandeza e 120 ° fora de fase uns com os outros.

Se a carga de um sistema trifásico equilibrado é igualmente entre as fases, nenhuma corrente flui através do ponto neutro. Mesmo no pior caso desequilibrado carga (linear), a corrente de neutro não vai exceder a mais alta das correntes de fase. Vale ressaltar que as cargas não lineares (por exemplo, computadores) pode exigir um barramento neutro de grandes dimensões e condutor neutro no painel de distribuição a montante para lidar com harmônicos. Harmônicas podem causar níveis atuais condutor neutro para superar a dos condutores de uma ou todas as fases.

Para trifásica na utilização tensões de um sistema de quatro fios é frequentemente utilizado. Quando deixar o cargo trifásico, um transformador com um primário e um secundário Delta estrela é frequentemente usado por isso não há necessidade de um neutro do lado da oferta.

Para os clientes mais pequenos (o quão pequena varia por país e idade da instalação), apenas um monofásico eo neutro ou duas fases eo neutro são levados para a propriedade. Para instalações maiores todas as três fases eo neutro são levados para o painel de distribuição principal. A partir do painel principal do trifásico, circuitos únicos ou trifásicos podem conduzir fora.

Sistemas de fase única de três fios, com um único transformador de derivação central dando dois condutores vivos, é um esquema de distribuição comum para os edifícios residenciais e comerciais de pequeno porte em América do Norte. Este arranjo é muitas vezes incorretamente referido como "segunda fase". Um método semelhante é usado por uma razão diferente em locais de construção no Reino Unido. Ferramentas de poder pequenas e iluminação devem ser fornecidas por um transformador de derivação central local com uma tensão de 55V entre cada condutor de energia e da terra. Isto reduz significativamente o risco de choque elétrico no caso em que um dos condutores vivos fica exposta através de uma falha de equipamento, enquanto ainda permitindo uma tensão razoável para executar as ferramentas.

A terceiro fio, chamado de fio de ligação, é muitas vezes ligado entre não-circulantes transportando caixas de metal e terra. Este condutor fornece proteção contra choque elétrico devido ao contato acidental dos condutores do circuito com o chassi de metal de aparelhos e ferramentas portáteis. Bonding todos os não-corrente transportando peças de metal em um sistema completo garante que haja sempre um caminho de baixa impedância para a terra suficiente para realizar qualquer corrente de falha durante o tempo que leva para o sistema para eliminar a falha. Este caminho de baixa impedância permite que a quantidade máxima de corrente de falha a fluir, fazendo com que o dispositivo de proteção de sobrecorrente (disjuntores, fusíveis) para viagem ou queimar o mais rapidamente possível, retornando o sistema elétrico para um estado seguro. Todos os fios de ligação estão ligados à terra no painel principal serviço, como é o Neutro / Identificado condutor se presente.

Frequências de fornecimento de energia AC

O freqüência do sistema elétrico varia conforme o país; mais energia elétrica é gerada a 50 ou 60 Hz. Ver Lista de países com os plugues de alimentação de corrente, tensão e frequência. Alguns países têm uma mistura de 50 Hz e 60 Hz fornecimentos, nomeadamente o Japão.

A baixa freqüência facilita a concepção de motores elétricos de baixa velocidade, em especial para içar, trituração e rolando aplicações, e do tipo comutador motores de tração para aplicações tais como estradas de ferro , mas também provoca uma cintilação perceptível na iluminação incandescente e flicker censurável de lâmpadas fluorescentes. 16⅔ poder Hz ainda é usado em alguns sistemas ferroviários europeus, como na ?ustria , Alemanha , Noruega , Suécia e Suíça . A utilização de frequências mais baixas também fornecida a vantagem das perdas de baixa impedância, que são proporcionais à frequência. Os geradores Cataratas do Niágara originais foram construídas para produzir energia 25 Hz, como um compromisso entre baixa frequência para motores de tração e de indução pesado, enquanto ainda permitindo iluminação incandescente para operar (embora com cintilação perceptível); a maioria dos clientes 25 Hz residenciais e comerciais para Niagara Falls poder foram convertidos para 60 Hz pelo final de 1950, apesar de alguns clientes industriais de 25 Hz ainda existia a partir do início do século 21.

Off-shore, militar, indústria têxtil, marinho, computador mainframes, aeronaves, veículos espaciais e aplicações às vezes usam 400 Hz, para os benefícios de redução do peso dos aparelhos ou velocidades do motor mais elevadas.

Efeitos em altas freqüências

Um efeito directo, constantes corrente flui uniformemente em toda a secção transversal do fio (uniforme) que a leva. Com corrente alternada de qualquer frequência, a corrente é forçada na direcção da superfície exterior do fio, e de distância a partir do centro. Isso é porque uma carga eléctrica que acelera (como é o caso de uma corrente alternada) irradia ondas electromagnéticas , e materiais de alta condutividade (o metal que constitui o fio) não permitem a propagação de ondas electromagnéticas. Este fenômeno é chamado efeito de pele.

No frequências muito elevadas a corrente não flui no arame, mas eficaz flui sobre a superfície do fio, dentro de uma espessura de alguns profundidades da pele. A profundidade de pele é a espessura em que a densidade de corrente é reduzida em 63%. Mesmo a relativamente baixas frequências utilizadas na transmissão de alta potência (50-60 Hz), a distribuição não uniforme da corrente ainda ocorre em suficientemente espessa condutores. Por exemplo, a profundidade de pele de um condutor de cobre é de cerca de 8,57 milímetros a 60 Hz, de modo elevadas condutores de corrente são geralmente oco para reduzir a sua massa e custo.

Uma vez que a corrente tende a fluir na periferia dos condutores, a secção transversal efectiva do condutor é reduzida. Isto aumenta o AC eficaz resistência do condutor, uma vez que a resistência é inversamente proporcional à área de secção transversal, no qual a corrente realmente flui. A resistência AC muitas vezes é muitas vezes maior do que a resistência DC, provocando uma perda de energia muito mais elevados devido ao aquecimento óhmico (também chamado I 2 R perda).

Técnicas para a redução da resistência à AC

Para baixo para freqüências médias, os condutores podem ser divididos em fios trançados, cada isolado de um outro, e os fios individuais organizadas especialmente para alterar a sua posição relativa dentro do pacote condutor. Fio construído utilizando esta técnica é chamada Fio Litz. Esta medida contribui para atenuar parcialmente efeito de pele, forçando o fluxo de corrente mais equitativa por toda a secção transversal total dos condutores flexíveis. Fio Litz é usado para fazer alta Q indutores, reduzindo as perdas em condutores flexíveis que transportam correntes muito elevadas nas frequências de energia, e nos enrolamentos de meios de preensão superior frequência rádio corrente (até centenas de kHz), tais como de modo de comutação fontes de alimentação e frequência de rádio transformadores.

Técnicas para a redução da perda de radiação

Como escrito acima, uma corrente alternada é feita de carga elétrica sob periódica aceleração , o que faz com que a radiação de ondas eletromagnéticas . Energia que é irradiada representa uma perda. Dependendo da frequência, são usadas técnicas diferentes para minimizar a perda devida à radiação.

Pares trançados

A frequências até cerca de 1 GHz, os fios são colocados juntos em cabos para formar um par trançado, a fim de reduzir as perdas devido à radiação electromagnética e acoplamento indutivo. Um par entrançado deve ser utilizado com um sistema de sinalização equilibrada, onde os dois fios de transportar correntes iguais mas opostas. O resultado é que cada um dos fios do par torcido irradia um sinal que é efectivamente cancelado pelo outro arame, resultando em quase nenhuma radiação electromagnética.

Cabos coaxiais

A frequências acima de 1 GHz, fios não blindados de dimensões práticas perder muita energia à radiação, por isso, cabos coaxiais são usados em vez disso. Um cabo coaxial tem um fio condutor dentro de um tubo condutor. A corrente que flui no condutor interno é igual e oposta à corrente que flui sobre a superfície interior do tubo exterior. Isto faz com que o campo electromagnético a ser completamente contido no interior do tubo, e (idealmente) nenhuma energia é irradiada ou acoplado no exterior do tubo. Os cabos coaxiais têm aceitavelmente pequenas perdas para frequências até cerca de 20 GHz. Para frequências de microondas superior a 20 GHz, o perdas dielétricas (devido principalmente ao factor de dissipação da camada dieléctrica que separa o fio interno do tubo externo) tornar-se demasiado grande, tornando guias de ondas um meio mais eficiente para a transmissão de energia.

Waveguides

Guias de onda são semelhantes aos cabos coaxiais, já que ambos consistem em tubos, com a maior diferença é que a guia de onda não tem condutor interno. Waveguides pode ter qualquer secção transversal arbitrária, mas seções transversais retangulares são os mais comuns. Com guias de onda, a energia já não é transportado por uma corrente eléctrica, mas por um guiada campo eletromagnético. Guias de onda têm dimensões comparáveis ao comprimento de onda da corrente alternada para ser transmitida, de modo que só são viáveis em freqüências de microondas.

Fibra óptica

A frequências superiores a 200 GHz, dimensões de guia de onda se tornar impraticavelmente pequeno, eo perdas ôhmicas nas paredes de guia de onda se tornar grande. Em vez disso, as fibras ópticas , que são uma forma de guias de onda dieléctricas, pode ser utilizado. Para tais frequências, os conceitos de tensões e correntes não são mais usados.

Matemática de voltagens AC

Uma onda senoidal, ao longo de um ciclo (360 °). A linha a tracejado representa o root mean square (RMS) valor em cerca de 0.707

Correntes alternadas são acompanhados (ou causado) por tensões alternada. Em Inglês a initialism AC é comumente e um tanto confusa usado para ambos. Uma voltagem V AC pode ser descrito matematicamente como uma função do tempo pela seguinte equação:

v (t) = V_ \ mathrm {pico} \ cdot \ sin (\ omega t) ,

onde

  • \ Displaystyle V _ {\ rm pico} é a tensão de pico (unidade: volts ),
  • \ Displaystyle \ omega é o freqüência angular (unidade: radianos por segundo)
    • A frequência angular está relacionada com a frequência física, \ Displaystyle f , O que representa o número de oscilações por segundo (unidade = hertz), pela equação \ Omega = 2 \, \ pi \, f .
  • \ Displaystyle t é o tempo (unidade: segundo).

O valor de pico-a-pico da tensão de CA é definida como a diferença entre o seu pico positivo e o seu pico negativo. Uma vez que o valor máximo de \ Displaystyle \ sin (x) é 1 e o valor mínimo é de -1, oscilações de uma tensão AC entre \ Displaystyle + V _ {\ rm pico} e \ Displaystyle-V _ {\ rm pico} . A tensão de pico-a-pico, geralmente escrita como \ Displaystyle V _ {\ rm pp} ou \ Displaystyle V _ {\ rm P-P} , É, por conseguinte, V _ {\ rm pico} - \ left (-V _ {\ pico rm} \ right) = 2 \ times V _ {\ rm pico} .

Poder e root mean square

A relação entre a tensão ea potência é:

\ Displaystyle P (t) = \ frac {V ^ 2 (t)} {R} onde \ Displaystyle R representa uma resistência de carga

Ao invés de usar o poder instantâneo, \ Displaystyle P \ left (t \ right) , É mais prático utilizar um tempo médio de energia (em que a média é realizado através de qualquer número inteiro de ciclos). Portanto, a tensão de CA é muitas vezes expressa como uma root mean square (RMS) valor, escrito como \ Displaystyle V _ {\ rm rms} , Porque

\ Displaystyle P _ {\ rm tempo ~ média} = \ frac {{V ^ 2} _ {\ rm rms}} {R}

Para obter uma tensão sinusoidal:

V_ \ mathrm {rms} = \ frac {V_ \ mathrm {pico}} {\ sqrt {2}}

O factor \ Sqrt {2} chama-se a fator de crista, o que varia com as diferentes formas de onda.

  • Para forma de onda triângulo: V_ \ mathrm {rms} = \ frac {V_ \ mathrm {pico}} {\ sqrt {3}}
  • Para forma de onda quadrada: \ Displaystyle V_ \ mathrm {} rms = V_ \ mathrm {pico}

Exemplo

Para ilustrar estes conceitos, considere uma fonte de alimentação de 240 V AC. É assim chamado porque a sua Significa raiz quadrada valor é de 240 V. Isto significa que a energia média em tempo entregue é equivalente à energia fornecida por uma tensão DC de 240 Volts. Para determinar a tensão de pico (de amplitude), podemos modificar a equação acima para:

V_ \ mathrm {pico} = \ sqrt {2} \ V_ \ mathrm {rms}

Para o nosso 240 V AC, o pico de tensão de pico V é, portanto, \ Displaystyle 240 V \ times \ sqrt {2} , Que é de cerca de 339 V. O valor de pico-a-pico \ V_ displaystyle {P-P} do V AC 240 é o dobro, a cerca de 679 V.

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