جریان متناوب چیست؟

جریان متناوب با حروف AC مخفف Alternative Current شناخته می شود. دامنه و جهت جریان متناوب دائما نسبت به زمان در حال تغییر است. الکترون های آزاد در جریان متناوب ابتدا در یک جهت حرکت کرده و پس از زمان مشخصی جهت آن ها برعکس می شود. جریان متناوب شکل‌های مختلفی دارد. به منظور نمایش چگونگی تغییر جهت جریان نسبت به زمان از شکل موج استفاده می شود. در تصویر چند نمونه شکل موج جریان متناوب را مشاهده می کنید. جریان متناوب سینوسی از رایج ترین مدل ها است. شبکه برق AC در دسترس ما دارای شکل موج متناوب سینوسی می باشد. در ادامه روش تولید و پارامترهای شکل موج سینوسی بررسی خواهد شد.

تصویر 1 چند نمونه شکل موج متناوب شامل (a) شکل موج دندانه اره ای، (b) سینوسی، (c) مربعی و (d) پله ای

تولید جریان متناوب

جریان متناوب به سادگی تولید و منتقل می گردد. برای تولید جریان متناوب در حجم بالا از ژنراتورهای AC استفاده می شود. نیروی اولیه در ژنراتورهای AC می تواند سوخت‌های فسیلی، بخار، نیروی آب و غیره باشد. در ژنراتور AC از میدان مغناطیسی و یک نیروی دوار استفاده شده تا الکترون های آزاد در مدار جاری شوند.

در ادامه اصول کارکرد یک ژنراتور AC تکفاز شرح داده شده است. این ژنراتور ساده دارای دو بخش اصلی مغناطیس دائم در استاتور و یک سیم پیچ در رتور می باشد. همانطور که می دانید فلوی مغناطیسی از قطب شمال آهن ربا خارج و به قطب جنوب آن وارد می‌شود. برای تولید الکتریسیته ی جاری کافی است یک هادی داخل این میدان حرکت کند. حرکت هادی باعث قطع خطوط میدان و جاری شدن الکترون ها در یک جهت مشخص خواهد شد. جهت انتقال انرژی الکتریکی تولید شده توسط سیم پیچ رتور به بیرون ژنراتور از حلقه های رینگی استفاده می شود. ساختمان ژنراتورهای صنعتی با این مدل ساده تفاوت داشته ولی اصول کارکرد آن تقریبا یکسان است.

پارامترهای الکتریسیته ی تولید شده توسط ژنراتور زیر به آیتم های زیادی مانند قدرت میدان مغناطیسی، تعداد دور سیم پیچ رتور، موقعیت سیم پیچ، سرعت دوران و غیره بستگی دارد. جهت درک بهتر از روش تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور AC از دو تصویر در کنارهم استفاده شده است. تصویر سمت چپ مربوط به مکانیک ژنراتور و وضعیت سیم پیچ رتور نسبت به میدان مغناطیسی است. تصویر دوم نحوه‌ی تشکیل شکل موج جریان متناوب و ارتباط آن با زاویه‌ی سیم پیچ رتور را نمایش می دهد. عملکرد این ژنراتور در زاویه های 0 تا 360 درجه عبارت است از:

حالت اول با زاویه ی 0

در این حالت سیم پیچ رتور با خطوط قوای میدان مغناطیسی موازی است. به عبارت دیگر، در این موقعیت میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ رتور قطع نشده و ولتاژی در آن القا نمی شود. صفر بودن ولتاژ، در سمت راست تصویر و روی منحنی نیز قابل مشاهده است.

تصویر 2 عدم تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور

حالت دوم با زاویه ی 90

چرخش رتور در جهت عقربه های ساعت باعث قطع میدان مغناطیسی و تولید الکتریسیته می شود. مقدار ولتاژ در لحظه‌ی شروع حرکت صفر بوده ولی کم کم افزایش پیدا می کند. در تصویر روند افزایش ولتاژ در زاویه های 30، 60 و 90 درجه را مشاهده می‌کنید. میزان ولتاژ با چرخش 90 درجه‌ای روتور به حداکثر خود خواهد رسید. ولتاژ در این حالت مقدار پیک مثبت خود را دارد. در نظر داشته باشید که توقف رتور در هر حالتی باعث صفر شدن ولتاژ القایی در سیم پیچ می شود. برای تداوم تولید الکتریسیته باید روتور با سرعت و جهت مشخص در حرکت باشد.

تصویر 3 تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور در ناحیه ی مثبت

حالت سوم با زاویه ی 180

ادامه‌ی چرخش روتور باعث کاهش قطع خطوط قوا و کاهش ولتاژ القا شده در سیم پیچ می شود. این پدیده در شکل موج سینوسی به خوبی قابل مشاهده است. کاهش ولتاژ تا زاویه‌ی 180 درجه ادامه داشته و در نهایت به صفر خواهد رسید.

تصویر 4 کاهش تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور در ناحیه ی مثبت

حالت چهارم با زاویه ی 270

ادامه‌ی چرخش رتور باعث تولید انرژی الکتریکی می شود. این انرژی در جهت مخالف تولید شده و در موقعیت 270 درجه به حداکثر منفی خود خواهد رسید. تولید انرژی در ناحیه‌ی منفی به معنی عوض شدن پلاریته یا جهت جاری شدن الکترون های آزاد است. این پدیده در شکل موج سینوسی نمایش داده شده است. در موقعیت 270 درجه، انرژی تولید شده در حداکثر منفی خود قرار دارد.

تصویر 5 تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور در ناحیه ی منفی

حالت پنجم با زاویه ی 360

با ادامه گردش رتور، میزان ولتاژ در ناحیه ی منفی کاهش پیدا کرده و در موقعیت 360 درجه به صفر خواهد رسید. موقعیت 360 درجه پایان یک دور کامل رتور و تولید یک سیکل سینوسی کامل است. با چرخش رتور این پروسه به صورت دائم تکرار می شود.

تصویر 6 کاهش تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتور در ناحیه ی منفی

پارامترهای فیزیکی در شکل موج متناوب

در بخش قبلی نحوه ی تولید ولتاژ AC تکفاز با شکل موج سینوسی را مشاهده کردید. طبق تصویر، ولتاژ AC از صفر شروع شده و تا پیک مثبت ادامه پیدا می کند. در ادامه ولتاژ کاهش پیدا کرده و مجدد صفر می شود. در ادامه پلاریته‌ ی ولتاژ عوض شده و در ناحیه‌ی منفی افزایش پیدا می‌کند. با چرخش بیشتر رتور این ولتاژ نیز صفر خواهد شد. پروسه ی تغییرات دامنه و افزایش ولتاژ در یک دور ژنراتور را اصطلاحا یک سیکل می گویند. یک سیکل کامل شامل دو بخش مثبت و منفی است.

تصویر 7 سیکل کامل ولتاژ یا جریان متناوب

ماکزیمم مثبت و منفی

هر سیکل ولتاژ یا جریان دارای یک مقدار ماکزیمم مثبت و یک ماکزیمم منفی است. در تصویر سه سیکل کامل ولتاژ یا جریان متناوب را مشاهده می کنید. در این شکل موج فقط ماکزیمم مثبت و منفی سیکل اول نمایش داده شده است. این مقادیر در تمام سیکل ها تکرار خواهند شد.

تصویر 8 ماکزیمم مثبت و ماکزیمم منفی در یک سیکل کامل ولتاژ یا جریان متناوب

اتصال ولتاژ AC با شکل موج سینوسی به بار، باعث ایجاد جریان با شکل موج سینوسی در مدار خواهد شد. در جریان متناوب پدیده های مختلفی مانند اختلاف فاز، توان های مختلف، هارمونیک و غیره نیز وجود دارد. قبل از پرداختن به این مسائل باید مشخصات یک شکل موج سینوسی را فرا بگیرید.

زمان تناوب

شکل موج سینوسی نسبت به زمان یا t تغییر می کند. مدت زمانی که طول می کشد تا یک سیکل کامل ایجاد شود را زمان تناوب یا پریود می گویند. زمان تناوب با حرف T نمایش داده می شود. زمان تناوب یک سیکل کامل در تصویر زیر آورده شده است. هر دوره ی تناوب دارای یک نقطه ی شروع و یک نقطه ی پایان است.

تصویر 9 زمان تناوب یک سیکل ولتاژ یا جریان متناوب

زمان تناوب می‌تواند بین صفرها، مقادیر ماکزیمم مثبت یا ماکزیمم منفی اندازه گیری شود. در نظر داشته باشید که در هر یک از روش‌ها باید نقطه ی شروع و پایان اندازه گیری یکسان باشد. به عنوان مثال با انتخاب نقطه‌ی ماکزیمم مثبت، باید نقطه‌ی بعدی نیز مقدار ماکزیمم مثبت باشد. در تصویر روش اندازه گیری زمان تناوب با شکل های مختلف را مشاهده می کنید.

تصویر 10 اندزه گیری زمان تناوب به شکل های مختلف

فرکانس

تعداد سیکل های پیموده شده در یک ثانیه را فرکانس می گویند. فرکانس با حرف f نمایش داده شده و واحد آن هرتز یا سیکل بر ثانیه Cycle per second است. هر چه تعداد سیکل های ایجاد شده در 1 ثانیه بیشتر باشد، فرکانس نیز بیشتر خواهد بود. در تصویر دو شکل موج با فرکانس مختلف را مشاهده می کنید. تصویر سمت راست دارای فرکانس 2 هرتز و تصویر سمت چپ دارای فرکانس 4 هرتز است.

تصویر 11 دو شکل موج متناوب سینوسی با فرکانس متفاوت

فرکانس برق ایران 50 هرتز است. به عبارت دیگر در شبکه ی برق AC ایران، هر ثانیه شامل 50 سیکل کامل ولتاژ می باشد. فرکانس در برخی از کشورها 60 هرتز است. رابطه ی بین فرکانس و زمان تناوب به \(f=\frac{1}{T}\) شکل  است. این رابطه را می توان به صورت عکس یعنی \(T=\frac{1}{f}\) نیز در نظر گرفت. طبق این رابطه با کاهش زمان تناوب هر سیکل کامل، مقدار فرکانس افزایش پیدا می کند. در ایران فرکانس  برق شهر 50 هرتز و زمان تناوب هر سیکل کامل 0.2 ثانیه است.

طول موج

مسافتی که یک موج در سیکل کامل طی می کند را طول موج می گویند. طول موج به سرعت انتشار موج و تغییرات فرکانس بستگی دارد. طول موج را با حرف لاندا نمایش داده و واحد آن بر حسب متر است. لاندا به صورت \(\lambda =\frac{V}{f}=\frac{c}{f}\) محاسبه می شود. در این رابطه \(C=\nu \) یعنی سرعت نور یا امواج الکترومغناطیسی است. سرعت نور برابر با \(3\times {10}^8\) می باشد. در تصویر طول موج یک سیکل کامل سینوسی را مشاهده می کنید.

تصویر 12 طول موج یک سیکل کامل

سرعت زاویه ای

سرعت یک جسم متحرک برابر است با مقدار مسافتی که در واحد زمان طی می کند. در صورت ثابت بودن سرعت از فرمول \(V=\frac{x}{t}\) استفاده شده که در آن V معرف سرعت، x مسافت طی شده و t زمان است. اگر مسافت طی شده به شکل یک مسیر دایره ای باشد، برای بیان سرعت از اصطلاح سرعت زاویه ای استفاده می کنند. سرعت زاویه ای با امگا یا ω نمایش داده می شود. نحوه ی محاسبه ی امگا در تصویر زیر نمایش داده شده است. برای درک بهتر، یک دایره با شعاع R را در نظر بگیرید. هرگاه جسم متحرک مسافتی از محیط دایره که برابر با شعاع آن است را طی کند، یک رادیان را پیموده است.

تصویر 13 سرعت زاویه ای

بخش های تصویر فوق عبارتنداز:

• R شعاع دایره مورد نظر
• مسافت \(A\) تا \(\acute{A}\) روی محیط دایره که برابر با شعاع دایره یا R است.
• آلفا یا α زاویه ای که متحرک از نقطه ی \(A\) تا \(\acute{A}\)  پیموده است. مقدار زاویه ی α برابر با یک رادیان یا 57.3 درجه است.

امگا یا ω زاویه ای است که در واحد زمان طی می شود. این پارامتر همان سرعت زاویه ای بوده که به شکل \(\omega =\frac{\alpha }{t}\) قابل محاسبه است. زاویه ی پیموده شده در یک دور کامل برابر با 360 درجه است. زاویه ی 360 درجه را به صورت \(2\pi \) نیز نمایش می دهند. با قرار دادن عبارت \(2\pi \) بجای 360 درجه می توان فرمول ω را به شکل \(\omega =\frac{\alpha }{t}=\frac{2\pi (Rad)}{T(\mathrm{sec)}}\) نوشت. با لحاظ کردن فرمول زمان تناوب یا \(T=\frac{1}{f}\) مقدار ω برابر با \(\omega =\frac{2\pi }{T}=2\pi f\) خواهد بود.

تصویر 14 یک سیکل کامل در 360 درجه یا \(2\pi \)

تفاوت جریان متناوب و مستقیم

جریان مستقیم با عبارت DC و جریان متناوب با عبارت AC شناخته می شود. ولتاژ DC دارای پلاریته‌ی مثبت و منفی بوده و فقط در یک جهت جاری می شود. به عبارت دیگر جهت و دامنه‌ی ولتاژ DC نسبت به زمان تغییر نخواهد کرد. با اتصال منبع ولتاژ DC به یک مدار، در آن جریان DC ایجاد می شود. جریان DC نیز فاقد تغییرات جهت و دامنه نسبت به زمان است. عدم تغییر پارامترهای ولتاژ، جریان و توان یک مدار DC در تصویر زیر نمایش داده شده است. با توجه به ثابت بودن پارامترهای اساسی در مدار DC محاسبه‌ی توان و انرژی به سادگی امکان پذیر است. برای محاسبه‌ی توان در مدار جریان مستقیم کافی است مقادیر ولتاژ و جریان را در یکدیگر ضرب کنید. فرمول توان در این مدار به صورت \(P=U\times I\) است.

تصویر 15 عدم تغییر کمیت های جریان مستقیم نسبت به زمان شامل (V) ولتاژ، (I) جریان و (P) توان

منبع ولتاژ یا منبع تغذیه در مدار AC نسبت به زمان تغییر می‌کند. تغییرات ولتاژ در مدار AC به صورت تغییر جهت و تغییر دامنه تعریف می شود. در تصویر شکل موج ولتاژ سینوسی یک منبع AC را مشاهده می‌کنید. با اعمال ولتاژ متناوب به یک مدار، در آن جریان متناوب ایجاد خواهد شد. ولتاژ و جریان متناوب در هر لحظه دارای مقدار متفاوتی هستند. از طرفی جریان متناوب با توجه به نوع بار ممکن است با ولتاژ اختلاف زاویه ای پیدا کند. با توجه به اختلاف مقادیر لحظه ای و زاویه در مدار AC نمی توان از فرمول ساده ی  استفاده کرد. در ادامه کمیت های ولتاژ و جریان AC بیشتر بررسی شده اند.

تصویر 16 سیکل کامل ولتاژ یا جریان متناوب

تبدیل جریان متناوب به مستقیم و برعکس

برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم از انواع یکسوسازها استفاده می شود. یکسوسازها از ادوات الکترونیک مانند دیود و خازن تشکیل شده اند. یکسوسازی می تواند به صورت نیم موج یا تمام موج انجام شود. برای یکسوسازی نیم موج کافی است یک دیود در خروجی منبع ولتاژ AC قرار دهید. جهت افزایش راندمان و کیفیت یکسوسازی اغلب از پل دیود استفاده می شود. پل دیود یکسوسازی را به صورت کامل یا تمام موج انجام می دهد. امروز برای یکسوسازی جریان متناوب در صنعت از انواع پاور استفاده می‌شود. پاورها از نظر ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی و توان بسیار متنوع هستند.

تصویر 17 یکسوساز تمام موج

برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب نیز از ادوات الکترونیک استفاده می‌شود. این پروسه در صنعت و نیروگاه ها با انواع کانورتورها و درایوها صورت می گیرد. از تجهیزات تبدیل جریان DC به AC می توان به درایوهای کنترل سرعت الکتروموتور اشاره کرد. این درایوها ابتدا جریان متناوب را به مستقیم تبدیل کرده و مجدد جریان متناوب را با ولتاژ و فرکانس مورد نیاز می‌سازند. درایوهای کنترل سرعت موتور با عبارت های VFD و VSD شناخته می‌شوند. این عبارت ها به ترتیب مخفف Variable Frequency Drive و Variable Speed Drive هستند. درتصویر پروسه‌ی تبدیل ورودی AC با ولتاژ و فرکانس ثابت به خروجی AC با ولتاژ و فرکانس متغیر در درایوهای کنترل سرعت را مشاهده می‌کنید.

تصویر 18 مدار داخلی درایو کنترل سرعت الکتروموتور AC

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.