Vekselstrøm

Den vekselstrøm (som kan forkortes som AC eller AC ) er en elektrisk strøm periodisk skiftende retning to gange pr periode og som bærer el mængder alternativt lig i en retning og i den anden. En vekselstrøm har derfor en kontinuerlig komponent (middelværdi) på nul.

En vekselstrøm er kendetegnet ved dens frekvens , målt i hertz (Hz). De frekvens svarer til antallet af perioder af signalet i et sekund (en oscillation = en periode). En vekselstrøm på 50 Hz udfører halvtreds svingninger pr. Sekund, dvs. den ændrer retning hundrede gange i sekundet.

Den mest anvendte form for vekselstrøm er sinusstrøm , primært til kommerciel distribution af elektrisk strøm. Den anvendte frekvens er oftest 50 Hz undtagen for eksempel i Nordamerika, hvor frekvensen er 60 Hz .

Vekselstrømmen (hvoraf gennemsnitsværdien - direkte komponent - er nul), kan levere en transformer uden risiko for mætning af det magnetiske kredsløb .

Historisk

I Frankrig opfandt Lucien Gaulard transformeren ( patent på7. november 1882). Den synkrone maskine blev opfundet i USA af fysikeren Nikola Tesla (patentarkivering af1 st maj 1888). Disse to opfindelser gør det muligt at overvinde begrænsningerne ved anvendelse af jævnstrøm til distribution af elektricitet, som derefter blev anbefalet af Thomas Edison, som havde indgivet adskillige patenter i forbindelse med denne teknik (og havde jævnstrømsdistributionsnet).

Fordelene ved transport og distribution af elektrisk energi ved vekselstrømme er ubestridelige. Den industrimand George Westinghouse , indehaver af patenterne, der endeligt pålægges det på USA.

Fordele

Modsætning direkte strøm, kan vekselstrøm have sine egenskaber (spænding og strøm) ændres ved en vikling transformer samtidig bevare den transmitterede effekt. Men så snart der er en ikke-ubetydelig DC-komponent, er en transformer ikke længere egnet.

Takket være transformeren, når intensiteten af strømmen transporteret af højspændingsdistributionsnet er lavere, reduceres tabene ved Joule-effekten for den samme øjeblikkelige effekt p transporteret. For eksempel, hvis spændingen u øges med en faktor 10, divideres intensiteten af det samme beløb, da den øjeblikkelige værdi af effekten er lig med:

p ( t ) = u ( t ) × i ( t )

Og ved at dividere med 10 intensiteten af den strøm, jeg bærer I , dividerer man med 100 tabene på grund af modstanden i de elektriske kabler, idet den spredte effekt (i watt ) i en modstand er proportional med kvadratet af strømstyrken:

P = RI 2

Til distribution sænkes spændingen for at tilvejebringe en spænding, der passer til brugerens behov.

Sinusformede vekselstrømme

En sinusformet vekselstrøm er et sinusformet signal af homogen størrelse med en strøm (udtrykt i ampere ). Strengt taget skal dens DC -komponent være nul for at kvalificere den som AC, sinusformet vil derfor have en gennemsnitsværdi svarende til nul.

Fra et matematisk synspunkt

Den øjeblikkelige spændingsværdi er beskrevet af en ligning af typen:

u ( t ) = u 0 ⋅sin ( ω ⋅ t )

eller

u 0 er signalets amplitude, topspændingen, i volt (V),
ω er signalets puls, i radianer pr. sekund (rad⋅s -1 ), defineret ved at ω = 2⋅π⋅ ƒ = 2⋅π / T
ƒ er signalets frekvens i hertz (Hz), T er signalets periode i sekunder.

Strømstyrken har en ligning af typen:

i ( t ) = i 0 ⋅sin ( ω ⋅ t + φ )

eller

i 0 er signalets amplitude i ampere (A),
φ er faseforskydning eller fase ved oprindelsen udtrykt i radianer.

Strengt taget har en sinusformet vekselstrøm lige så lang tid ( T / 2) positiv som negativ, hvilket indebærer, at dens DC-komponent er nul. Sinusoidet svinger derfor på en afbalanceret måde omkring 0, hvilket antyder (matematisk) middelværdierne u og i nul og effektive værdier (elektrisk) af

$\ mathrm {U} = {\ frac {u_ {0}} {\ sqrt {2}}}$ ,
${\ displaystyle \ mathrm {I} = {\ frac {i_ {0}} {\ sqrt {3}}}}$ .

Overvej de to signaler i den modsatte figur. Disse to signaler siges at være identiske, men ude af fase med π (en halv periode). Mellem deres to ligninger er der derfor kun faseskiftet (eller fasen ved oprindelsen), der adskiller sig.

I virkeligheden er det vigtige, at forskellen mellem faserne ved oprindelsen er lig med φ blå - φ rød = k π, hvor k er et ulige heltal, da en sådan faseforskydning (π radianer svarende til 180 grader ) svarer til en offset d 'en halv omgang på den trigonometriske cirkel . Vi forbinder derfor med det ene signal, den modsatte værdi af det andet, fordi sin ( x + k ⋅π) = - sin ( x ). Når det blå signal er maksimalt, er det røde minimum, og omvendt. Bemærk, at de to signaler er modsatte, det vil sige symmetriske i forhold til x-aksen.

Fasesystemer

Enkelt fase

Enfasestrømmen er den mest anvendte for offentligheden. Den bruger to ledere: fase og neutral (normalt forbundet til jorden ved den sidste transformer, som den neutrale af trefasestrømmen).

Tre faser

Kun flerfasede generatorer er i stand til at levere høj effekt. Det er den trefasede strøm, der bruges til industriel fremstilling af elektricitet. Den trefasede strømforsyning bruger fire kabler, et til hver af de tre faser og et kabel til neutralen. Hver af de tre fasekabel gennemløbes af en vekselstrøm sinusbølge faseforskudt 2 /3 radianer $\ pi$ ( 120 grader) i forhold til de to andre kabler. Det neutrale er generelt forbundet med jorden i starten, så det er ikke et transmissionskabel, ved ankomsten genskabes det simpelthen ved hjælp af en stjernekobling af de trefasede sekundære viklinger af lavspændingsfordelingstransformatoren (230/400 volt) . Denne neutrale er igen forbundet med en jord, hvor det er nødvendigt.

Den fasestrømmen er strømmen gennem en fase af en modtager. $J$

Den linje strøm er den strøm gennem en linje. $jeg$

A, B og C er navnene på de tre linjer. N er neutral i tilfælde af en stjerneforbindelse. I tilfælde af en delta-forbindelse er der ingen neutral.

Hvis modtageren er tilsluttet med stjerne (også kaldet Y) . ${\ displaystyle I _ {\ text {A}} = J _ {\ text {AN}}}$

Hvis modtageren er forbundet i delta (også kaldet ) ,. $\ Delta$ ${\ displaystyle I _ {\ text {A}} = {\ sqrt {3}} J _ {\ text {AB}} e ^ {(- j {\ frac {\ pi} {6}})}}}$

Andre systemer

Den XIX th århundrede og begyndelsen af det XX th århundrede var meget frodig typer af skiftende strømninger. Vi kan nævne:

To-fase og to-fase systemer.

To-fase og to-fase systemer er gamle strømdistributionssystemer i nogle lande. To-fase bruger kun to faser; dette system bruges stadig, men det bliver stadig sjældnere.

Fire-faset system (4 eller 5 ledninger): faser skiftet med 90 grader.

De frekvens-systemer er også blevet varieret. I Frankrig kan vi nævne 25 Hz i sydvest og 42,5 Hz i Nice -regionen .

Noter og referencer

Bemærkninger

På engelsk: AC , til vekselstrøm .
Ikke-nul middelværdi af strømmen.
Risiko for transformerens overophedning (rent tab) eller endda kortslutning på grund af mætning af det magnetiske kredsløb.

Referencer

Jean Cessac og Georges Tréherne, Fysik - matematik klasse , Fernand Nathan redaktør, Paris, 1957, s. 290-291.
Ilarion Pavel, " Opfindelsen af den synkronmotor af Nikola Tesla " [PDF] , på bibnum.education.fr , Bibnum (adgang 26. marts 2014 ) , s. 18.

Tillæg

Relaterede artikler

Kontinuerlig strøm