Dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều ( AC ) là dòng điện đổi chiều tuần hoàn và thay đổi độ lớn liên tục theo thời gian ngược với dòng điện một chiều (DC) chỉ chạy theo một chiều. Dòng điện xoay chiều là dạng điện năng được cung cấp cho các cơ sở kinh doanh và khu dân cư, và nó là dạng năng lượng điện mà người tiêu dùng thường sử dụng khi họ cắm các thiết bị nhà bếp , ti vi, quạt và đèn điện vào ổ cắm trên tường .

Nguồn điện một chiều phổ biến là pin trong đèn pin . Chữ viết tắt AC và DCthường được sử dụng để chỉ đơn giản là xoay chiều và trực tiếp , như khi chúng thay đổi dòng điện hoặc điện áp .

Dạng sóng thông thường của dòng điện xoay chiều trong hầu hết các mạch điện là sóng hình sin , có nửa chu kỳ dương tương ứng với chiều dương của dòng điện và ngược lại. Trong một số ứng dụng nhất định, như bộ khuếch đại guitar , các dạng sóng khác nhau được sử dụng, chẳng hạn như sóng tam giác hoặc sóng vuông .

Tín hiệu âm thanh và tín hiệu vô tuyến truyền trên dây dẫn điện cũng là ví dụ của dòng điện xoay chiều. Những loại dòng điện xoay chiều này mang thông tin như âm thanh (âm thanh) hoặc hình ảnh (video) đôi khi được điều chếcủa tín hiệu sóng mang AC. Các dòng điện này thường luân phiên ở tần số cao hơn so với dòng điện được sử dụng trong truyền tải điện.

Năng lượng điện

Năng lượng điện được phân phối dưới dạng dòng điện xoay chiều vì điện áp xoay chiều có thể được tăng hoặc giảm với máy biến áp . Điều này cho phép điện năng được truyền qua đường dây điện một cách hiệu quả ở điện áp cao, làm giảm năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt do điện trở của dây dẫn và chuyển đổi thành điện áp thấp hơn, an toàn hơn để sử dụng. Sử dụng điện áp cao hơn dẫn đến việc truyền tải điện năng hiệu quả hơn đáng kể. Tổn thất điện năng [katex display=true]({P _ {\ rm {w}}} )[/katex] trong dây là tích của bình phương cường độ dòng điện (I) và điện trở (R) của dây, được mô tả bằng công thức:

[katex display=true]{P _ {\ rm {w}} = I ^ {2} R \,}[/katex] Điều này có nghĩa là khi truyền tải một công suất cố định trên một dây dẫn nhất định, nếu cường độ dòng điện giảm đi một nửa (tức là hiệu điện thế tăng gấp đôi) thì công suất hao phí do điện trở của dây dẫn sẽ giảm đi một phần tư.

Công suất truyền đi bằng tích của cường độ dòng điện và hiệu điện thế (giả sử không lệch pha); đó là,

[katex display=true]{P _ {\ rm {t}} = IV \,}[/katex] Do đó, công suất truyền ở điện áp cao hơn yêu cầu dòng điện tạo ra tổn hao ít hơn so với công suất cùng loại ở điện áp thấp hơn. Công suất thường được truyền ở hàng trăm kilovolt trên giá treo, và chuyển xuống hàng chục kilovolt để truyền trên đường dây cấp thấp hơn, và cuối cùng được biến đổi xuống 100 V – 240 V để sử dụng trong gia đình.

Đường dây tải điện cao áp ba pha sử dụng dòng điện xoay chiều để phân phối điện năng trên một khoảng cách xa giữa nhà máy phát điện và hộ tiêu thụ. Các dòng trong hình nằm ở phía đông Utah .

Điện áp cao có những nhược điểm, chẳng hạn như yêu cầu cách điện tăng lên và nói chung là tăng khó khăn trong việc xử lý an toàn. Trong nhà máy điện , năng lượng được tạo ra ở điện áp thuận tiện cho việc thiết kế máy phát điện , sau đó được nâng lên điện áp cao để truyền tải. Ở gần tải, điện áp truyền tải được giảm xuống điện áp của thiết bị.

Điện áp tiêu dùng thay đổi đôi chút tùy thuộc vào quốc gia và kích thước của tải, nhưng nhìn chung động cơ và đèn chiếu sáng được chế tạo để sử dụng lên đến vài trăm vôn giữa các pha. Điện áp cung cấp cho thiết bị như phụ tải chiếu sáng và động cơ được tiêu chuẩn hóa, với dải điện áp cho phép mà thiết bị dự kiến ​​sẽ hoạt động.

Điện áp sử dụng điện tiêu chuẩn và dung sai phần trăm khác nhauhệ thống điện lưới được tìm thấy trên thế giới. Hệ thống truyền tải điện dòng điện một chiều (HVDC) cao áp đã trở nên khả thi hơn khi công nghệ cung cấp các phương tiện hiệu quả để thay đổi điện áp của nguồn điện một chiều. Việc truyền tải bằng dòng điện một chiều có điện áp cao là không khả thi trong những ngày đầu truyền tải điện , vì sau đó không có cách nào hiệu quả về mặt kinh tế để giảm điện áp của DC cho các ứng dụng của người dùng cuối như chiếu sáng bóng đèn sợi đốt.

Việc phát điện ba pha rất phổ biến. Cách đơn giản nhất là sử dụng ba cuộn dây riêng biệt trong stato máy phát , lệch về mặt vật lý một góc 120 ° (một phần ba của pha 360 ° hoàn chỉnh) với nhau.

Ba dạng sóng hiện tại được tạo ra có độ lớn bằng nhau và lệch pha nhau 120 °cho nhau. Nếu các cuộn dây được thêm vào đối diện với những cuộn dây này (khoảng cách 60 °), chúng sẽ tạo ra các pha giống nhau với phân cực ngược và do đó có thể được đấu dây đơn giản với nhau. Trong thực tế, “lệnh cực” cao hơn thường được sử dụng.

Ví dụ, một máy 12 cực sẽ có 36 cuộn dây (khoảng cách 10 °). Ưu điểm là tốc độ quay thấp hơn có thể được sử dụng để tạo ra cùng một tần số. Ví dụ, máy 2 cực chạy với tốc độ 3600 vòng / phút và máy 12 cực chạy với tốc độ 600 vòng / phút tạo ra cùng tần số; tốc độ thấp hơn thích hợp cho các máy lớn hơn. Nếu tải trên hệ thống ba pha được cân bằng như nhau giữa các pha thì không có dòng điện nào chạy qua điểm trung tính.

Ngay cả trong trường hợp xấu nhất tải không cân bằng (tuyến tính), dòng điện trung tính sẽ không vượt quá mức cao nhất của dòng pha. Tải phi tuyến tính (ví dụ: nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch được sử dụng rộng rãi) có thể yêu cầu một thanh dẫn trung tính quá khổ và dây dẫn trung tính trong bảng phân phối ngược dòng để xử lý sóng hài . Sóng hài có thể làm cho mức dòng điện của dây dẫn trung tính vượt quá mức của một hoặc tất cả các dây dẫn pha.

Đối với điện áp sử dụng ba pha, hệ thống bốn dây thường được sử dụng. Khi bước xuống ba pha, máy biến áp có sơ cấp Delta (3 dây) và thứ cấp hình sao (4 dây, nối đất trung tâm) thường được sử dụng nên không cần trung tính ở phía nguồn cung cấp. Đối với những khách hàng nhỏ hơn (mức độ thay đổi nhỏ theo quốc gia và độ tuổi lắp đặt), chỉ có một pha duy nhất và trung tính, hoặc hai pha và trung tính, được đưa đến chỗ nghỉ. Đối với các cài đặt lớn hơn, tất cả ba pha và trung tính được đưa đến bảng phân phối chính.

Từ bảng điều khiển chính ba pha, cả mạch một pha và ba pha có thể bị đứt. Ba dây một phahệ thống, với một máy biến áp điều chỉnh trung tâm duy nhất cung cấp hai dây dẫn trực tiếp, là một sơ đồ phân phối phổ biến cho các tòa nhà dân cư và thương mại nhỏ ở Bắc Mỹ. Sự sắp xếp này đôi khi được gọi không chính xác là “hai giai đoạn”. Một phương pháp tương tự được sử dụng vì một lý do khác trên các công trường xây dựng ở Anh.

Các công cụ điện nhỏ và hệ thống chiếu sáng phải được cung cấp bởi một máy biến áp xoay tâm cục bộ có điện áp 55 V giữa mỗi dây dẫn điện và đất. Điều này làm giảm đáng kể nguy cơ bị điện giật trong trường hợp một trong các dây dẫn mang điện tiếp xúc do lỗi thiết bị trong khi vẫn cho phép điện áp hợp lý 110 V giữa hai dây dẫn để chạy các dụng cụ.

Một dây thứ ba , được gọi là trái phiếu (hoặc đất) dây, thường được kết nối giữa phi mang dòng thùng kim loại và nối đất. Dây dẫn này giúp bảo vệ khỏi bị điện giật do sự tiếp xúc ngẫu nhiên của dây dẫn mạch với khung kim loại của các thiết bị và dụng cụ cầm tay.

Liên kết tất cả các bộ phận kim loại không mang dòng điện thành một hệ thống hoàn chỉnh đảm bảo luôn có đường dẫn trở kháng điện thấp tới mặt đất đủ để mang bất kỳ lỗi nàohiện tại trong khoảng thời gian cần thiết để hệ thống xóa lỗi. Đường trở kháng thấp này cho phép lượng dòng sự cố tối đa, khiến thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu dao, cầu chì) bị chập hoặc cháy nhanh nhất có thể, đưa hệ thống điện về trạng thái an toàn. Tất cả các dây liên kết được liên kết với đất tại bảng điều khiển chính, cũng như dây dẫn trung tính / đã xác định nếu có.

Tần số dòng điện AC

Các tần số của hệ thống điện thay đổi theo quốc gia và đôi khi trong vòng một quốc gia; hầu hết năng lượng điện được tạo ra ở 50 hoặc 60  Hertz . Một số quốc gia có nguồn cung cấp hỗn hợp 50 Hz và 60 Hz, đáng chú ý là truyền tải điện ở Nhật Bản . Tần số thấp giúp giảm bớt thiết kế của động cơ điện, đặc biệt cho các ứng dụng nâng, nghiền và lăn, và động cơ kéo kiểu cổ góp cho các ứng dụng như đường sắt . Tuy nhiên, tần số thấp cũng gây ra hiện tượng nhấp nháy đáng chú ý ở đèn hồ quang và bóng đèn sợi đốt.

Việc sử dụng các tần số thấp hơn cũng mang lại lợi thế là tổn hao trở kháng thấp hơn, tỷ lệ thuận với tần số. Máy phát điện Niagara Falls ban đầu được chế tạo để tạo ra công suất 25 Hz, là sự dung hòa giữa tần số thấp cho lực kéo và động cơ cảm ứng nặng, trong khi vẫn cho phép đèn sợi đốt hoạt động (mặc dù có nhấp nháy đáng chú ý).

Hầu hết các khách hàng dân cư và thương mại 25 Hz cho nguồn điện Niagara Falls đã được chuyển đổi thành 60 Hz vào cuối những năm 1950, mặc dù một số [ nào? ] Khách hàng công nghiệp 25 Hz vẫn tồn tại kể từ đầu thế kỷ 21. Công suất 16,7 Hz (trước đây là 16 2/3 Hz) vẫn được sử dụng trong một số hệ thống đường sắt Châu Âu, chẳng hạn như ở Áo , Đức , Na Uy ,Thụy Điển và Thụy Sĩ .

Các ứng dụng ngoài khơi, quân sự, công nghiệp dệt, hàng hải, máy bay và tàu vũ trụ đôi khi sử dụng 400 Hz, vì lợi ích của việc giảm trọng lượng của thiết bị hoặc tốc độ động cơ cao hơn. Các hệ thống máy tính lớn thường được cung cấp bởi 400 Hz hoặc 415 Hz để giảm gợn sóng trong khi sử dụng các đơn vị chuyển đổi AC sang DC bên trong nhỏ hơn

Hiệu ứng ở tần số cao

Dòng điện một chiều chạy đều trên mặt cắt ngang của một dây dẫn đều. Dòng điện xoay chiều có tần số bất kỳ bị ép ra khỏi tâm của dây, hướng về bề mặt bên ngoài của nó. Điều này là do sự tăng tốc của một điện tích trong một dòng điện xoay chiều tạo ra sóng của bức xạ điện từ mà hủy bỏ việc tuyên truyền điện về phía trung tâm của vật liệu với cao độ dẫn . Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng da .

Ở tần số rất cao, dòng điện không còn chạy trong dây, nhưng có hiệu quả chạy trên bề mặt của dây, trong độ dày của một vài độ sâu da. Độ sâu của da là độ dày tại đó mật độ dòng điện giảm đi 63%. Ngay cả ở các tần số tương đối thấp được sử dụng để truyền tải điện năng (50 Hz – 60 Hz), sự phân bố dòng điện không đồng đều vẫn xảy ra trong các dây dẫn đủ dày .

Ví dụ, độ sâu da của một dây dẫn bằng đồng là khoảng 8,57 mm ở 60 Hz, vì vậy dây dẫn dòng điện cao thường rỗng để giảm khối lượng và chi phí của chúng. Vì dòng điện có xu hướng chạy ở ngoại vi của dây dẫn, nên tiết diện hiệu dụng của dây dẫn bị giảm. Điều này làm tăng điện trở xoay chiều hiệu dụng của dây dẫn, vì điện trở tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang. Điện trở xoay chiều thường cao hơn nhiều lần so với điện trở một chiều, gây ra tổn thất năng lượng cao hơn nhiều dolàm nóng ohmic (còn gọi là mất mát I 2 R).

Kỹ thuật giảm điện trở AC

Đối với tần số thấp đến trung bình, dây dẫn có thể được chia thành các dây bện, mỗi dây cách điện với các dây khác, với vị trí tương đối của các sợi riêng lẻ được bố trí đặc biệt trong bó dây dẫn. Dây được chế tạo bằng kỹ thuật này được gọi là dây Litz .

Biện pháp này giúp giảm thiểu một phần hiệu ứng trên da bằng cách tạo ra dòng điện đồng đều hơn trên toàn bộ tiết diện của các dây dẫn bị mắc kẹt. Dây Litz được sử dụng để tạo cuộn cảm Q cao , giảm tổn thất trong dây dẫn mềm mang dòng điện rất cao ở tần số thấp hơn và trong cuộn dây của các thiết bị mang dòng điện tần số vô tuyến cao hơn (lên đến hàng trăm kilohertz), chẳng hạn như nguồn điện chuyển đổi chế độ và tần số vô tuyến máy biến áp .

Kỹ thuật giảm tổn thất bức xạ

Theo văn bản trên, một dòng điện xoay chiều được làm bằng điện tích dưới định kỳ tăng tốc , gây bức xạ của sóng điện từ . Năng lượng được tỏa ra bị mất. Tùy thuộc vào tần số, các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để giảm thiểu tổn thất do bức xạ.

Cặp xoắn

Ở tần số lên đến khoảng 1 GHz, các cặp dây được xoắn lại với nhau trong một sợi cáp, tạo thành một cặp xoắn . Điều này làm giảm tổn thất do bức xạ điện từ và khớp nối cảm ứng . Phải sử dụng một cặp xoắn với hệ thống tín hiệu cân bằng, sao cho hai dây mang dòng điện bằng nhau nhưng ngược chiều. Mỗi dây trong một cặp xoắn bức xạ một tín hiệu, nhưng nó bị triệt tiêu hiệu quả bởi bức xạ từ dây kia, dẫn đến hầu như không bị mất bức xạ.

Cáp đồng trục

Cáp đồng trục thường được sử dụng ở tần số âm thanh trở lên để thuận tiện. Một sợi cáp đồng trục có một dây dẫn bên trong ống dẫn điện, ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi . Cường độ dòng điện chạy trên bề mặt dây dẫn trong cùng chiều và ngược chiều với cường độ dòng điện chạy trên mặt trong của ống dây ngoài.

Do đó, trường điện từ hoàn toàn được chứa trong ống, và (lý tưởng là) không có năng lượng nào bị mất do bức xạ hoặc khớp nối bên ngoài ống. Cáp đồng trục có tổn hao nhỏ có thể chấp nhận được đối với tần số lên đến khoảng 5 GHz.

Đối với tần số vi sóng lớn hơn 5 GHz, tổn hao (chủ yếu do chất điện môi ngăn cách giữa ống bên trong và ống bên ngoài là chất cách điện không lý tưởng) trở nên quá lớn, làm cho ống dẫn sóngmột phương tiện truyền năng lượng hiệu quả hơn. Cáp đồng trục thường sử dụng một lớp điện môi đục lỗ để ngăn cách ruột dẫn bên trong và bên ngoài nhằm giảm thiểu điện năng tiêu tán bởi chất điện môi.

Ống dẫn sóng

Ống dẫn sóng tương tự như cáp đồng trục, vì cả hai đều bao gồm các ống, với sự khác biệt lớn nhất là ống dẫn sóng không có dây dẫn bên trong. Ống dẫn sóng có thể có bất kỳ tiết diện tùy ý nào, nhưng tiết diện hình chữ nhật là phổ biến nhất. Bởi vì ống dẫn sóng không có dây dẫn bên trong để mang dòng điện trở lại, ống dẫn sóng không thể cung cấp năng lượng bằng dòng điện mà phải bằng trường điện từ có hướng dẫn . Mặc dù dòng điện bề mặtchảy trên thành trong của ống dẫn sóng, những dòng bề mặt đó không mang điện.

Năng lượng được thực hiện bởi các trường điện từ dẫn đường. Các dòng điện trên bề mặt được thiết lập bởi các trường điện từ dẫn sóng và có tác dụng giữ các trường bên trong ống dẫn sóng và ngăn chặn sự rò rỉ của trường ra không gian bên ngoài ống dẫn sóng.

Ống dẫn sóng có kích thước tương đương với bước sóng của dòng điện xoay chiều được truyền đi, vì vậy chúng chỉ khả thi ở tần số vi ba. Ngoài tính khả thi về cơ học này, điện trở của các kim loại không lý tưởng tạo thành các thành của ống dẫn sóng gây ra sự tiêu tán công suất (dòng điện bề mặt chảy trên các dây dẫn suy haotiêu tán điện). Ở tần số cao hơn, công suất bị mất cho sự tiêu tán này trở nên lớn không thể chấp nhận được.

Sợi quang học

Ở tần số lớn hơn 200 GHz, kích thước ống dẫn sóng trở nên nhỏ một cách phi thực tế và tổn thất ohmic trong thành ống dẫn sóng trở nên lớn. Thay vào đó, sợi quang , là một dạng của ống dẫn sóng điện môi, có thể được sử dụng. Đối với các tần số như vậy, các khái niệm về điện áp và dòng điện không còn được sử dụng nữa.

Toán học về điện áp xoay chiều

Dòng điện xoay chiều được kèm theo (hoặc gây ra) bởi hiệu điện thế xoay chiều. Điện áp xoay chiều v có thể được mô tả về mặt toán học dưới dạng hàm số của thời gian theo phương trình sau:

[katex display=true]{v (t) = V _ {\ text {peak}} \ sin (\ omega t)}[/katex],

Ở đây:

• [katex display=true]{V _ {\ text {peak}}}[/katex] là điện áp đỉnh (đơn vị: vôn ),
• [katex display=true]{\ omega}l [/katex] à tần số góc (đơn vị: radian trên giây ).

  Tần số góc liên quan đến tần số vật lý, [katex display=true]{f}[/katex] (đơn vị: hertz ), đại diện cho số chu kỳ mỗi giây, theo phương trình [katex display=true]{\ omega = 2 \ pi f}[/katex].

• [katex display=true]{t}[/katex] là thời gian (đơn vị: giây ).

Giá trị đỉnh-đỉnh của điện áp xoay chiều được định nghĩa là hiệu giữa đỉnh dương và đỉnh âm của nó. Vì giá trị lớn nhất của [katex display=true]{\ sin (x)} là +1 và giá trị nhỏ nhất là −1, điện áp xoay chiều thay đổi giữa [katex display=true]{ + V _ {\ text {peak}}}[/katex] và [katex display=true]{ -V _ {\ text {peak}}}[/katex]. Điện áp đỉnh-đỉnh, thường được viết là [katex display=true]{ V _ {\ text {pp}}}[/katex] hoặc là [katex display=true]{ V _ {\ text {PP}}}[/katex], do đó [katex display=true]{V _ {\ text {peak}} – (- V _ {\ text {peak}}) = 2V _ {\ text {peak}}}[/katex].

Quyền lực

Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và công suất được giao là:

[katex display=true] p (t) = {\ frac {v ^ {2} (t)} {R}}}[/katex]

Ở đâu [katex display=true]{ R}[/katex] thể hiện khả năng chịu tải.

Thay vì sử dụng năng lượng tức thời, [katex display=true]{ p (t)}[/katex], thực tế hơn là sử dụng công suất trung bình theo thời gian (trong đó việc lấy trung bình được thực hiện trên bất kỳ số nguyên chu kỳ nào). Do đó, điện áp xoay chiều thường được biểu thị dưới dạng giá trị bình phương trung bình căn (RMS), được viết là [katex display=true]{V _ {\ text {rms}}}[/katex], bởi vì

[katex display=true]{\ displaystyle P _ {\ text {thời gian trung bình}} = {\ frac {{V _ {\ text {rms}}} ^ {2}} {R}}.}[/katex]

Dao động điện

[katex display=true]{{\ begin {align} v (t) & = V _ {\ text {peak}} \ sin (\ omega t) \\ i (t) & = {\ frac {v (t)} {R} } = {\ frac {V _ {\ text {peak}}} {R}} \ sin (\ omega t) \\ P (t) & = v (t) i (t) = {\ frac {(V_ { \ text {peak}}) ^ {2}} {R}} \ sin ^ {2} (\ omega t) \ end {align}}}[/katex]

Điện áp bình phương trung bình gốc

Dưới đây là dạng sóng AC (không có thành phần DC ).

Điện áp RMS là căn bậc hai của giá trị trung bình trên một chu kỳ của bình phương điện áp tức thời.

Ví dụ về dòng điện xoay chiều

Để minh họa những khái niệm này, hãy xem xét nguồn cung cấp điện xoay chiều 230 V được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới. Nó được gọi như vậy vì giá trị bình phương trung bình gốc của nó là 230 V. Điều này có nghĩa là công suất trung bình theo thời gian được phân phối tương đương với công suất được phân phối bởi điện áp một chiều là 230 V. Để xác định điện áp đỉnh (biên độ), chúng ta có thể sắp xếp lại phương trình trên thành:

[katex display=true]{V _ {\ text {peak}} = {\ sqrt {2}} \ V _ {\ text {rms}}.}[/katex]

Đối với 230 V AC, điện áp đỉnh [katex display=true]{ V _ {\ text {peak}}}[/katex] là do đó [katex display=true]{230 {\ text {V}} \ times {\ sqrt {2}}}[/katex], khoảng 325 V. Trong suốt một chu kỳ, điện áp tăng từ 0 đến 325 V, giảm từ 0 đến −325 V và trở về 0.

Truyền thông tin

Dòng điện xoay chiều được sử dụng để truyền thông tin , như trong trường hợp của điện thoại và truyền hình cáp . Tín hiệu thông tin được truyền qua một loạt các tần số AC. Tín hiệu điện thoại POTS có tần số khoảng 3 kHz, gần với tần số âm thanh của băng tần cơ sở . Truyền hình cáp và các dòng thông tin truyền qua cáp khác có thể luân phiên ở tần số hàng chục đến hàng nghìn megahertz. Các tần số này tương tự như các tần số sóng điện từ thường được sử dụng để truyền các loại thông tin giống nhau qua không khí .