AC-kretsteori: vad är AC och hur det genereras

Introduktion

En elektrisk krets är en komplett ledande väg genom vilken elektroner flyter från källan till belastningen och tillbaka till källan. Riktningen och storleken på elektronernas flöde beror dock på typen av källa. I elektroteknik finns det i grunden två typer av spänning eller strömkälla (elektrisk energi) som definierar vilken typ av krets och de är; Växelström (eller spänning) och likström.

För de kommande inläggen kommer vi att fokusera på växelströmmen och gå igenom ämnen som sträcker sig från vad som är växelström till växelströmsformer och så vidare.

AC-kretsar

AC-kretsar som namnet (växelström) antyder är helt enkelt kretsar som drivs av en växelkälla, antingen spänning eller ström. En växelström eller spänning, är en i vilken värdet på antingen spänningen eller strömmen varierar omkring ett visst medelvärde och reverserar riktning periodiskt.

De flesta hushållsapparater och industriella apparater och system drivs med växelström. Alla likströmsbaserade inkopplade apparater och uppladdningsbara batteribaserade enheter körs tekniskt på växelström, eftersom de alla använder någon form av likström från växelström för antingen laddning av batterier eller strömförsörjning av systemet. Växelström är alltså den form via vilken ström levereras till elnätet.

Den växlande kretsen uppstod på 1980-talet när Tesla bestämde sig för att lösa Thomas Edisons likströmsgenerators långa avstånd. Han sökte ett sätt att överföra elektricitet med hög spänning och sedan använda transformatorer för att trappa upp den antingen uppåt eller nedåt som kan behövas för distribution och kunde således minimera strömförlust över ett stort avstånd, vilket var huvudproblemet med Direct Aktuell vid den tiden.

Växelström VS likström (AC vs DC)

AC och DC skiljer sig åt på flera sätt från generation till transmission och distribution, men för enkelhets skull kommer vi att behålla jämförelsen med deras egenskaper för det här inlägget.

Den största skillnaden mellan växelström och likström, vilket också är orsaken till deras olika egenskaper, är flödesriktningen för elektrisk energi. I DC strömmar elektroner stadigt i en enskild riktning eller framåt, medan i AC växlar elektroner sin flödesriktning i periodiska intervall. Detta leder också till växling i spänningsnivån när den växlar från positiv till negativ i linje med strömmen.

Nedan följer ett jämförelsediagram för att belysa skillnaden mellan AC och DC. Andra skillnader kommer att belysas när vi går mer in på att utforska växelströmskretsar.

Jämförelsebas	AC	DC
Energitransmissionskapacitet	Reser över långa sträckor med minimal energiförlust	Stor mängd energi går förlorad när den skickas över långa sträckor
Generation Basics	Rotera en magnet längs en tråd.	Stadig magnetism längs en tråd
Frekvens	Vanligtvis 50Hz eller 60Hz beroende på land	Frekvensen är noll
Riktning	Omvänd riktning regelbundet när den flödar genom en krets	Det ständigt konstant flöde i en riktning.
Nuvarande	Dess magnitud varierar med tiden	Konstant magnitud
Källa	Alla former av växelströmsgeneratorer och elnät	Celler, batterier, omvandling från växelström
Passiva parametrar	Impedans (RC, RLC, etc)	Endast motstånd
Effektfaktor	Ligger mellan 0 och 1	Alltid 1
Vågform	Sinusformad, trapetsformad, triangulär och fyrkantig	Rak linje, ibland pulserande.

Grundläggande växelströmskälla (växelströmsgenerator med en spole)

Den princip runt AC generation är enkel. Om ett magnetfält eller magnet roteras längs en stationär uppsättning spolar (trådar) eller en spirals rotation runt ett stationärt magnetfält genereras en växelström med en växelströmsgenerator (generator).

Den enklaste formen av växelströmsgenerator består av en trådslinga som roteras mekaniskt runt en axel medan den är placerad mellan magnetens nord- och sydpoler.

Tänk på bilden nedan.

När ankarspolen roterar inom magnetfältet som skapas av nord- och sydpolsmagneterna ändras magnetflödet genom spolen och laddningar tvingas därmed genom ledningen, vilket ger upphov till en effektiv spänning eller inducerad spänning. Det magnetiska flödet genom slingan är ett resultat av slingans vinkel relativt magnetfältets riktning. Tänk på bilderna nedan;

Från bilderna som visas ovan kan vi dra slutsatsen att ett visst antal magnetfältlinjer kommer att klippas när ankaret roterar, mängden 'linjer skär' avgör spänningsutgången. Vid varje förändring i rotationsvinkeln och den resulterande cirkelrörelsen av ankaret mot magnetlinjerna ändras också mängden '' magnetiska linjer som skärs '', varför utspänningen också förändras. Till exempel är magnetfältlinjerna skurna vid noll grad noll vilket gör den resulterande spänningen noll, men vid 90 grader skärs nästan alla magnetfältlinjer, så att maximal spänning i en riktning genereras i en riktning. Detsamma gäller vid 270 grader bara att det genereras i motsatt riktning. Det är således en resulterande förändring i spänningen när ankaret roterar inom magnetfältet vilket leder till bildandet av en sinusformad vågform. Den resulterande inducerade spänningen är således sinusformad, med en vinkelfrekvens ω uppmätt i radianer per sekund.

Den inducerade strömmen i installationen ovan ger genom ekvationen:

I = V / R

Där V = NABwsin (wt)

Där N = Hastighet

A = Area

B = Magnetfält

w = Vinkelfrekvens.

Verkliga växelströmsgeneratorer är uppenbarligen mer komplexa än detta men de arbetar baserat på samma principer och lagar för elektromagnetisk induktion som beskrivs ovan. Växelström genereras också med användning av vissa typer av givare och oscillatorkretsar som finns i växelriktare.

Transformatorer

De induktionsprinciper som växelström baseras på är inte begränsade till dess generering utan också till dess överföring och distribution. Som vid den tidpunkt då AC kom i beräkningen var ett av huvudfrågorna det faktum att DC inte kunde överföras över ett långt avstånd, vilket var ett av huvudfrågorna, AC måste lösas för att bli livskraftigt, var att kunna för att säkert leverera de högspänningar (KV) som genereras till konsumenter som använder en spänning i V-området och inte KV. Detta är en av anledningarna till att transformatorn beskrivs som en av de viktigaste aktiverarna för AC och det är viktigt att prata om den.

I transformatorer är två spolar anslutna på ett sådant sätt att när en växelström appliceras i en, inducerar den spänning i den andra. Transformatorer är anordningar som används för att antingen trappa ner eller öka spänningen som appliceras i ena änden (Primärspole) för att producera en lägre respektive högre spänning i transformatorns andra ände (Sekundärspole). Den inducerade spänningen i sekundärspolen är alltid lika med spänningen som appliceras vid den primära multiplicerad med förhållandet mellan antalet varv på sekundärspolen och primärspolen.

En transformator som är en trappsteg eller steg-upp-transformator är således beroende av förhållandet mellan antalet varv på sekundärspolen och antalet varv av ledare på primärspolen. Om det finns fler varv på den primära spolen jämfört med den sekundära, stiger transformatorn ner spänningen, men om den primära spolen har mindre antal varv jämfört med den sekundära spolen, stiger transformatorn upp spänningen som appliceras vid den primära.

Transformatorer har gjort fördelningen av elkraft över långa räckvidd mycket möjlig, kostnadseffektiv och praktisk. För att minska förlusterna under överföringen överförs elkraft från generatorstationer med hög spänning och låg ström och distribueras sedan till hem och kontor med låga spänningar och höga strömmar med hjälp av transformatorer.

Så vi kommer att stanna här för att inte överbelasta artikeln med för mycket information. I del två av denna artikel kommer vi att diskutera växelströmsvågformer och komma in i några ekvationer och beräkningar. Håll dig uppdaterad.