Curent continuu și curent alternativ

 (Curent continuu (linia roșie) și curent alternativ (linia verde). Axa verticală indică curentul sau tensiunea, iar axa orizontală „t” măsoară timpul și indică valoarea zero.)

Curent continuu

Curentul continuu (CC) este fluxul unidirecțional al sarcinilor electrice. O baterie este un bun exemplu de alimentare cu curent continuu. Un curent continuu poate să curgă într-un conductor, cum ar fi un fir, dar poate, de asemenea, să curgă prin semiconductori, izolatori sau chiar prin vid ca și în fluxuri de electroni sau ioni. Curentul electric curge într-o direcție constantă, distingându-l de curentul alternativ (CA). Un termen folosit anterior pentru acest tip de curent a fost curentul galvanic.

Curentul continuu poate fi obținut dintr-o sursă de alimentare alternativă prin utilizarea unui redresor, care conține elemente electronice (de obicei) sau elemente electromecanice (mai demult) care permit curentului să curgă numai într-o singură direcție. Curentul direct poate fi transformat în curent alternativ cu un invertor sau un set motor-generator.

Curentul continuu este folosit pentru încărcarea bateriilor și ca sursă de alimentare pentru sistemele electronice. Cantități foarte mari de energie di curent continuu sunt utilizate în producția de aluminiu și alte procese electrochimice. Este de asemenea utilizat pentru anumite căi ferate, în special în zonele urbane. Curentul continuu de înaltă tensiune este utilizat pentru a transmite cantități mari de energie de la unitățile de producție la distanță sau pentru a interconecta rețelele electrice de curent alternativ.

Circuite

Un circuit de curent continuu este un circuit electric care constă din orice combinație de surse de tensiune constantă, surse de curent constant și rezistențe. În acest caz, tensiunile și curenții electrici sunt independente de timp. O anumită tensiune sau curent de circuit nu depinde de valoarea trecută a oricărei tensiuni sau curent electric. Aceasta implică faptul că sistemul de ecuații care reprezintă un circuit de curent continuu nu implică integrale sau derivate în raport cu timpul.

Dacă un condensator sau un inductor este adăugat la un circuit de curent continuu, circuitul rezultat nu este, strict vorbind, un circuit CC. Totuși, majoritatea acestor circuite au o soluție CC. Această soluție oferă tensiunile și curenții atunci când circuitul este în starea de echilibru CC. Un astfel de circuit este reprezentat de un sistem de ecuații diferențiale. Soluția la aceste ecuații conține, de obicei, o parte variabilă sau temporară, precum și o parte constantă sau staționară. Acea această componentă de stare staționară este soluția CC. Există unele circuite care nu au o soluție CC. Două exemple simple sunt o sursă constantă de curent conectată la un condensator și o sursă de tensiune constantă conectată la un inductor.

În electronică, este obișnuit să se facă referire la un circuit care este alimentat de o sursă de tensiune CC cum ar fi o baterie sau ieșirea unei surse de curent continuu ca circuit de curent continuu, chiar dacă se înțelege că circuitul este alimentat cu curent continuu.

Curent alternativ

Transmisie, distribuție și alimentarea cu energie electrică

 (Reprezentare schematică a transmisiei electrice pe distanțe lungi C = consumatori, D = transformator coborâtor de tensiune, G = generator, I = curent în fire, P_e = puterea care ajunge la capătul liniei de transmisie, P_t = puterea de intrare în linia de transmisie, P_w = puterea pierdută în linia de transmisie, R = rezistența totală a firelor, V = tensiunea la începutul liniei de transmisie, U = transformatorul rificător de tensiune.)

Energia electrică este distribuită sub formă de curent alternativ deoarece tensiunea CA poate fi crescută sau scăzută cu un transformator. Acest lucru permite ca energia să fie transmisă eficient prin intermediul liniilor electrice de tensiune înaltă, ceea ce reduce energia pierdută sub formă de căldură datorită rezistenței conductorului și se transformă într-o tensiune mai joasă și mai sigură pentru utilizare. Utilizarea unei tensiuni mai mari conduce la o transmisie semnificativ mai eficientă a puterii. Pierderile de putere (P_w) din sârmă sunt un produs al pătratului curentului (I) și al rezistenței (R) a liniilor de transmisie, descrisă de formula

P_w = I²R.

Aceasta înseamnă că atunci când transmiteți o putere fixă ​​pe un cablu dat, dacă curentul este redus la jumătate (adică tensiunea este dublată), pierderea de putere va fi de patru ori mai mică.

Puterea transmisă este egală cu produsul curentului și a tensiunii (presupunând că nu există diferențe de fază),

P_t = I V.

În consecință, puterea transmisă la o tensiune mai mare necesită un curent mai mic generat de pierderi decât pentru aceeași putere la o tensiune mai mică. Puterea este transmisă adesea la sute de kilovolți și transformat la 100 V – 240 V pentru uz casnic.

Tensiunile mari au dezavantaje, cum ar fi creșterea izolației necesare și, în general, creșterea dificultăților în manipularea în condiții de siguranță. Într-o centrală electrică, energia este generată la o tensiune convenabilă pentru proiectarea unui generator și apoi e crescută la o tensiune înaltă pentru transmisie. În apropierea consuimatorilor, tensiunea de transmisie este coborâtă până la tensiunile utilizate de echipament. Tensiunile consumatorilor variază într-o oarecare măsură în funcție de țară și mărimea încărcării, dar, în general, motoarele și iluminatul sunt construite pentru a utiliza până la câteva sute de volți între faze. Tensiunea livrată la echipamente precum iluminatul și sarcinile motorului este standardizată, cu o gamă admisibilă de tensiune la care se așteaptă să funcționeze echipamentul. Tensiunile standard de utilizare a puterii și toleranța procentuală variază în diferitele sisteme de alimentare de la rețea în lume. Sistemele de transmisie a energiei electrice cu curent continuu de înaltă tensiune au devenit mai viabile, deoarece tehnologia a furnizat mijloace eficiente de schimbare a tensiunii CC. Transmisia cu curent continuu de înaltă tensiune nu a fost fezabilă în primele zile de transmitere a energiei electrice, deoarece nu a existat nicio cale viabilă din punct de vedere economic de a reduce tensiunea CC pentru aplicațiile utilizatorului final, cum ar fi becurile cu incandescență.

Generația electrică trifazată este foarte comună. Cea mai simplă cale este folosirea a trei bobine separate în statorul generatorului, compensate fizic la un unghi de 120° (o treime dintr-o fază completă de 360​​°) unul față de celălalt. Trei forme de undă sunt produse, egale în magnitudine și defazate la 120° unul față de celălalt. Dacă se adaugă bobine opuse acestora (spațiere la 60°) ele generează aceleași faze cu polaritate inversă și astfel pot fi pur și simplu cablate împreună. În practică, se folosesc în mod obișnuit „ordini de pol” mai mari. De exemplu, o mașină cu 12 poli ar avea 36 de bobine (10° spațiere). Avantajul este că vitezele de rotație mai mici pot fi folosite pentru a genera aceeași frecvență. De exemplu, o mașină cu 2 poli care rulează la 3600 rpm și o mașină cu 12 poli care rulează la 600 rpm produc aceeași frecvență; viteza mai mică este preferabilă pentru mașinile mai mari. Dacă sarcina pe un sistem trifazat este echilibrată în mod egal între faze, nu trece niciun curent prin punctul neutru. Chiar și în sarcina cea mai dezechilibrată (liniar), cel mai rău caz, curentul neutru nu va depăși cel mai mare dintre curenții de fază. Sarcini neliniare (de exemplu, sursele de alimentare cu comutare utilizate pe scară largă) pot necesita o magistrală neutră supradimensionată și un conductor neutru în panoul de distribuție din amonte pentru a manipula armonicile. Armonicile pot determina nivelele de curent ale conductorului neutru să depășească pe cele ale unuia sau tuturor conductorilor de fază.

Pentru tensiunile de utilizare trifazate este adesea folosit un sistem cu patru fire. La coborârea trifazică, se utilizează adesea un transformator primar delta (3 fire) și unul secundar stea (cu 4 fire, împământat la centru), astfel încât nu este nevoie de un fir neutru pe partea de alimentare. Pentru clienții mai mici sunt luate în considerare doar o singură fază și un fir neutru, sau două faze și un fir neutru. Pentru instalațiile mai mari toate cele trei faze și firul neutru sunt trimise la panoul principal de distribuție. Din panoul principal trifazat, ambele circuite monofazate și trifazate se pot folosi. Sistemele trifilare cu o singură fază, cu un singur transformator cu capăt central, care oferă doi conductori activi, reprezintă o schemă comună de distribuție a clădirilor comerciale rezidențiale și comerciale mici din America de Nord. Acest aranjament este uneori incorect denumit „două faze”. O metodă similară este folosită pentru un motiv diferit pe șantierele de construcții din Marea Britanie. Sculele electrice mici și iluminatul trebuie furnizate de un transformator cu tensiune de 55 V între fiecare conductor de alimentare și pământ. Acest lucru reduce în mod semnificativ riscul de electrocutare în cazul în care unul dintre conductorii activi devine expus printr-o defecțiune a echipamentului, permițând în același timp o tensiune rezonabilă de 110 V între cei doi conductori pentru funcționarea sculelor.

Un al treilea fir, numit firul de legătură (sau împământare), este adesea conectat între carcasele metalice care nu poartă curent și pământul. Acest conductor asigură protecția împotriva șocurilor electrice datorită contactului accidental al conductorilor de circuit cu șasiul metalic al aparatelor și instrumentelor portabile. Legarea tuturor pieselor metalice care nu au curent într-un singur sistem complet asigură întotdeauna o rezistență scăzută a impedanței electrice la sol, suficientă pentru a purta orice curent de scurgere dacă este nevoie ca sistemul să scape de scurgere. Această cale de impedanță redusă permite o cantitate maximă de curent de scurgere, determinând ca dispozitivul de protecție la supracurent (întrerupătoare, siguranțe) să oprească sau să se ardă cât mai repede posibil, aducând sistemul electric într-o stare sigură. Toate firele de legătură sunt lipite la masă la panoul de service principal, la fel ca și conductorul neutru/identificat dacă există.

Frecvențele surselor de alimentare cu curent alternativ

Frecvența sistemului electric variază în funcție de țară și uneori în interiorul unei țări; cea mai mare putere electrică este generată la 50 sau 60 hertzi. Unele țări au un amestec de frecvențe la consumatori de 50 Hz și 60 Hz, în special transmisia de energie electrică în Japonia. O frecvență joasă facilitează proiectarea motoarelor electrice, în special pentru aplicații de ridicare, concasare și rulare, precum și motoare de tracțiune tip comutare pentru aplicații precum căile ferate. Cu toate acestea, frecvența joasă cauzează și pâlpâiri semnificative în lămpile cu arc și în becurile incandescente. Utilizarea frecvențelor joase a oferit, de asemenea, avantajul unor pierderi de impedanță mai mici, care sunt proporționale cu frecvența. Generatoarele originale din Cascada Niagara au fost construite pentru a produce energie la 25 Hz, ca un compromis între frecvența joasă pentru motoarele de tracțiune și cele de inducție grele, permițând în același timp funcționarea iluminatului incandescent (deși cu pâlpâiuri vizibile). Majoritatea clienților rezidențiali și comerciali de 25 Hz pentru energia produsă la Cascada Niagara au trecut la 60 Hz până la sfârșitul anilor 1950, deși unii clienți industriali la 25 Hz încă existau la începutul secolului XXI. Puterea de 16,7 Hz (fostă 16 2/3 Hz) este încă utilizată în unele sisteme feroviare europene, cum ar fi Austria, Germania, Norvegia, Suedia și Elveția. Aplicații off-shore, în industria militară, industria textilă, la nave, aeronave și nave spațiale folosesc uneori 400 Hz, pentru beneficii de greutate redusă a aparatelor sau viteze mai mari ale motorului. Sistemele mainframe de tip „computer” au fost deseori alimentate cu 400 Hz sau 415 Hz pentru beneficiile reducerii ”pulsațiilor”, folosind în același timp unități de conversie interne interne mai mici. În orice caz, intrarea la setul M-G este tensiunea și frecvența locală obișnuită, diferită, de 200 V (Japonia), 208 V și 240 V (America de Nord), 380 V și 400 V sau 415 V (Europa), și 50 Hz sau 60 Hz.