Corriente alterna

Luces de la ciudad ver en un movimiento borrosa exposición. El parpadeo AC hace que las líneas que se puntearon en lugar de continua.

Una corriente alterna (AC) es una corriente eléctrica cuya magnitud y dirección varían cíclicamente, a diferencia de corriente continua, cuya dirección se mantiene constante. Lo normal forma de onda de una Circuito de alimentación de CA es una de onda sinusoidal, ya que esto resulta en la transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan diferentes formas de onda, tales como ondas triangulares o cuadradas.

Se utiliza de forma genérica, AC se refiere a la forma en que la electricidad se entrega a empresas y residencias. Sin embargo, de audio y de radio señales transportadas en eléctrica alambre son también ejemplos de corriente alterna. En estas aplicaciones, un objetivo importante es a menudo la recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de AC.

Historia

William Stanley, Jr. diseñó uno de los primeros dispositivos prácticos para transferir la alimentación de CA de manera eficiente entre los circuitos aislados. El uso de pares de bobinas enrolladas sobre un núcleo de hierro común, su diseño, llamado bobina de inducción, fue uno de los primeros transformador. El sistema de sistema de alimentación de CA usado hoy se desarrolló rápidamente después de 1886, e incluye conceptos clave por Nikola Tesla, que posteriormente vendió su patente a George Westinghouse. Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens y otros contribuyeron posteriormente a este campo. Sistemas de corriente alterna superó las limitaciones del sistema de corriente continua utilizada por Thomas Edison para distribuir electricidad de manera eficiente a través de largas distancias.

La primera planta de energía comercial moderna con corriente alterna trifásica se encontraba en la planta hidroeléctrica de Mill Creek cerca Redlands, California en 1893, diseñado por Almirian Decker. Diseño de Decker incorporó 10.000 voltios transmisión trifásica y estableció las normas para el sistema completo de generación, transmisión y motores utilizados en la actualidad.

Alternando la teoría de circuitos actual evolucionado rápidamente en la última parte del siglo 19 y principios del siglo 20. Notables contribuyentes a la base teórica de la alternancia cálculos actuales incluyen Charles Steinmetz, James Clerk Maxwell , Oliver Heaviside, y muchos otros. Cálculos en sistemas trifásicos desequilibrados fueron simplificados por la métodos componentes simétricas discutidos por Charles Legeyt Fortescue en 1918.

Transmisión, distribución y suministro de energía doméstica

De alimentación de CA puede ser aumentada o disminuida en la tensión con una transformador. El uso de un voltaje más alto conduce a significativamente la transmisión más eficiente de energía. Las pérdidas de potencia en un conductor son un producto del cuadrado de la corriente y la resistencia del conductor, descrito por la fórmula . Esto significa que cuando se transmite una potencia fija en un alambre dado, si la corriente se duplica, la pérdida de potencia será cuatro veces mayor.

Dado que la potencia transmitida es igual al producto de la corriente, la tensión y la coseno de la diferencia de fase φ ( ), La misma cantidad de potencia puede ser transmitida con una corriente inferior al aumentar el voltaje. Por lo tanto, es ventajoso cuando la transmisión de grandes cantidades de energía para distribuir la potencia con altos voltajes (a menudo cientos de kilovoltios).

Sin embargo, los altos voltajes también tienen desventajas, siendo las principales el aumento requerido de aislamiento, y generalmente aumento de la dificultad en su manejo seguro. En un planta de energía, la energía se genera a una tensión conveniente para el diseño de una generador, y luego se acercó a un alto voltaje para la transmisión. Cerca de las cargas, la tensión de transmisión se renunció a los voltajes usados por equipos. Voltajes de consumo varían según el país y el tamaño de la carga, pero en general los motores y la iluminación están diseñados para utilizar hasta unos pocos cientos de voltios entre fases.

El voltaje de utilización entregado a equipos tales como iluminación y cargas del motor es estándar, con un rango permitido de tensión durante el cual se espera que el equipo para funcionar. Voltajes de utilización de energía estándar y tolerancia porcentual varían en los diferentes red sistemas de energía que se encuentran en el mundo.

Moderno de alta tensión, el contraste de corriente continua sistemas de transmisión de energía eléctrica con los sistemas de corriente alterna más comunes como un medio para la transmisión mayor de energía eléctrica a largas distancias. Sistemas HVDC tienden a ser más caros y menos eficientes que los transformadores. Transmisión con corriente continua de alto voltaje no era factible cuando Edison , Westinghouse y Tesla estaban diseñando sus sistemas de energía, ya que no había entonces ninguna manera de convertir económicamente alimentación de CA a CC y de regreso a las tensiones necesarias.

Generación eléctrica trifásica es muy común. Tres bobinas separadas en el generador estator están desplazados físicamente por un ángulo de 120 ° entre sí. Tres formas de onda de corriente se producen que son iguales en magnitud y 120 ° fuera de fase entre sí.

Si la carga en un sistema de tres fases está equilibrada por igual entre las fases, no fluye corriente a través de la punto neutro. Incluso en el desequilibrada (lineal) de carga peor de los casos, la corriente de neutro no será superior al mayor de las corrientes de fase. Es de destacar que las cargas no lineales (por ejemplo, ordenadores) pueden requerir un bus neutral de gran tamaño y conductor neutro en el panel de distribución de aguas arriba para manejar armónicos. Los armónicos pueden causar que los niveles actuales de conductor neutro a superar a la de los conductores de una o todas las fases.

Para trifásica a la utilización tensiones a menudo se utiliza un sistema de cuatro hilos. Cuando dimisión de tres fases, un transformador con una primaria y una secundaria Delta Estrella se utiliza a menudo para que no haya necesidad de un punto muerto en el lado de la oferta.

Para los clientes más pequeños (lo pequeño varía según el país y la edad de la instalación) sólo una sola fase y el neutro o dos fases y el neutro se toman a la propiedad. Para instalaciones más grandes las tres fases y el neutro se toman al panel principal de distribución. Desde el panel principal de tres fases, circuitos monofásicas o trifásicas pueden llevar fuera.

Sistemas monofásicos de tres hilos, con un solo transformador con derivación central dando dos conductores activos, es un esquema de distribución común para edificios residenciales y comerciales en América del Norte. Esta disposición se refiere a veces incorrectamente como "dos fases". Un método similar se utiliza por una razón diferente en obras de construcción en el Reino Unido. Se supone que las herramientas eléctricas pequeñas y la iluminación para ser alimentado por un transformador con toma central local con un voltaje de 55V entre cada conductor de la energía y la tierra. Esto reduce significativamente el riesgo de descarga eléctrica en el caso de que uno de los conductores vivos queda expuesta a través de un fallo del aparato mientras que todavía permite una tensión razonable para el funcionamiento de las herramientas.

La tercer cable, llamado el cable de unión, a menudo se conecta entre cajas metálicas no conductoras y tierra. Este conductor proporciona protección contra descargas eléctricas debido al contacto accidental de los conductores del circuito con el chasis metálico de aparatos y herramientas portátiles. La unión de todo no conductoras piezas de metal en un sistema completo se asegura que siempre hay un camino de baja impedancia a tierra suficiente para llevar a cualquier corriente de falla durante el tiempo que se necesita para que el sistema borre el fallo. Este camino de baja impedancia permite la máxima cantidad de corriente de falla fluya, haciendo que el dispositivo de protección de sobrecorriente (hidráulicos, fusibles) para disparar o quemar la mayor rapidez posible, devolver el sistema eléctrico a un estado seguro. Todos los hilos de conexión están unidos a tierra en el panel principal, como es el neutral / Identificado conductor si está presente.

Frecuencias de alimentación de CA

La frecuencia del sistema eléctrico varía según el país; mayoría de la energía eléctrica se genera a 50 ó 60 Hz. Ver Lista de países con enchufes de red, voltajes y frecuencias. Algunos países tienen una mezcla de 50 Hz y 60 Hz, especialmente Japón.

Una frecuencia baja facilita el diseño de motores eléctricos de baja velocidad, especialmente para izar, aplastamiento o rodillo, y de tipo de colector motores de tracción para aplicaciones tales como ferrocarriles , pero también causa un parpadeo notable en la iluminación incandescente y el parpadeo de objetable lámparas fluorescentes. 16⅔ poder Hz todavía se utiliza en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega , Suecia y Suiza . El uso de frecuencias más bajas también proporciona la ventaja de pérdidas de menor impedancia, que son proporcionales a la frecuencia. Los generadores originales Niagara Falls se construyeron para producir 25 Hz potencia, como un compromiso entre baja frecuencia para motores de tracción y de inducción pesado, al tiempo que permite la iluminación incandescente para operar (aunque con parpadee visiblemente); la mayoría de los clientes 25 Hz residenciales y comerciales para poder Cataratas del Niágara se convirtieron a 60 Hz por finales de 1950, aunque algunos clientes industriales 25 Hz aún existían a partir del inicio del siglo 21.

Off-shore, militar, industria textil, naval, ordenador mainframes, aviones, naves espaciales y aplicaciones a veces usan 400 Hz, para los beneficios de la reducción de peso del aparato o velocidades de motor más altas.

Efectos a altas frecuencias

A directos, los flujos de corriente constante de manera uniforme en toda la sección transversal de la (uniforme) de alambre que lleva. Con actual de cualquier frecuencia alterna, la corriente es forzada hacia la superficie exterior del alambre, y lejos del centro. Esto es debido a una carga eléctrica que acelera (como es el caso de una corriente alterna) irradia ondas electromagnéticas , y materiales de alta conductividad (el metal que constituye el hilo) no permiten la propagación de las ondas electromagnéticas. Este fenómeno se llama efecto de la piel.

A frecuencias muy altas la corriente ya no fluye en el alambre, pero con eficacia fluye en la superficie del alambre, dentro de un espesor de unos pocos profundidades de la piel. La profundidad de la piel es el espesor en el que la densidad de corriente se reduce en un 63%. Incluso a relativamente bajas frecuencias utilizadas para la transmisión de alta potencia (50-60 Hz), la distribución no uniforme de la corriente todavía ocurre en suficientemente gruesa conductores. Por ejemplo, la profundidad de la piel de un conductor de cobre es de aproximadamente 8,57 mm a 60 Hz, conductores de corriente tan altas son generalmente hueca para reducir su masa y el coste.

Puesto que la corriente tiende a fluir en la periferia de los conductores, se reduce la sección transversal efectiva del conductor. Esto aumenta la AC eficaz la resistencia del conductor, ya que la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal en el que la corriente fluye en realidad. La resistencia de CA a menudo es muchas veces mayor que la resistencia DC, causando una pérdida de energía mucho mayor debido a calentamiento óhmico (también llamado ^I2 pérdida R).

Las técnicas para reducir la resistencia de CA

Para frecuencias bajas a medianas, los conductores se pueden dividir en cables trenzados, cada uno aislado de uno al otro, y las hebras individuales especialmente dispuestos para cambiar su posición relativa dentro del haz de conductores. Cable construido usando esta técnica se llama Alambre Litz. Esta medida ayuda a mitigar parcialmente el efecto de la piel al forzar el flujo de corriente más iguales en toda la sección transversal total de los conductores trenzados. Alambre de Litz se utiliza para la fabricación de alta Q inductores, reduciendo las pérdidas en los conductores flexibles que transportan corrientes muy altas a frecuencias de energía, y en los devanados de los dispositivos que llevan más alta frecuencia de radio actual (hasta cientos de kilohercios), tales como modo de conmutación fuentes de alimentación y radiofrecuencia transformadores.

Las técnicas para reducir la pérdida de la radiación

Como está escrito anteriormente, una corriente alterna está hecha de carga eléctrica bajo periódica de aceleración , lo que provoca la radiación de ondas electromagnéticas . La energía que se irradia representa una pérdida. Dependiendo de la frecuencia, diferentes técnicas se utilizan para minimizar la pérdida debida a la radiación.

Los pares trenzados

A frecuencias de hasta aproximadamente 1 GHz, los cables están emparejados juntos en el cableado para formar una de par trenzado con el fin de reducir las pérdidas debidas a la radiación electromagnética y el acoplamiento inductivo. Un par trenzado debe ser utilizado con un sistema de señalización equilibrado, donde los dos cables llevan corrientes iguales pero opuestas. El resultado es que cada hilo en el par trenzado irradia una señal que es efectivamente cancelada por el otro hilo, lo que resulta en casi ninguna radiación electromagnética.

Los cables coaxiales

A frecuencias superiores a 1 GHz, cables sin blindaje de dimensiones prácticas pierden demasiada energía a la radiación, por lo que cables coaxiales se utilizan en su lugar. Un cable coaxial tiene un cable conductor dentro de un tubo conductor. La corriente que fluye en el conductor interno es igual y opuesta a la corriente que fluye en la superficie interior del tubo exterior. Esto hace que el campo electromagnético para ser completamente contenida dentro del tubo, y (idealmente) ninguna energía se radia o acoplada al exterior del tubo. Los cables coaxiales tienen aceptablemente pequeñas pérdidas para frecuencias de hasta aproximadamente 20 GHz. Para frecuencias de microondas mayor que 20 GHz, la pérdidas dieléctricas (principalmente debido a la factor de disipación de la capa dieléctrica que separa el alambre interior del tubo exterior) se convierten en demasiado grande, haciendo guías de ondas de un medio más eficiente para la transmisión de energía.

Las guías de onda

Las guías de onda son similares a cables coaxiales, ya que ambos consisten de tubos, con la mayor diferencia es que la guía de ondas no tiene conductor interior. Las guías de ondas pueden tener cualquier sección transversal arbitraria, pero secciones transversales rectangulares son los más comunes. Con las guías de onda, la energía ya no se realiza por una corriente eléctrica, sino por un guiada campo electromagnético. Las guías de ondas tienen dimensiones comparables a la longitud de onda de la corriente alterna que se transmita, por lo que sólo son viables en frecuencias de microondas.

La fibra óptica

A frecuencias superiores a 200 GHz, las dimensiones de guía de ondas se convierten en poco práctica pequeña, y el pérdidas óhmicas en las paredes de guía de onda se hacen grandes. En lugar de ello, la fibra óptica , que son una forma de guías de ondas dieléctricas, pueden ser utilizados. Para tales frecuencias, ya no se usan los conceptos de tensiones y corrientes.

Matemáticas de voltajes de CA

Una onda sinusoidal, durante un ciclo (360 °). La línea discontinua representa el media cuadrática (RMS) en alrededor de 0.707

Las corrientes alternas son acompañados (o causados) por tensiones alterna. En Inglés la sigla AC es de uso general y un tanto confusa para los dos. Una tensión V de CA se puede describir matemáticamente como una función del tiempo mediante la siguiente ecuación:

,

donde

• es la tensión de pico (unidad: voltios ),
• es el frecuencia angular (unidad: radianes por segundo)
  • La frecuencia angular está relacionado con la frecuencia física, , Que representa el número de oscilaciones por segundo (unidad = hertz), por la ecuación .
• es el tiempo (unidad: segundo).

El valor de pico a pico de una tensión de CA se define como la diferencia entre su pico positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de es 1 y el valor mínimo es -1, una oscilaciones de tensión alterna entre y . El voltaje de pico a pico, generalmente escrito como o Por lo tanto, es .

Potencia y raíz cuadrada media

La relación entre la tensión y la potencia es:

donde representa una resistencia de carga

En lugar de utilizar la potencia instantánea, , Es más práctico utilizar un tiempo promedio de potencia (donde la media se calcula sobre cualquier número entero de ciclos). Por lo tanto, el voltaje de CA se expresa a menudo como una media cuadrática (RMS), escrito como , Porque

Para una tensión sinusoidal:

El factor se llama factor de cresta, que varía para diferentes formas de onda.

• Para triángulo de forma de onda:

• Para cuadrado forma de onda:

Ejemplo

Para ilustrar estos conceptos, considere una red de alimentación de 240 V AC. Se le llama así porque su Valor cuadrático medio es de 240 V. Esto significa que la potencia promediada en el tiempo entregado es equivalente a la potencia suministrada por una tensión continua de 240 voltios. Para determinar la tensión de pico (amplitud), podemos modificar la ecuación anterior a:

Para nuestro 240 V CA, la V _pico pico de voltaje, por lo tanto es , Que es de aproximadamente 339 V. El valor de pico a pico de los 240 V AC es el doble, aproximadamente a 679 V.