ทฤษฎีวงจร AC: ac คืออะไรและสร้างขึ้นได้อย่างไร

บทนำ

วงจรไฟฟ้าเป็นเส้นทางนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์ซึ่งอิเล็กตรอนไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังโหลดและกลับไปยังแหล่งกำเนิด ทิศทางและขนาดของอิเล็กตรอนที่ไหลขึ้นอยู่กับชนิดของแหล่งกำเนิด ในวิศวกรรมไฟฟ้าโดยทั่วไปมีแหล่งกำเนิดแรงดันหรือกระแส (พลังงานไฟฟ้า) อยู่สองประเภทซึ่งกำหนดประเภทของวงจรและเป็น กระแสสลับ (หรือแรงดันไฟฟ้า) และ Direct Current

สำหรับสองสามโพสต์ถัดไปเราจะมุ่งเน้นไปที่กระแสสลับและย้ายไปตามหัวข้อต่างๆตั้งแต่กระแสไฟฟ้ากระแสสลับไปจนถึงรูปคลื่น ACเป็นต้น

วงจร AC

วงจรกระแสสลับตามชื่อ (กระแสสลับ) หมายถึงเป็นเพียงวงจรที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับไม่ว่าจะเป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า กระแสสลับแรงดันหรือเป็นหนึ่งในสิ่งที่คุ้มค่าของทั้งแรงดันไฟฟ้าหรือแตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันเกี่ยวกับคุณค่าและความเกื้อกูลหมายถึงทิศทางที่เป็นระยะ

เครื่องใช้ในครัวเรือนและอุตสาหกรรมในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากกระแสสลับ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่เสียบปลั๊กแบบ DC ทั้งหมดและอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่แบบชาร์จได้จะทำงานบนกระแสสลับเนื่องจากใช้พลังงาน DC บางรูปแบบที่ได้มาจาก AC สำหรับการชาร์จแบตเตอรี่หรือการเปิดระบบ ดังนั้นกระแสสลับจึงเป็นรูปแบบที่ส่งกระแสไฟที่แหล่งจ่ายไฟ

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเกิดขึ้นในช่วงปี 1980 เมื่อ Tesla ตัดสินใจที่จะแก้ปัญหาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงของ Thomas Edison ที่ใช้งานไม่ได้ในระยะยาว เขาหาวิธีการถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงจากนั้นจึงใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อให้มันขึ้นหรือลงตามที่จำเป็นสำหรับการกระจายและสามารถลดการสูญเสียพลังงานในระยะทางไกลซึ่งเป็นปัญหาหลักของ Direct ปัจจุบันในขณะนั้น

กระแสสลับ VS กระแสตรง (AC vs DC)

AC และ DC มีความแตกต่างกันในหลายวิธีในแต่ละรุ่นไปจนถึงการส่งผ่านและการกระจาย แต่เพื่อความเรียบง่ายเราจะทำการเปรียบเทียบกับลักษณะของโพสต์นี้

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง AC และ DC ซึ่งเป็นสาเหตุของลักษณะที่แตกต่างกันคือทิศทางการไหลของพลังงานไฟฟ้า ในกระแสตรงอิเล็กตรอนจะไหลอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวหรือไปข้างหน้าในขณะที่ใน AC อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนทิศทางการไหลเป็นช่วง นอกจากนี้ยังนำไปสู่การสลับระดับแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปลี่ยนจากบวกเป็นลบตามกระแส

ด้านล่างเป็นกราฟเปรียบเทียบเพื่อเน้นบางส่วนของความแตกต่างระหว่าง AC และ DC ความแตกต่างอื่น ๆ จะถูกเน้นเมื่อเราสำรวจวงจรกระแสสลับมากขึ้น

พื้นฐานการเปรียบเทียบ	AC	กระแสตรง
กำลังการส่งพลังงาน	เดินทางในระยะทางไกลโดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด	พลังงานจำนวนมากจะสูญเสียไปเมื่อส่งในระยะทางไกล
พื้นฐานการสร้าง	หมุนแม่เหล็กตามเส้นลวด	แม่เหล็กคงที่ตามเส้นลวด
ความถี่	โดยปกติคือ 50Hz หรือ 60Hz ขึ้นอยู่กับประเทศ	ความถี่เป็นศูนย์
ทิศทาง	กลับทิศทางเป็นระยะเมื่อไหลผ่านวงจร	มันคงที่คงที่ในทิศทางเดียว
ปัจจุบัน	ขนาดของมันแปรผันตามกาลเวลา	ขนาดคงที่
ที่มา	AC Generators และ Mains ทุกรูปแบบ	เซลล์แบตเตอรี่การแปลงจาก AC
พารามิเตอร์แบบพาสซีฟ	ความต้านทาน (RC, RLC ฯลฯ)	ความต้านทานเท่านั้น
ตัวประกอบกำลัง	อยู่ระหว่าง 0 และ 1	เสมอ 1
รูปคลื่น	Sinusoidal, Trapezoidal, Triangular และ Square	เส้นตรงบางครั้งเร้าใจ

แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับพื้นฐาน (เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแบบขดลวดเดี่ยว)

หลักการรอบรุ่น ACเป็นเรื่องง่าย หากสนามแม่เหล็กหรือแม่เหล็กหมุนไปตามชุดขดลวดที่อยู่นิ่ง (สายไฟ) หรือการหมุนของขดลวดรอบสนามแม่เหล็กที่หยุดนิ่งกระแสไฟฟ้าสำรองจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternator)

รูปแบบที่ง่ายที่สุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับประกอบด้วยห่วงลวดที่หมุนโดยกลไกเกี่ยวกับแกนในขณะที่อยู่ระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก

พิจารณาภาพด้านล่าง

เมื่อขดลวดกระดองหมุนภายในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กขั้วเหนือและขั้วใต้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะเปลี่ยนไปและประจุจะถูกบังคับผ่านสายไฟทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพหรือแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านลูปเป็นผลมาจากมุมของลูปที่สัมพันธ์กับทิศทางของสนามแม่เหล็ก พิจารณาภาพด้านล่าง

จากภาพที่แสดงด้านบนเราสามารถอนุมานได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กจำนวนหนึ่งจะถูกตัดออกเมื่อกระดองหมุนจำนวนของ 'เส้นตัด' จะกำหนดเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้า. เมื่อเปลี่ยนมุมของการหมุนแต่ละครั้งและผลการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของกระดองเทียบกับเส้นแม่เหล็กปริมาณของ 'เส้นแม่เหล็กที่ตัด' ก็เปลี่ยนไปด้วยดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาออกก็เปลี่ยน ตัวอย่างเช่นเส้นสนามแม่เหล็กตัดที่องศาศูนย์เป็นศูนย์ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ แต่ที่ 90 องศาเส้นสนามแม่เหล็กเกือบทั้งหมดจะถูกตัดออกดังนั้นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดในทิศทางเดียวจะถูกสร้างขึ้นในทิศทางเดียว เช่นเดียวกันถือที่ 270 องศาเท่านั้นที่สร้างในทิศทางตรงกันข้าม นอกจากนี้จึงมีการเปลี่ยนแปลงผลในแรงดันไฟฟ้าในขณะที่หมุนกระดองภายในสนามแม่เหล็กที่นำไปสู่การก่อตัวของที่รูปแบบของคลื่นซายน์แรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำผลลัพธ์จึงเป็นรูปซายน์โดยมีความถี่เชิงมุมωวัดเป็นเรเดียนต่อวินาที

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในการตั้งค่าด้านบนให้โดยสมการ:

ฉัน = V / R

โดยที่ V = NABwsin (wt)

โดยที่ N = ความเร็ว

A = พื้นที่

B = สนามแม่เหล็ก

w = ความถี่เชิงมุม

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจริงมีความซับซ้อนกว่านี้อย่างเห็นได้ชัด แต่ทำงานโดยอาศัยหลักการและกฎหมายเดียวกันของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าตามที่อธิบายไว้ข้างต้น กระแสสลับยังถูกสร้างขึ้นโดยใช้ทรานสดิวเซอร์และวงจรออสซิลเลเตอร์บางชนิดตามที่พบในอินเวอร์เตอร์

หม้อแปลงไฟฟ้า

หลักการเหนี่ยวนำที่ใช้ AC ไม่ได้ จำกัด เฉพาะการสร้างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการส่งและการกระจายด้วย ในช่วงเวลาที่ AC เข้ามาพิจารณาประเด็นสำคัญประการหนึ่งคือความจริงที่ว่า DC ไม่สามารถส่งผ่านระยะทางไกลได้ดังนั้นหนึ่งในประเด็นหลักที่ AC ต้องได้รับการแก้ไขเพื่อให้ทำงานได้คือต้องสามารถ เพื่อส่งมอบแรงดันไฟฟ้าสูง (KV) อย่างปลอดภัยที่สร้างขึ้นให้กับผู้บริโภคที่ใช้แรงดันไฟฟ้าในช่วง V ไม่ใช่ KV นี่เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้หม้อแปลงถูกอธิบายว่าเป็นหนึ่งในตัวเปิดใช้งานหลักของ AC และสิ่งสำคัญที่ต้องพูดถึง

ในหม้อแปลงขดลวดสองตัวถูกต่อสายในลักษณะที่เมื่อใช้กระแสสลับในตัวหนึ่งจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในอีกตัวหนึ่ง หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการลดระดับหรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ปลายด้านหนึ่ง (Primary Coil) เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหรือสูงกว่าตามลำดับที่ปลายอีกด้านหนึ่ง (ขดลวดทุติยภูมิ) แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดปฐมภูมิคูณด้วยอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิกับขดลวดปฐมภูมิ

หม้อแปลงไฟฟ้าที่เป็นหม้อแปลงแบบ step down หรือ step up ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิต่อจำนวนรอบของตัวนำบนขดลวดปฐมภูมิ หากมีการหมุนของขดลวดปฐมภูมิมากกว่าเมื่อเทียบกับขดลวดทุติยภูมิหม้อแปลงจะลดแรงดันไฟฟ้าลงแต่ถ้าขดลวดปฐมภูมิมีจำนวนรอบน้อยกว่าเมื่อเทียบกับขดลวดทุติยภูมิหม้อแปลงจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดปฐมภูมิ

Transformers ทำให้การกระจายพลังงานไฟฟ้าในระยะไกลเป็นไปได้มากคุ้มค่าและใช้งานได้จริง เพื่อลดการสูญเสียระหว่างการส่งพลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งจากสถานีกำเนิดไฟฟ้าที่แรงดันสูงและกระแสต่ำจากนั้นจะกระจายไปยังบ้านและสำนักงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำและกระแสไฟฟ้าสูงโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า

ดังนั้นเราจะหยุดเพียงเท่านี้เพื่อไม่ให้บทความมีข้อมูลมากเกินไป ในส่วนที่สองของบทความนี้เราจะพูดถึงรูปคลื่น AC และเข้าสู่สมการและการคำนวณบางอย่าง คอยติดตาม.