نظرية دائرة التيار المتردد - AC Circuit Theory

ما هي نظرية دائرة التيار المتردد؟

الدائرة الكهربائية: هي مسار موصل كامل تتدفق من خلاله الإلكترونات من المصدر إلى الحمل وتعود إلى المصدر. يعتمد اتجاه وحجم تدفق الإلكترونات على نوع المصدر. في الهندسة الكهربائية، يوجد نوعان أساسيان من مصدر الجهد أو التيار (الطاقة الكهربائية) الذي يحدد نوع الدائرة وهما: التيار المتردد (أو الجهد) والتيار المستمر.

دوائر التيار المتردد – AC Circuits:

دارات التيار المتردد كما يوحي الاسم “التيار المتردد” هي مجرد دوائر مدعومة بمصدر متناوب أو متردد، إما جهد أو تيار. التيار المتردد أو الجهد، هو الذي تتغير فيه قيمة الجهد أو التيار حول قيمة متوسطة معينة وتعكس الاتجاه بشكل دوري. يتم تشغيل معظم الأجهزة والأنظمة المنزلية والصناعية الحالية باستخدام التيار المتردد.

تعمل جميع الأجهزة الموصولة بالتيار المستمر والأجهزة القائمة على البطاريات القابلة لإعادة الشحن تقنياً على التيار المتردد حيث تستخدم جميعها شكلاً من أشكال طاقة التيار المستمر المشتقة من التيار المتردد إما لشحن بطارياتها أو تشغيل النظام. وبالتالي فإنّ التيار المتردد هو الشكل الذي يتم من خلاله توصيل الطاقة في التيار الكهربائي.

ظهرت الدائرة المتناوبة في الثمانينيات عندما قررت “تسلا” حل مشكلة عدم القدرة طويلة المدى لمولدات “توماس إديسون” التي تعمل بالتيار المستمر. لقد سعى إلى طريقة لنقل الكهرباء بجهد عالٍ ثم استخدم المحولات لتصعيدها إما لأعلى أو لأسفل حسب الحاجة للتوزيع وبالتالي كان قادراً على تقليل فقد الطاقة عبر مسافة كبيرة والتي كانت المشكلة الرئيسية للتيار المستمر في ذلك الوقت.

الفرق بين التيار المستمر والتيار المتردد – AC vs DC:

يختلف التيار المتردد والتيار المستمر بعدة طرق من طرق توليده إلى الإرسال والتوزيع. الاختلاف الرئيسي بين التيار المتردد والتيار المستمر، والذي هو أيضاً سبب خصائصهما المختلفة، هو اتجاه تدفق الطاقة الكهربائية.

في التيار المستمر، تتدفق الإلكترونات بثبات في اتجاه واحد أو للأمام، بينما في التيار المتردد، تبدل الإلكترونات اتجاه التدفق على فترات دورية. يؤدي هذا أيضاً إلى التناوب في مستوى الجهد حيث يتحول من الموجب إلى السالب تماشياً مع التيار.

الجدول التالي يوضح الاختلافات بين دوائر التيار المستمر والتيار المتردد:

مصدر التيار المتردد الأساسي – مولد التيار المتردد بملف واحد:

مبدأ توليد التيار المتردد بسيط. إذا تم تدوير مجال مغناطيسي أو مغناطيس على طول مجموعة ثابتة من الملفات “الأسلاك” أو دوران ملف حول مجال مغناطيسي ثابت، يتم إنشاء تيار متردد باستخدام مولد التيار المتردد (AC generator – Alternator). يتكون أبسط شكل من أشكال مولد التيار المتردد من حلقة من السلك يتم تدويرها ميكانيكياً حول محور أثناء وضعها بين القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس.

عندما يدور ملف المحرك داخل المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة مغناطيس القطب الشمالي والجنوبي، يتغير التدفق المغناطيسي عبر الملف، وبالتالي يتم دفع الشحنات عبر السلك، مما يؤدي إلى جهد فعّال أو جهد مستحث. التدفق المغناطيسي عبر الحلقة هو نتيجة لزاوية الحلقة بالنسبة لاتجاه المجال المغناطيسي.

يمكننا أنّ نستنتج أنّه يتم قطع عدد معين من خطوط المجال المغناطيسي أثناء دوران المحرك، تحدد كمية “الخطوط المقطوعة” خرج الجهد. مع كل تغيير في زاوية الدوران والحركة الدائرية الناتجة عن المحرك مقابل الخطوط المغناطيسية، تتغير أيضاً كمية “الخطوط المغناطيسية المقطوعة”، وبالتالي يتغير جهد الخرج أيضاً.

على سبيل المثال، خطوط المجال المغناطيسي المقطوعة عند درجة الصفر هي صفر مما يجعل الجهد الناتج صفراً، ولكن عند (90) درجة، يتم قطع جميع خطوط المجال المغناطيسي تقريباً، وبالتالي يتم إنشاء أقصى جهد في اتجاه واحد في اتجاه واحد. ينطبق الشيء نفسه على (270) درجة فقط لأنّه تم إنشاؤه في الاتجاه المعاكس.

وبالتالي هناك تغيير ناتج في الجهد حيث يدور المحرك داخل المجال المغناطيسي مما يؤدي إلى تكوين شكل موجة جيبية. وبالتالي فإنّ الجهد المستحث الناتج يكون جيبياً، مع تردد زاوي يقاس “بالراديان في الثانية”.

معادلة التيار المتردد المستحث:

يعطي التيار المستحث أعلاه بالمعادلة التالية:

I = V/R

حيث: 

V= NABwsin (wt)

حيث: 

N – السرعة.

A – المساحة.

B – المجال المغناطيسي.

w – التردد الزاوي.

من الواضح أنّ مولدات التيار المتردد الحقيقية أكثر تعقيداً من هذا ولكنّها تعمل على أساس نفس مبادئ وقوانين الحث الكهرومغناطيسي. يتم أيضاً إنشاء التيار المتردد باستخدام نوع معين من المحولات ودوائر المذبذبات كما هو موجود في العاكسات (inverters).

المحولات – Transformers:

لا تقتصر مبادئ الحث التي يعتمد عليها التيار المتردد على توليدها فقط ولكن أيضاً في نقلها وتوزيعها. في الوقت الذي بدأ فيه حساب التيار المتردد، كانت إحدى المشكلات الرئيسية هي حقيقة أنّه لا يمكن نقل التيار المستمر عبر مسافة طويلة، وبالتالي فإنّ إحدى المشكلات الرئيسية، التي كان لا بد من حلها لتصبح قابلة للتطبيق.

كانت أن تكون قادراً على توصيل الفولتية العالية (KV) بأمان إلى المستهلكين الذين يستخدمون الفولتية في النطاق (V) وليس (KV). هذا أحد أسباب وصف المحول بأنّه أحد العوامل التمكينية الرئيسية للتيار المتردد ومن المهم التحدث عنه.

كيف تعمل المحولات؟

في المحولات، يتم توصيل ملفين سلكياً بطريقة أنّه عند تطبيق تيار متردد في أحدهما، فإنّه يحفز الجهد في الآخر. المحولات هي الأجهزة التي تستخدم إما للتنحي أو تصعيد الجهد المطبق في أحد طرفي “الملف الأساسي” لإنتاج جهد أقل أو أعلى على التوالي في الطرف الآخر “الملف الثانوي” للمحول.

دائماً ما يكون الجهد المستحث في الملف الثانوي مساوياً للجهد المطبق في المرحلة الأولية مضروباً في نسبة عدد الدورات على الملف الثانوي إلى الملف الأساسي. وبالتالي، فإنّ المحول الذي يكون عبارة عن محول متدرج (step down) أو متدرج (step up) يعتمد على نسبة عدد المنعطفات على الملف الثانوي إلى عدد دورات الموصل على الملف الأساسي.

إذا كان هناك عدد أكبر من المنعطفات على الملف الأساسي مقارنة بالثانوي، فإنّ المحول يخفض الجهد ولكن إذا كان الملف الأساسي يحتوي على عدد أقل من المنعطفات مقارنة بالملف الثانوي، فإنّ المحول يرفع الجهد المطبق في المرحلة الابتدائية.

موجة التيار المتردد – AC Waveform:

يتم إنشاء أشكال الموجات الجيبية (AC) عن طريق تدوير ملف داخل مجال مغناطيسي وتشكل الفولتية والتيارات المتناوبة أساس نظرية التيار المتردد. تُعرَّف الدالة البديلة أو شكل موجة التيار المتردد بأنّها وظيفة تختلف في كل من الحجم والاتجاه بطريقة متساوية إلى حد ما فيما يتعلق بالوقت مما يجعلها شكل موجة “ثنائي الاتجاه”.

يمكن أن تمثل وظيفة التيار المتردد إما مصدر طاقة أو مصدر إشارة مع شكل شكل موجة (AC) يتبع بشكل عام شكل الجيب الرياضي الذي يتم تعريفه على النحو التالي:

(A(t) = A_max × sin (2πƒt

مصطلح (AC) أو لإعطائه وصفاً كاملاً للتيار المتردد، يشير عموماً إلى شكل موجة متغير بمرور الوقت، يطلق عليها اسم الموجة الجيبية المعروفة بشكل أفضل بالشكل الموجي الجيبي. يُطلق على الأشكال الموجية الجيبية بشكل عام وصفها المختصر باسم “موجات الجيب”. تعد الموجات الجيبية واحدة من أهم أنواع موجات التيار المتردد المستخدمة في الهندسة الكهربائية.

خصائص شكل موجة التيار المتردد:

• الفترة، (T) هي المدة الزمنية بالثواني التي يستغرقها شكل الموجة لتكرار نفسها من البداية إلى النهاية. يمكن أن يسمى هذا أيضاً الوقت الدوري للشكل الموجي للموجات الجيبية، أو عرض النبض للموجات المربعة.

• التردد، (ƒ) هو عدد المرات التي يكرر فيها شكل الموجة نفسه خلال فترة زمنية ثانية واحدة. التردد هو مقلوب الفترة الزمنية، (ƒ = 1 / T)، ووحدة التردد هي هرتز، (Hz).

• السعة، (A) هي حجم أو شدة شكل موجة الإشارة المقاسة بالفولت أو الأمبير.