التيار المتردد

يُسهّل التردد المنخفض تصميم المحركات الكهربائية، لا سيما في تطبيقات الرفع والسحق والدرفلة، ومحركات الجر من نوع المبدل لتطبيقات مثل السكك الحديدية . مع ذلك، يتسبب التردد المنخفض أيضًا في وميض ملحوظ في مصابيح القوس الكهربائي والمصابيح المتوهجة . كما يوفر استخدام الترددات المنخفضة ميزة تقليل فقد الطاقة في النقل، والذي يتناسب طرديًا مع التردد.

صُممت مولدات شلالات نياجرا الأصلية لإنتاج  طاقة بتردد 25 هرتز، كحل وسط بين التردد المنخفض اللازم للجر والمحركات الحثية الثقيلة، مع السماح في الوقت نفسه بتشغيل الإضاءة المتوهجة (مع وميض ملحوظ). وبحلول أواخر الخمسينيات،  تم تحويل معظم عملاء الطاقة السكنية والتجارية في شلالات نياجرا من تردد 25 هرتز إلى 60 هرتز، على الرغم من استمرار وجود بعض العملاء الصناعيين الذين يستخدمون تردد 25 هرتز حتى بداية القرن الحادي والعشرين. ولا يزال تردد 16.7 هرتز (الذي كان سابقًا 16.67 هرتز) مستخدمًا في بعض أنظمة السكك الحديدية الأوروبية ، مثل النمسا وألمانيا والنرويج والسويد وسويسرا .    

تستخدم تطبيقات المنصات البحرية، والصناعات العسكرية، وصناعة النسيج، والبحرية، والطائرات، والمركبات الفضائية أحيانًا تردد 400  هرتز، وذلك لفوائده المتمثلة في تقليل وزن الأجهزة أو زيادة سرعات المحركات. وكانت أنظمة الحواسيب المركزية تُشغَّل غالبًا بتردد 400  هرتز أو 415  هرتز لتقليل التموجات مع استخدام وحدات تحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر الداخلية الأصغر حجمًا.

بالنسبة للترددات المنخفضة إلى المتوسطة، يمكن تقسيم الموصلات إلى أسلاك مجدولة، كل منها معزول عن الآخر، مع ترتيب المواقع النسبية للأسلاك الفردية بشكل خاص داخل حزمة الموصل. يُطلق على السلك المصنوع بهذه التقنية اسم سلك ليتز . يساعد هذا الإجراء على التخفيف جزئيًا من تأثير السطح عن طريق ضمان توزيع متساوٍ للتيار عبر المقطع العرضي الكلي للموصلات المجدولة. يُستخدم سلك ليتز في صناعة المحاثات عالية الجودة ، مما يقلل الفاقد في الموصلات المرنة التي تحمل تيارات عالية جدًا عند الترددات المنخفضة، وفي ملفات الأجهزة التي تحمل تيارات ترددات لاسلكية عالية (تصل إلى مئات الكيلوهرتز)، مثل مصادر الطاقة ذات الوضع التبديل ومحولات الترددات اللاسلكية .

كما ذُكر أعلاه، يتكون التيار المتردد من شحنة كهربائية تتعرض لتسارع دوري ، مما يُسبب انبعاث موجات كهرومغناطيسية . وتُفقد الطاقة المُشعّة. وتبعًا للتردد، تُستخدم تقنيات مختلفة لتقليل الفقد الناتج عن الإشعاع.

يُفترض وجود شكل موجة تيار متردد (بدون مكون تيار مستمر ) أدناه.

الجهد الفعال هو الجذر التربيعي لمتوسط ​​مربع الجهد اللحظي خلال دورة واحدة.

العلاقة بين الجهد والطاقة المُوَصَّلة هي:

${\displaystyle p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}}$،

أين${\displaystyle R}$يمثل مقاومة الحمل.

بدلاً من استخدام الطاقة الفورية،${\displaystyle p(t)}$لذا، من العملي أكثر استخدام متوسط ​​القدرة على مدار الزمن (حيث يتم حساب المتوسط ​​على أي عدد صحيح من الدورات). لذلك، غالبًا ما يُعبَّر عن جهد التيار المتردد بقيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS)، ويُكتب على النحو التالي:${\displaystyle V_{\text{rms}}}$، لأن

${\displaystyle P_{\text{average}}={\frac {{V_{\text{rms}}}^{2}}{R}}.}$

تذبذب الطاقة

${\displaystyle {\begin{aligned}v(t)&=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)\\i(t)&={\frac {v(t)}{R}}={\frac {V_{\text{peak}}}{R}}\sin(\omega t)\\p(t)&=v(t)i(t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)={\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{2R}}\ (1-\cos(2\omega t))\end{aligned}}}$

ولهذا السبب، يصبح شكل موجة التيار المتردد موجة جيبية مقومة بالكامل ، ويكون ترددها الأساسي ضعف تردد الجهد.

لتوضيح هذه المفاهيم، لنفترض وجود مصدر تيار متردد رئيسي بجهد 230 فولت  ، وهو مستخدم في العديد من دول العالم. سُمي بهذا الاسم لأن متوسط ​​قيمة الجذر التربيعي لجهده هو 230 فولت. وهذا يعني أن متوسط ​​الطاقة المُوَصَّلة خلال فترة زمنية محددة هو 230 فولت. ${\displaystyle P_{\text{average}}}$يعادل هذا القدرة التي يوفرها جهد مستمر مقداره 230  فولت. ولتحديد ذروة الجهد (السعة)، يمكننا إعادة ترتيب المعادلة أعلاه لتصبح:

${\displaystyle V_{\text{peak}}={\sqrt {2}}\ V_{\text{rms}}}$

${\displaystyle P_{\text{peak}}={\frac {(V_{\text{rms}})^{2}}{R}}{\frac {(V_{\text{peak}})^{2}}{(V_{\text{rms}})^{2}}}={\text{P}}_{\text{average}}{\sqrt {2}}^{2}={\text{2}}P_{\text{average}}.}$

بالنسبة للتيار المتردد بجهد 230  فولت، يكون الجهد الأقصى${\displaystyle V_{\text{peak}}}$وبالتالي${\displaystyle 230{\text{ V}}\times {\sqrt {2}}}$، وهو ما يعادل حوالي 325  فولت، وذروة الطاقة${\displaystyle P_{\text{peak}}}$يكون${\displaystyle 230\times R\times W\times 2}$أي 460  RW. خلال دورة واحدة (دورتان كطاقة)، ​​يرتفع الجهد من الصفر إلى 325  فولت، والطاقة من الصفر إلى 460  RW، ثم ينخفض ​​كلاهما إلى الصفر. بعد ذلك، ينخفض ​​الجهد في الاتجاه المعاكس إلى -325  فولت، لكن الطاقة ترتفع مرة أخرى إلى 460  RW، ثم يعود كلاهما إلى الصفر.

أتاح تطوير محول التيار المتردد ، القادر على تغيير الجهد من منخفض إلى مرتفع وبالعكس، توليد واستهلاك الطاقة عند مستويات جهد منخفضة، ونقلها عبر مسافات طويلة عند مستويات جهد مرتفعة، مما وفر في تكلفة الموصلات وفقد الطاقة. وقد عُرض محول طاقة ثنائي القطب ذو قلب مفتوح، من تطوير لوسيان غولارد وجون ديكسون غيبس، في لندن عام 1881، وجذب اهتمام شركة وستنغهاوس . وعرضوا نظام تيار متردد لتشغيل مصابيح القوس الكهربائي والمصابيح المتوهجة، وتم تركيبه على طول خمس محطات سكك حديدية تابعة لسكك حديد متروبوليتان في لندن ، بالإضافة إلى نظام توزيع تيار متردد أحادي الطور متعدد المستخدمين في تورينو عام 1884. ^{[ 8 ]} كانت ملفات الحث المبكرة هذه، ذات الدوائر المغناطيسية المفتوحة، غير فعالة في نقل الطاقة إلى الأحمال . وحتى حوالي عام 1880، كان النموذج السائد لنقل طاقة التيار المتردد من مصدر جهد مرتفع إلى حمل جهد منخفض هو دائرة توالي. تم توصيل محولات ذات قلب مفتوح بنسبة قريبة من 1:1 على التوالي، بحيث تسمح ملفاتها الأولية باستخدام جهد عالٍ لنقل الطاقة مع توفير جهد منخفض للمصابيح. كان العيب الأساسي في هذه الطريقة هو أن إطفاء مصباح واحد (أو أي جهاز إلكتروني آخر) يؤثر على الجهد المُزوَّد لجميع المصابيح الأخرى في نفس الدائرة. وقد طُرحت العديد من تصاميم المحولات القابلة للتعديل للتعويض عن هذه الخاصية الإشكالية للدائرة المتصلة على التوالي، بما في ذلك تلك التي تستخدم طرقًا لضبط القلب أو تجاوز التدفق المغناطيسي حول جزء من الملف. ^{[ 9 ]} لم تكن أنظمة التيار المستمر تعاني من هذه العيوب، مما منحها مزايا كبيرة على أنظمة التيار المتردد المبكرة.

في المملكة المتحدة، أعاد سيباستيان دي فيرانتي ، الذي كان يطور مولدات ومحولات التيار المتردد في لندن منذ عام 1882، تصميم نظام التيار المتردد في محطة غروفنر غاليري لتوليد الطاقة عام 1886 لصالح شركة لندن لتزويد الكهرباء (LESCo)، حيث شمل ذلك مولدات من تصميمه الخاص ومحولات ذات قلب مفتوح مع توصيلات متسلسلة لأحمال الاستخدام - على غرار تصميمات غولارد وجيبس. ^{[ 10 ]} وفي عام 1890، صمم محطة توليد الطاقة التابعة لهم في ديبتفورد ^{[ 11 ]} وحوّل محطة غروفنر غاليري على الضفة الأخرى من نهر التايمز إلى محطة فرعية كهربائية ، مما أرسى أسس دمج المحطات القديمة في نظام إمداد تيار متردد عالمي. ^{[ 12 ]}

في خريف عام ١٨٨٤، توصل المهندسون الثلاثة كارولي زيبيرنوفسكي ، وأوتو بلاثي ، وميكسا ديري (ZBD)، العاملون في مصانع غانز في بودابست، إلى أن الأجهزة ذات القلب المفتوح غير عملية، لعدم قدرتها على تنظيم الجهد بشكل موثوق. ^{[ ١٣ ]} اقترح بلاثي استخدام قلوب مغلقة، واقترح زيبيرنوفسكي استخدام وصلات تحويل متوازية ، وأجرى ديري التجارب. ^{[ ١٤ ]} في طلبات براءات الاختراع المشتركة التي قدموها عام ١٨٨٥ لمحولات جديدة (سُميت لاحقًا محولات ZBD)، وصفوا تصميمين بدوائر مغناطيسية مغلقة، حيث تُلف لفائف نحاسية إما حول قلب حلقي من أسلاك حديدية أو تُحاط بقلب من أسلاك حديدية. ^{[ ٩ ]} في كلا التصميمين، ينتقل التدفق المغناطيسي الذي يربط بين اللفائف الأولية والثانوية بالكامل تقريبًا داخل حدود القلب الحديدي، دون أي مسار مقصود عبر الهواء (انظر القلوب الحلقية ). كانت المحولات الجديدة أكثر كفاءة بمقدار 3.4 مرة من محولات غولارد وجيبس ثنائية القطب ذات القلب المفتوح. ^{[ 15 ]} في عام 1884، شحن مصنع غانز أول خمسة محولات تيار متردد عالية الكفاءة في العالم. ^{[ 16 ]} صُنعت هذه الوحدة الأولى وفقًا للمواصفات التالية: 1400 واط، 40  هرتز، 120:72 فولت، 11.6:19.4 أمبير، نسبة 1.67:1، أحادي الطور، ذو شكل غلاف. ^{[ 16 ]}

تضمنت براءات اختراع ZBD ابتكارين رئيسيين آخرين مترابطين: الأول يتعلق باستخدام أحمال الاستخدام الموصولة على التوازي بدلاً من التوصيل على التوالي، والآخر يتعلق بإمكانية استخدام محولات ذات نسبة لفات عالية بحيث يكون جهد شبكة الإمداد أعلى بكثير (من 140 إلى 2000  فولت مبدئيًا) من جهد أحمال الاستخدام (100  فولت مفضل مبدئيًا). ^{[ 17 ] [ 18 ]} عند استخدامها في أنظمة توزيع الكهرباء الموصولة على التوازي، جعلت المحولات ذات القلب المغلق من الممكن تقنيًا واقتصاديًا توفير الطاقة الكهربائية للإضاءة في المنازل والشركات والأماكن العامة. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

كان الإنجاز الأساسي الآخر هو إدخال أنظمة "مصدر الجهد، الجهد المكثف" (VSVI) ^{[ 21 ]} باختراع مولدات الجهد الثابت عام 1885. ^{[ 22 ]} وفي أوائل عام 1885، تغلب المهندسون الثلاثة أيضًا على مشكلة فقدان التيارات الدوامية باختراع رقائق النوى الكهرومغناطيسية. ^{[ 23 ]} كما اخترع أوتو بلاثي أول عداد كهرباء للتيار المتردد . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

في مايو 1885، وخلال المعرض الوطني المجري في بودابست، قدّم ديري وبلاثي وزيبرنوفسكي عرضًا واسع النطاق لما يُعتبر على نطاق واسع النموذج الأولي لأنظمة الإضاءة الحديثة بالتيار المتردد. استخدم نظامهم 75 محولًا كهربائيًا موصولة على التوازي، لتزويد 1067 مصباحًا متوهجًا من نوع إديسون بمولد تيار متردد يوفر 1350 فولت. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 13 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

تم تطوير نظام الطاقة الكهربائية المترددة واعتماده بسرعة بعد عام 1886. في مارس من ذلك العام، قام المهندس ويليام ستانلي من شركة وستنجهاوس ، بتصميم نظام يعتمد على محول غولارد وجيبس، ^{[ 33 ]} وعرض نظام إضاءة في جريت بارينغتون : حيث تم تحويل جهد مولد سيمنز البالغ 500 فولت إلى 3000 فولت، ثم تم خفض الجهد إلى 500 فولت بواسطة ستة محولات من وستنجهاوس. وبهذا النظام، نجحت شركة وستنجهاوس في تشغيل ثلاثين مصباحًا متوهجًا بجهد 100 فولت في عشرين متجرًا على طول الشارع الرئيسي في جريت بارينغتون. ^{[ 34 ] [ 35 ]} وبحلول خريف ذلك العام، قام مهندسو غانز بتركيب نظام طاقة بمحول ZBD مع مولدات تيار متردد في روما . ^{[ 36 ]}

انطلاقاً من نجاح ستانلي، واصلت شركة وستنجهاوس إلكتريك الجديدة ^{[ 37 ]} تطوير البنية التحتية للتيار المتردد في جميع أنحاء الولايات المتحدة. وقد أدى انتشار أنظمة وستنجهاوس وغيرها من أنظمة التيار المتردد إلى رد فعل في أواخر عام 1887 من قبل توماس إديسون (أحد مؤيدي التيار المستمر)، الذي حاول تشويه سمعة التيار المتردد باعتباره شديد الخطورة في حملة عامة أطلق عليها اسم " حرب التيارات ".

في عام ١٨٨٨، اكتسبت أنظمة التيار المتردد مزيدًا من الجدوى مع ظهور محرك تيار متردد عملي ، وهو ما كانت تفتقر إليه هذه الأنظمة حتى ذلك الحين. وقد ابتكر هذا التصميم، وهو محرك حثي ، بشكل مستقل كل من غاليليو فيراريس ونيكولا تيسلا (حيث حصلت شركة وستنجهاوس الأمريكية على ترخيص تصميم تيسلا). ثم طُوّر هذا التصميم بشكل مستقل إلى شكله العملي الحديث ثلاثي الأطوار على يد ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي وتشارلز يوجين لانسلوت براون في ألمانيا من جهة، ^{[ ٣٨ ]} ويوناس وينستروم في السويد من جهة أخرى، مع أن براون كان يفضل نظام الطورين.

كانت محطة أميس لتوليد الطاقة الكهرومائية ، التي شُيّدت عام 1890، من أوائل محطات توليد الطاقة الكهرومائية بالتيار المتردد. في عام 1890، نُقل التيار الكهربائي أحادي الطور لمسافات طويلة من محطة توليد الطاقة الكهرومائية في شلالات ويلاميت بولاية أوريغون إلى وسط مدينة بورتلاند لتزويدها بالكهرباء لمسافة 14 ميلاً أسفل النهر، وذلك لإنارة الشوارع. ^{[ 39 ]} وفي عام 1891، تم تركيب نظام نقل آخر في تيلورايد بولاية كولورادو. ^{[ 40 ]} أُنشئ أول نظام ثلاثي الأطوار في عام 1891 في فرانكفورت بألمانيا. واكتمل خط نقل الطاقة بين تيفولي وروما عام 1892. ^{[ 41 ]} وكانت محطة سان أنطونيو كانيون لتوليد الطاقة الكهرومائية ثالث محطة تجارية أحادية الطور تعمل بالتيار المتردد في الولايات المتحدة لتوفير الكهرباء لمسافات طويلة. وقد اكتمل بناؤها في 31 ديسمبر 1892 على يد ألماريان ويليام ديكر لتزويد مدينة بومونا بولاية كاليفورنيا ، التي تبعد 14 ميلاً، بالطاقة. وفي الوقت نفسه، تم استكشاف إمكانية نقل الطاقة الكهربائية من شلال عن بعد في منجم غرانغيسبيرغ في السويد.تم اختيار منحدر بطول 45 مترًا  في هالسيون، ببلدية سميديباكين، حيث كان يوجد مصنع صغير للحديد. في عام 1893، تم تنفيذ مشروع ثلاثي المراحلتم استخدام نظام 9.5 كيلو فولت  لنقل 400 حصان لمسافةبلغ طولها 15 كيلومترًا  ، لتصبح أول تطبيق تجاري لها. ^{[ 42 ]} في عام 1893، أنشأت شركة وستنجهاوس نظام تيار متردد لمعرض شيكاغو العالمي . ^{[ 41 ]} في عام 1893، صمم ديكر أول محطة طاقة تجارية أمريكية ثلاثية الأطوار تعمل بالتيار المتردد، وهي محطة ميل كريك رقم 1 الكهرومائية بالقرب من ريدلاندز، كاليفورنيا . تضمن تصميم ديكر  نقلًا ثلاثي الأطوار بجهد 10 كيلوفولت، ووضع معايير النظام الكامل للتوليد والنقل والمحركات المستخدمة في الولايات المتحدة الأمريكية اليوم. بدأ تشغيل محطة نياجرا فولز آدامز لتوليد الطاقة، المزودة بثلاثة مولدات ثنائية الطور، في أغسطس 1895، ولكن لم يتم ربطها بنظام النقل البعيد إلا في عام 1896. وبعد يومين، في 28 أغسطس 1895، بدأ تشغيل محطة جاروجا الكهرومائية في كرواتيا. وقد قامت شركة غانز المجرية بتصنيع وتركيب مولدها (42  هرتز، 240 كيلوواط)، بينما بلغ طول خط النقل من المحطة إلى مدينة شيبينيك 11.5 كيلومترًا (7.1 ميلًا) ، وتضمنت شبكة التوزيع البلدية 3000 فولت/110 فولت ست محطات تحويل. ^{[ 41 ]}    

شهدت نظرية دوائر التيار المتردد تطورًا سريعًا في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. ومن أبرز المساهمين في الأسس النظرية لحسابات التيار المتردد تشارلز شتاينمتز وأوليفر هيفسايد وغيرهما الكثير. ^{[ 43 ] [ 44 ]} وقد بُسّطت الحسابات في الأنظمة ثلاثية الأطوار غير المتوازنة بفضل طرق المكونات المتناظرة التي ناقشها تشارلز ليجيت فورتيسكو عام 1918.