Questo articolo discuterà l’elettricità e il suo funzionamento. Quando ci riferiamo ad AC vs DC, non stiamo parlando di una rock band lunga 5.029 cm. L’energia elettrica è disponibile in due forme, corrente alternata (AC) e corrente continua (DC). Spiegherò la differenza tra alimentazione CA e CC, come viene generata e perché utilizziamo queste diverse forme di elettricità.
Nella nostra vita quotidiana utilizziamo sempre l’alimentazione CA e CC in molti modi diversi. In generale, vediamo l’alimentazione CA come l’elettricità nelle nostre case, le prese elettriche che forniscono alimentazione a 120 V o 240 V per gli elettrodomestici. L’alimentazione CC viene utilizzata per alimentare apparecchiature alimentate a batteria. Ciò potrebbe includere il motorino di avviamento di un’auto o un telefono cellulare, nonché utensili elettrici e dispositivi cordless. È difficile spiegare perché vengono utilizzati questi tipi di corrente. Perché utilizziamo la corrente alternata nelle nostre case? Perché l’alimentazione a batteria è CC? Queste domande potrebbero essere più importanti di quanto pensi. È fondamentale comprendere le differenze tra alimentazione CA e CC quando si decide se acquistare un utensile elettrico senza fili, a batteria o con cavo. Avere i fatti per prendere una decisione informata è sempre un enorme vantaggio.
La corrente continua (DC) è stata scoperta per prima ed è stata resa popolare da Thomas Edison quando ha inventato la prima luce elettrica DC. Più tardi, Nicolas Tesla scoprì la corrente alternata e inventò il motore elettrico a corrente alternata. È scoppiato il dibattito su quale AC o DC sia meglio. Non è facile rispondere a questa domanda perché tutto dipende dall’applicazione.
Cominciamo dall’alto per rispondere a tutte le domande sull’alimentazione CA e CC. Che cos’è l’alimentazione CA? Cos’è la corrente continua? Come viene generata questa elettricità? Una volta comprese le basi, possiamo passare alle applicazioni e quando un tipo può essere migliore dell’altro.
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MOTORI E GENERATORI DC E AC Come Funzionano
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Corrente continua
Un generatore DC è relativamente semplice, motivo per cui questo è stato il primo tipo di elettricità. La corrente continua è una buona descrizione del modo in cui funziona questo tipo di alimentazione. Gli elettroni si muovono in linea retta da un punto con carica alta a un punto con carica bassa. Lo chiamiamo polo positivo e polo negativo.
L’alimentazione CC è la più efficiente, ma subisce una significativa perdita di potenza a causa della resistenza conduttiva. La corrente continua contenuta in un volt produrrà più energia ma perderà potenza quando viene utilizzata su lunghe distanze. Finché il motore è vicino alla fonte di alimentazione (il generatore o la batteria), un motore elettrico CC sarà più efficiente di uno CA.
L’alimentazione CC può essere immagazzinata nelle batterie, il che è il più grande vantaggio. Questo è il motivo per cui tutti i dispositivi portatili, che non sono collegati a una presa elettrica, utilizzano l’alimentazione CC.
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Motore DC, come funziona?
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Cos’è un generatore DC?
Per comprendere qualsiasi tipo di generatore elettrico meccanico, dobbiamo avere una conoscenza di base delle leggi di Faraday dell’induzione elettromagnetica. Sebbene questo possa sembrare complicato per molte persone, non lo è. Una forza elettromotrice (EMF), viene creata nei conduttori quando vengono posti in un campo magnetico. In poche parole, se un metallo conduttivo (come il filo di rame) è posto tra due magneti e questi magneti cambiano continuamente la polarità da nord a sud, si svilupperà una carica in quel conduttore.
Un modo semplice per creare l’induzione EMF consiste nel ruotare un conduttore tra due magneti, uno con la polarità nord rivolta verso il conduttore e uno con la polarità sud rivolta verso il conduttore. Questa è la base di un generatore DC. Il filo di rame è avvolto attorno a un albero rotante chiamato “rotore”. Per far girare il rotore, viene utilizzata energia meccanica, simile a un motore a gas. Lo statore, o magneti statici, si trova su entrambi i lati del rotore rotante. Le forze magnetiche creano induzione all’interno del rotore, che a sua volta energizza gli elettroni e genera elettricità.
La carica elettrica nel rotore viene trasferita a un conduttore esterno mediante spazzole che fanno contatto costante. Le spazzole sono collegate a una presa di corrente. La corrente viene spesso trasferita attraverso un regolatore di tensione per mantenere una tensione uniforme prima di essere fornita alla presa.
Motore dell’ascensore CA industriale.
Che cos’è una batteria?
Le batterie immagazzinano la corrente continua per mezzo di una reazione chimica. Ci sono tre componenti in una batteria, il catodo, l’anodo e l’elettrolita. Gli elettroliti sono elementi chimici che resistono e si caricano elettricamente. L’anodo (-) è il terminale negativo (+) della batteria, mentre il catodo (-) è il terminale positivo (+). Questi sono i terminali a cui colleghiamo il conduttore. Tra il catodo e l’anodo, viene utilizzato un elettrolita per concentrare l’energia elettrica nell’anodo. Questo crea una differenza di potenziale (tensione). L’anodo è ora eccitato e gli elettroni desiderano spostarsi nel punto a bassa energia (il catodo) per raggiungere l’equilibrio.
Perché l’elettrolita impedisce alla carica elettrica di spostarsi direttamente dall’anodo al catodo internamente. La corrente può muoversi solo se un conduttore è collegato all’anodo e al catodo. In altre parole, collegare un conduttore ai terminali positivo e negativo della batteria con una resistenza sufficiente per non provocare un cortocircuito.
La resistenza è ciò che consente all’energia elettrica di fluire. Tutti i dispositivi elettrici utilizzano la resistenza per convertire l’energia elettrica in calore, movimento o luce. I semiconduttori vengono utilizzati per controllare la resistenza e alterare la corrente. Senza alcuna resistenza, l’energia deve andare da qualche parte, e questo si traduce in un calore eccessivo prodotto all’interno del conduttore. Ad un certo punto, questo causerà la fusione del conduttore ed è estremamente pericoloso.
Corrente alternata
Mentre chiamiamo di uso comune qualsiasi dispositivo che produce corrente CA un generatore, un alternatore produce effettivamente l’elettricità. Il termine corrente alternata è usato per descrivere il flusso oscillante di energia elettrica. L’alimentazione CA non è come l’alimentazione CC, che segue un percorso rettilineo dal negativo al positivo. Invece, l’alimentazione CA cambia costantemente direzione e si sposta avanti e indietro tra i punti di carica attiva verso i punti di carica neutra.
Impulsi di corrente alternata a velocità o frequenza controllata (Hz). Quindi, quando parliamo di alimentazione CA a 60 Hz, questa è una corrente alternata che si sposta tra il vivo e il neutro 60 volte al secondo. Il movimento oscillatorio di una corrente alternata viene misurato in una forma d’onda, simile al suono. L’alimentazione CA convenzionale, come l’alimentazione di rete nelle nostre case, utilizza un’onda sinusoidale. Questa è una curva oscillante liscia con un’altezza che rappresenta l’ampiezza dell’onda e la lunghezza rappresenta il tempo. Quindi, l’altezza di una singola onda indica la quantità di potenza che produce e la larghezza, il tempo impiegato dalla corrente per oscillare (frequenza).
L’alimentazione CA può anche presentarsi sotto forma di onda quadra o triangolare. Queste sono onde sinusoidali artificiali che sono state alterate elettronicamente. Un’onda sinusoidale curva può anche essere chiamata onda sinusoidale pura o vera.
Come funziona un alternatore?
Un alternatore funziona secondo lo stesso principio di base di un generatore, utilizzando il principio di Faradays di EMF. Un alternatore è un generatore che trasferisce il campo magnetico. Questa è l’unica differenza.
Il generatore trasferisce l’energia magnetica dallo statore al rotore. Il rotore quindi genera l’elettricità. Un alternatore funziona nella direzione inversa. Il campo magnetico viene creato dal rotore e l’energia viene trasferita agli statori. È possibile utilizzare più statori per creare fasi. Un singolo statore genererà una potenza di 120 V CA monofase, un secondo statore produce una potenza di 240 V CA a 2 fasi e un terzo statore genererà una potenza di 360 V CA trifase. Questo ci consente di utilizzare tensioni diverse, a seconda di come colleghiamo i nostri conduttori ai circuiti dello statore.
Michael Faraday: dal 22 settembre 1791 al 26 agosto 1867
La potenza si alternerà continuamente tra lo statore (o statori) e l’involucro messo a terra dell’alternatore. La terra è uno stato di carica neutra ed è collegata al filo neutro. Lo statore è carico e collegato al filo caldo.
Un alternatore è in grado di condurre la potenza in modo più efficace poiché il carico non viene trasferito tramite spazzole da un rotore in movimento, ma piuttosto da uno statore fisso. Ciò significa un collegamento fisso direttamente allo statore. Le spazzole subiscono attrito, generano calore e il carico esercita una forza aggiuntiva sui cuscinetti del rotore. Un generatore subisce una perdita nel trasferimento di energia e quindi richiede più manutenzione.
Poiché un alternatore è più efficiente e affidabile, le auto moderne non utilizzano più un generatore per fornire l’elettricità CC. Invece, un alternatore produce una corrente CA che viene convertita in CC utilizzando un raddrizzatore. Un inverter viene utilizzato per convertire la corrente CC in CA. Gli inverter vengono utilizzati quando viene utilizzata una batteria CC per fornire alimentazione CA. Gli inverter vengono utilizzati anche per fornire un’onda sinusoidale più stabile per i generatori portatili. Gli inverter possono monitorare elettronicamente la corrente di uscita e convertirla in CC utilizzando un raddrizzatore. L’inverter converte quindi la potenza in corrente alternata in un processo noto come doppia conversione. L’inverter utilizza un microprocessore per misurare la tensione e la frequenza. Eventuali modifiche vengono corrette utilizzando transistor e condensatori, mantenendo un’onda sinusoidale quasi perfetta. Ciò elimina la possibilità di distorsione armonica.
Cos’è la distorsione armonica?
La distorsione armonica (HD) è un’onda sinusoidale irregolare. Un’onda sinusoidale CA deve essere uniforme. Ogni onda deve avere la stessa larghezza e ampiezza dell’onda precedente. Le onde possono essere influenzate da fattori quali un carico maggiore o carichi non lineari. L’onda sarà distorta se la frequenza o la tensione cambiano. La distorsione armonica totale viene misurata utilizzando l’onda sinusoidale iniziale come punto della linea di base. Ogni onda sinusoidale successiva viene misurata rispetto all’onda iniziale. Vengono confrontate tutte le variazioni di ampiezza o larghezza e viene calcolata la percentuale.
Gli inverter e i generatori portatili sono spesso elencati con le specifiche THD. THD inferiore al 5% è considerato un potere sicuro e pulito. Le apparecchiature elettroniche possono comportarsi in modo anomalo se c’è un THD elevato. Questo è spesso osservato quando le linee si muovono sullo schermo della TV o sul monitor del computer, l’immagine potrebbe anche essere distorta. Gli stereo possono produrre un suono distorto quando il THD è eccessivo.
THD ha effetti evidenti, ma può anche produrre calore eccessivo nei circuiti elettrici e nei motori. Nel tempo, questo calore può causare danni alle apparecchiature elettriche o guasti completi.
Conclusione
Ci sono pro e contro quando si tratta di alimentazione CC rispetto a alimentazione CA. L’alimentazione CA è la scelta preferita per la fornitura di energia elettrica su lunghe distanze. È facile regolare e diminuire la tensione CA. Le alte tensioni riducono l’amperaggio e quindi riducono il calore e la perdita di energia. Quindi le linee elettriche ad alta potenza e a lunga distanza utilizzano una corrente CA ad alta tensione per eliminare la perdita di potenza. La tensione viene quindi ridotta nel punto di utilizzo, utilizzando un trasformatore CA.
Poiché l’elettricità CC può essere immagazzinata in una batteria, viene utilizzata principalmente per apparecchiature portatili senza fili. Sebbene l’alimentazione CC sia più efficiente di quella CA, l’alimentazione CA è ancora più comune. Poiché è più facile accedere tramite alimentatori di rete di massa, l’alimentazione CA è più comune.
