برق

• تاريخچه
• انرژي الکتريکي در حال حاضر
• براي اطلاعات بيشتر به کليد واژه هاي زير مراجعه کنيد:
• مطالعات اضافي:

توان الکتريکي که اغلب به عنوان برق يا الکتريسيته شناخته مي شود، شامل توليد و ارايه انرژي الکتريکي به ميزان کافي براي راه اندازي لوازم خانگي، تجهيزات اداري، دستگاه هاي صنعتي و فراهم آوردن انرژي کافي براي روشنايي، پخت و پز، گرماي خانگي و صنعتي و فرايندهاي صنعتي بکار مي رود.

 

تاريخچه

اگرچه که الکتريسته به عنوان نتيجه واکنش شيميايي اي که در يک پيل الکتروليک از زماني که الساندرو ولتا در سال۱۸۰۰م اين آزمايش را انجام داد، شناخته مي شده است، اما توليد آن به اين روش گران بوده و هست. در سال ۱۸۳۱م، ميشل فارادي ماشيني ابداع کرد که از حرکت چرخشي توليد الکتريسته مي کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشيد تا اين فن آوري از نظر اقتصادي مقرون به صرفه شود. در سال ۱۸۷۸م، توماس اديسون جايگزين عملي تجاري اي را براي روشنايي هاي گازي و سيستم هاي حرارتي ايجاد کرد و به فروش رساند که از الکتريسته جريان مستقيمي استفاده مي کرد که بطور منطقه اي توليد و توزيع شده بود، استفاده مي کرد. در سيستم جريان مستقيم اديسون، ايستگاه هاي توليد توان اضافي مي بايست نصب مي شدند. بدليل اينکه اديسون قادر نبود سيستمي را توليد کند که به ژنراتورهاي چندگانه اجازه بدهد که به يکديگر متصل شوند، گسترش سيستم او نياز داشت که تمامي ايستگاه هاي توليد جديد مورد نياز ساخته شوند.

 

نياز به نيروگاه هاي اضافي ابتدا توسط قانون اهم بيان شده است: بدليل اينکه تلفات با مربع جريان يا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل هاي طولاني در سيستم اديسون به مفهوم داشتن ولتاژهاي خطرناک در برخي نقاط يا کابل هاي بزرگ و گران قيمت و يا هر دوي اينها بود.

نيکولا تسلا که مدت کوتاهي براي اديسو

 

ن کار مي کرد و تئوري الکتريسته را بگونه اي درک کرده بود که اديسون درک نکرده بود، سيستم جايگزيني را ابداع کرد که از جريان متناوب استفاده مي کرد. تسلا بيان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جريان را نصف مي کند و منجر به کاهش تلفات به ميزان ۴/۳ مي شود و تنها يک سيستم جريان متناوب اجازه انتقال بين سطوح ولتاژ را در قسمت هاي مختلف آن سيستم ممکن مي سازد. او به توسعه و تکميل تئوري کلي سيستم اش ادامه داد و جايگزين تئوري و عملي اي را براي تمامي ابزارهاي جريان مستقيم آن زمان ابداع کرد و ايده هاي بديعش را در سال ۱۸۸۷م در ۳۰ حق انحصاري اختراع به ثبت رساند.

در سال ۱۸۸۸م کار تسلا مورد توجه جرج وستينگهاوس که حق انحصاري اختراع يک ترانسفورماتور را در اختيار داشت و يک کارخانه روشنايي را از سال ۱۸۸۶م در گريت بارينگتون، ماساچوست راه اندازي کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سيستم وستينگهاوس مي توانست از روشنايي هاي اديسون استفاده کند و داراي گرم کننده نيز بود، اما اين سيستم داراي موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستينگهاوس يک سيستم قدرت براي يک معدن طلا در تلوريد، کلورادو در سال ۱۸۹۱ ساخت که داراي يک ژنراتور آبي ۱۰۰ اسب بخار(۷۵ کيلو وات) بود که يک موتور ۱۰۰ اسب بخار (۷۵ کيلو وات) را در آنسوي خط انتقالي به فاصله ۵/۲ مايل (۴ کيلومتر) تغذيه مي کرد. سپس در يک قرارداد با جنرال الکتريک که اديسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستينگهاوس اقدام به ساخت يک نيرگاه در نياگارا فالس کرد که داراي سه ژنراتور تسلاي ۵۰۰۰ اسب بخار بود که الکتريسته را به يک کوره ذوب آلومينيوم در نياگارا ، نيويورک و به شهر بوفالو، نيويورک به فاصله ۲۲ مايل (۳۵ کيلومتر) انتقال مي داد. نيروگاه نياگارا در ۲۰ آوريل ۱۸۹۵م شروع به کار کرد.

انرژي الکتريکي در حال حاضر

امروزه سيستم انرژي الکتريکي جريان متناوب تسلا کماکان مهمترين ابزار ارايه انرژي الکتريکي به مصرف کنندگان در سراسر جهان است. با وجود جريان مستقيم ولتاژ بالا (HVDC) براي ارسال مقادير عظيم الکتريسته در طول فواصل بلند بکار مي رود، اما قسمت اعظم توليد الکتريسته، انتقال توان الکتريکي، توزيع الکتريسته و داد و ستد الکتريسته با استفاده از جريان متناوب محقق مي شود.

در بسياري از کشورها شرکت هاي توان الکتريکي کليه زيرساخت ها را از نيروگاه ها تا زيرساخت هاي انتقال و توزيع در اختيار دارند. به همين علت، توان الکتريکي به عنوان يک حق انحصاري طبيعي در نظر گرفته مي شود. صنعت عموماْ به شدت با کنترل قيمت ها کنترل مي شود و معمولا مالکيت و عملکرد آن در دست دولت است. در برخي کشورها بازارهاي الکتريسته وسيع با توليد کننده ها و فروشندگان الکتريسته، الکتريسته را مانند پول نقد و سهام معامله مي کنند.

موتور الکتريکي

مقدمه
يک موتور الکتريکي ، الکتريسيته را به حرکت مکانيکي تبديل مي‌کند. عمل عکس آن که تبديل حرکت مکانيکي به الکتريسيته است، توسط ژنراتور انجام مي‌شود. اين دو وسيله بجز در عملکرد ، مشابه يکديگر هستند. اکثر موتورهاي الکتريکي توسط الکترومغناطيس کار مي‌کنند، اما موتورهايي که بر اساس پديده‌هاي ديگري نظير نيروي الکتروستاتيک و اثر پيزوالکتريک کار مي‌کنند، هم وجود دارند.

ايده کلي اين است که وقتي که يک ماده حامل جريان الکتريسيته تحت اثر يک ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرد، نيرويي بر روي آن ماده از سوي ميدان اعمال مي‌شود. در يک موتور استوانه‌اي ، روتور به علت گشتاوري که ناشي از نيرويي است که به فاصله‌اي معين از محور روتور به روتور اعمال مي‌شود، مي‌گردد.
اغلب موتورهاي الکتريکي دوارند، اما موتور خطي هم وجود دارند. در يک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) روتور و بخش ثابت استاتور خوانده مي‌شود. موتور شامل آهنرباهاي الکتريکي است که روي يک قاب سيم پيچي شده است. گر چه اين قاب اغلب آرميچر خوانده

مي‌شود، اما اين واژه عموماً به غلط بکار برده مي‌شود. در واقع آرميچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودي اعمال مي‌شود يا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجي ايجاد مي‌شود. با توجه به طراحي ماشين ، هر کدام از بخشهاي روتور يا استاتور مي‌توانند به عنوان آرميچر باشند. براي ساختن موتورهايي بسيار ساده کيتهايي را در مدارس استفاده مي‌کنند.

انواع موتورهاي الکتريکي
موتورهاي DC

يکي از اولين موتورهاي دوار ، اگر نگوييم اولين ، توسط مايکل فارادي در سال ۱۸۲۱م ساخته شده بود و شامل يک سيم آويخته شده آزاد که در يک ظرف جيوه غوطه‌ور بود، مي‌شد. يک آهنرباي دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتي که جرياني از سيم عبور مي‌کرد، سيم حول آهنربا به گردش در مي‌آمد و نشان مي‌داد که جريان منجر به افزايش يک ميدان مغناطيسي دايره‌اي اطراف سيم مي‌شود. اين موتور اغلب در کلاسهاي فيزيک مدارس نشان داده مي‌شود، اما گاهاً بجاي ماده سمي جيوه ، از آب نمک استفاده مي‌شود.

موتور کلاسيک DC داراي آرميچري از آهنرباي الکتريکي است. يک سوييچ گردشي به نام کموتاتور جهت جريان الکتريکي را در هر سيکل دو بار برعکس مي کند تا در آرميچر جريان يابد و آهنرباهاي الکتريکي، آهنرباي دائمي را در بيرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه اي از ولتاژ و جريان عبوري از سيم پيچهاي موتور و بار موتور يا گشتاور ترمزي ، بستگي دارد.

سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جريان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغير يا عبور جريان و با استفاده از تپها (نوعي کليد تغيير دهنده وضعيت سيم پيچ) در سيم پيچي موتور يا با داشتن يک منبع ولتاژ متغير ، کنترل مي‌شود. بدليل اينکه اين نوع از موتور مي‌تواند در سرعتهاي پايين گشتاوري زياد ايجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهاي ترکشن (کششي) نظير لکوموتيوها استفاده مي‌کنند.
اما به هرحال در طراحي کلاسيک محدوديتهاي متعددي وجود دارد که بسياري از اين محدوديتها ناشي از نياز به جاروبکهايي براي اتصال به کموتاتور است. سايش جاروبکها و کموتاتور ، ايجاد اصطکاک مي‌کند و هر چه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبکها مي‌بايست محکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبي را برقرار کنند. نه تنها اين اصطکاک منجر به سر و صداي موتور مي‌شود بلکه اين امر يک محدوديت بالاتري را روي سرعت ايجاد مي‌کند و به اين معني است که جاروبکها نهايتاً از بين رفته نياز به تعويض پيدا مي‌کنند. اتصال ناقص الکتريکي نيز توليد نويز الکتريکي در مدار متصل مي‌کند. اين مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بيرون آن از بين مي‌روند، با قرار دادن آهنرباهاي دائم در داخل و سيم پيچها در بيرون به يک طراحي بدون جاروبک مي‌رسيم.
موتورهاي ميدان سيم پيچي شده
آهنرباهاي دائم در (استاتور) بيروني يک موتور DC را مي‌توان با آهنرباهاي الکتريکي تعويض کرد. با تغيير جريان ميدان (سيم پيچي روي آهنرباي الکتريکي) مي‌توانيم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغيير دهيم. اگر سيم پيچي ميدان به صورت سري با سيم پيچي آرميچر قرار داده شود، يک موتور گشتاور بالاي کم سرعت و اگر به صورت موازي قرار داده شود، يک موتور سرعت بالا با گشتاور کم

خواهيم داشت. مي‌توانيم براي بدست آوردن حتي سرعت بيشتر اما با گشتاور به همان ميزان کمتر ، جريان ميدان را کمتر هم کنيم. اين تکنيک براي ترکشن الکتريکي و بسياري از کاربردهاي مشابه آن ايده‌آل است و کاربرد اين تکنيک مي‌تواند منجر به حذف تجهيزات يک جعبه دنده متغير مکانيکي شود.

موتورهاي يونيورسال

يکي از انواع موتورهاي DC ميدان سيم پيچي شده موتور ينيورسال است. اسم اين موتورها از اين واقعيت گرفته شده است که اين موتورها را مي‌توان هم با جريان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً اين موتورها با تغذيه AC کار مي‌کنند. اصول کار اين موتورها بر اين اساس است که وقتي يک موتور DC ميدان سيم پيچي شده به جريان متناوب وصل مي‌شود، جريان هم در سيم پيچي ميدان و هم در سيم پيچي آرميچر (و در ميدانهاي مغناطيسي منتجه) همزمان تغيير مي‌کند و بنابراين نيروي مکانيکي ايجاد شده همواره بدون تغيير خواهد بود. در عمل موتور بايستي به صورت خاصي طراحي شود تا با جريان AC سازگاري داشته باشد (امپدانس/راکتانس بايستي مدنظر قرار گيرند) و موتور نهايي عموماً داراي کارايي کمتري نسبت به يک موتور معادل DC خالص خواهد بود.
مزيت اين موتورها اين است که مي‌توان تغذيه AC را روي موتورهايي که داراي مشخصه‌هاي نوعي موتورهاي DC هستند بکار برد، خصوصاً اينکه اين موتورها داراي گشتاور راه اندازي بسيار بالا و طراحي بسيار جمع و جور در سرعتهاي بالا هستند. جنبه منفي اين موتورها تعمير و نگهداري و مشکل قابليت اطمينان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ايجاد مي‌شود و در نتيجه اين موتورها به ندرت در صنايع مشاهده مي‌شوند، اما عمومي‌ترين موتورهاي AC در دستگاههايي نظير مخلوط کن و ابزارهاي برقي که گاهاً استفاده مي‌شوند، هستند.

موتورهاي AC
• موتورهاي AC تک فاز:

 

معمولترين موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هايي بکار مي رود که گشتاور پايين نياز دارند، نظير پنکه‌هاي برقي ، اجاقهاي ماکروويو و ديگر لوازم خانگي کوچک. نوع ديگر موتور AC تک فاز موتور القايي است، که اغلب در لوازم بزرگ نظير ماشين لباسشويي و خشک کن لباس بکار مي‌رود.