چرا برق شهر متناوب است؟
استفاده از جریان برق متناوب در شهر علت هایی دارد که عبارتند از:
- برق تولید شده در نیروگاهها متناوب است.
- تبدیل ولتاژ در برق متناوب به راحتی صورت می گیرد؛ مثلاً برق مورد نیاز یک رادیو ممکن است ۱۲ ولت باشد و برق مورد نیاز تلویزیون ۱۰۰۰ ولت؛ در صورت تجهیز شهر به برق متناوب به راحتی می توان ولتاژ برق مورد نیاز دستگاههای مختلف را تأمین کرد.
- ترانسفورماتورها که عمل تغییر ولتاژ را انجام میدهند، فقط با برق متناوب کار می کنند.
چرا ترانسفورماتورها با برق متناوب کار میکنند؟
ساختار ترانسفورماتور عبارت است از ایجاد جریان الکتریکی از طریق القای الکترومغناطیسی. ترانسفورماتور نمی تواند با برق مستقیم (DC) کار کند زیرا در برق مستقیم دو قطب جابجا نمی شوند و در نتیجه در سیم پیچ ترانسفورماتور هیچ القایی صورت نمی گیرد تا بتواند ولتاژ را تغییر دهد.
تفاوت برق ۲۲۰ ولت و برق ۱۱۰ولت چیست؟
برای پاسخ به این سؤال، ابتدا باید به برخی قوانین حاکم در فیزیک اشاره کنیم:
۱- با افزایش ولتاژ، اتلاف انرژی الکتریکی در حین انتقال کاهش می یابد. به همین دلیل است که در سیستمهای انتقال نیرو از نیروگاه به شهر از ولتاژ بسیار بالا استفاده می شود.
۲- فرض کنید متوسط توان برق مصرفی در شهر تهران، X وات است، در صورت استفاده از برق ۱۱۰ ولت برای منازل، توان مصرفی تغییری نمی کند، ولی چون ولتاژ نصف شده است، شدت جریان باید دو برابر شود (با توجه به فرمول P=VI). به عبارت دیگر وزارت نیرو باید قطر سیمهای انتقال برق را دوبرابر کند.
۳- در صورت بروز برق گرفتگی با ولتاژ ۱۱۰ ولت، احتمال مرگ بمراتب کمتر است.
چرا برق شهر در برخی کشورها ۲۲۰ و در برخی دیگر ۱۱۰ ولت است؟
در پاسخ باید گفت، کشورهای مختلف با توجه به امکانات، منابع معدنی مس، وسعت کشور، تعداد نیروگاهها و فاصله نیروگاه از شهر، تدابیر اقتصادی مختلفی را در پیش می گیرند. به همین دلیل برخی کشورها مجهز به برق ۱۱۰ ولت و برخی دیگر مجهز به برق ۲۲۰ ولت هستند.
چرا فرکانس برق شهر ۵۰ هرتز (Hz 50 )است؟
با توجه به ماهیت برق متناوب شهر (جابجایی دو قطب)، هر وسیله مصرف کننده ای که از آن استفاده می کند چشمک خواهد زد، مثلاً لامپی که با برق متناوب شهری روشن می شود، چشمک می زند.
حداقل تعداد چشمک زدن در هر ثانیه، که برای چشم انسان غیر قابل تشخیص باشد، ۵۰ تا ۶۰ بار در ثانیه است، به همین منظور فرکانس برق متناوب شهری را ۵۰ تا ۶۰ هرتز تنظیم می کنند تا ما متوجه چشمک زدن لامپ و سایر وسایل برقی نشویم.
تفاوت بین سه فاز و تک فاز:
۱- برق سه فاز (۳فاز) برای انتقال به حداقل سه رشته سیم نیاز دارد (در صورت پایین بودن ولتاژ ۴ رشته)، برق تک فاز حداقل به دو رشته سیم نیاز دارد. با توجه به اینکه ظرفیت برق سه فاز سه برابر تک فاز است، با یک محاسبه ساده متوجه می شویم که هزینه انتقال برق سه فاز بسیار کمتر است (نزدیک به ۵۰ درصد).
۲- برق سه فاز توان و قدرت زیادی دارد و استفاده از آن در منازل کار عاقلانه ای نیست، ولی برای برخی از موتورهای برقی که توان بالایی دارند، مثل موتور آسانسور، ناگزیر به استفاده از برق سه فاز هستیم.
چرا برق ۵ فاز نه؟ چرا ۱۰ فاز نه؟
اغلب دستگاههای برقی به نوعی یک موتور برقی دارند، از موتور آسانسور سه فاز گرفته تا آب میوه گیری، چرخ گوشت و حتی یخچال (موتور کمپرسور یخچال وظیفه خنک کردن فضای داخل یخچال را به عهده دارد) که موتور تک فاز دارند. طراحی موتور الکتریکی تابعی است از تعداد فاز مصرفی آن، مثلاً یک موتور سه فاز فقط با برق سه فاز کار می کند.
در طراحی موتورهای الکتریکی سه فاز و تک فاز باید چیدمان سیم پیچها در داخل موتور متقارن و متعادل باشد تا موتور در هنگام کار کردن دچار لرزش نشود.
طراحی موتورهایی با تغذیه ۶ فاز و بیشتر نیز امکان پذیر است ولی هم سایز موتور بزرگ شده و هم هزینه زیادی خواهد داشت. در برخی صنایع، مانند ذوب آهن، معدن و … صنعتگران ناگزیر از طراحی چنین موتورهایی هستند که با برق صنعتی کار می کنند و توان خروجی بیشتری دارند.
یک مثال غیر علمی و عامیانه برای درک موضوع تعداد فاز این است که اگر بخواهیم یک ماشین لباسشویی را جابجا کنیم، به یک، دو یا نهایتاً سه نفر نیاز داریم، استفاده از ۱۰ نفر برای جابجایی ماشین لباسشویی مشکل را بیشتر می کند و نفرات با یکدیگر تداخل می کنند و هماهنگی بین آنها دشوار می شود، اما برای جابجایی یک درخت بزرگ استفاده از ۲۰ یا ۳۰ نفر طبیعی است و فقط باید بین آنها هماهنگی ایجاد شود.
نتیجه نواسانات ولتاژ در برق شهر
در صورتیکه ولتاژ ورودی به دستگاه های الکتریکی نوسان داشته باشد، احتمال آسیب دیدن مدارهای این دستگاه وجود دارد. زیرا با افزایش ولتاژ(و در برخی موارد با کاهش ولتاژ) منبع تغذیه برق مدار وسیله الکتریکی ولتاژ نادرستی را به مدار ارسال می کند که در برخی موارد به سوختن قطعات مدار (بورد) منجر می شود. در این موارد در صورت استفاده از محافظ برق، با تغییر ولتاژ برق دستگاه قطع می شود و بورد دستگاه آسیب نمیبیند.