Vahelduvvool: erinevus redaktsioonide vahel

P
resümee puudub
PResümee puudub
PResümee puudub
[[File:Electric Transmission.png|thumb|265px|Pikamaa elektrienergia ülekande põhimõtteskeem. C – tarbijad, D – pinget langetav trafo, G – generaator, I – vool juhtmetes, Pe – võimsus ülekandeliini lõpus, Pt – võimsus ülekandeliini alguses, Pw – võimsuskadu ülekandeliinis, R – juhtmete kogutakistus, V – pinge ülekandeliini alguses, U – pinget tõstev trafo]]
 
Elektrienergia transport ja jaotus toimub vahelduvvoolu kasutades, sest vahelduv[[pinge]]t on võimalik [[transformaator]]i ehk trafo abil muuta kõrgemaks või madalamaks. See võimaldab energiat mööda ülekandeliine efektiivselt edasi kanda, kasutades kõrget pinget. Nii on energia transportimisel juhtmete [[takistus]]est tekkiv [[soojuskadu]] väiksem. Selleks, et kõrge pingega elektrivool ohutult tarbijani viia, tuleb vahetult enne tarbijat pinge trafo abil madalamale, ohutumale tasemele viia. Kõrgepingeliinide kasutamine võimaldab oluliselt efektiivsemat elektrienergia ülekannet. Võimsuskadu (<math>P_{\rm w}</math>) juhtmes on voolutugevuse (I) ruudu ja [[takistus]]e (R) korrutis, mida kirjeldab valem:
 
:<math>P_{\rm w} = I^2 R \, .</math>
[[File:Highvoltagetransmissionlines.jpg|thumb|right|265px|[[Kõrgepingeliin]]id toimetavad elektrienergia jaamast pikkade vahemaade taha tarbijani. Pildil olevad elektriliinid asuvad [[USA]] [[Utah|Utah']] osariigis]]
 
[[Kõrgepinge]]l on ka puudusi, näiteks suurem isoleerimisvajadus ning suuremad väljakutsed ohutuks käsitlemiseks. Elektrijaamas toodetakse elektrienergiat sobiva pingega [[elektrigeneraator]]ite jaoks ning seejärel [[pinge]]t tõstetakse ülekande jaoks [[trafo]] abil. Tarbijate lähedal langetatakse ülekandepinge sobivaks tarbijatele. Need pingeväärtused sõltuvad riigist ja koormuse suurusest, kuid üldiselt on mootorid ja valgustus disainitud kasutama mõnesajavoldist elektripinget. Tarbijateni toodav elektrivool on standardiseeritud parameetritega. Eestis on standardne faasi ja maanduse vaheline- faasipinge 230 V ja liini/faaside vaheline pinge 400V,400 V, [[sagedus]] 50 Hz (ühe sekundi jooksul vahetuvad + ja - poolused 50 korda). Kõrgepinge alalisvooluga (HVDC – ''high-voltage direct-current'') elektrienergia ülekandesüsteemid on muutunud kasutatavaks, kuna tehnoloogia areng on võimaldanud leida efektiivse viisi alalispinge langetamiseks. Elektrienergia algusaegadel ei olnud ülekanne alalispingega mõeldav, sest ei olnud välja töötatud majanduslikult ratsionaalset lahendust alalispinge tõstmiseks suurte võimsuste tuhandete kilomeetrite taha edastamise jaoks või langetamiseks lõpptarbijale sobiva väärtuseni, näiteks [[hõõglamp]]ide, elektroonika kasutamiseks.
 
[[Kolmefaasiline süsteem|Kolmefaasilise vahelduvvoolu]] tootmiseks on lihtsaim viis seda teha kasutades ühe [[generaator]]i [[staator]]i peal kolme eraldi mähist, mis on omavahel füüsiliselt 120° nurkade all (kolmandik tervest 360° faasist). Nii tekitatakse kolm voolusignaali, millel on võrdsed amplituudid ja sagedused, kuid [[faasivahe]] 120°. Kui lisada eeltoodud mähistele veel kolm tükki neile vastu (60° vahedega), tekitavad nad samad [[faas]]id, kuid pööratud [[polaarsus]]ega ning seega saab nad lihtsalt kokku ühendada. Praktikas kasutatakse rohkemgi mähiseid, näiteks 36 mähist 10° vahedega. Selle eeliseks on, et sama [[sagedus]]ega voolu tootmiseks saab kasutada aeglasemat pöörlemiskiirust. Näiteks 6 mähisega generaator, mis teeb 3600 pööret minutis, annab välja sama sagedusega signaali, mis 36 mähisega generaator, mis teeb 600 pööret minutis. Mida suurem seade, seda eelistatum on madalamväiksem pöörlemiskiirus. Kui kolmefaasilise süsteemi koormus on faaside vahel ühtlaselt jaotunud, siis läbi [[Neutraaljuht|neutraali]] pinge maa suhtes on ~ 0 ja märkimisväärset elektrivoolu neutraaljuhti ei teki.
 
Kolmefaasilises süsteemis kasutatakse sageli nelja juhtmega süsteemi L1, L2, L3 ja [[Maandamine|maandus]] (PE). Kui kolmefaasilist pinget trafo abil langetatakse, kasutatakse sageli Delta (kolme juhtmega) [[primaarmähis]]t ja tähekujulist (nelja juhtmega) [[sekundaarmähis]]t, nii ei ole neutraali järele tarbija poolel vajadust. Väiksematele klientidele (kui väike on väike, sõltub jällegi riigist ja jaotussüsteemi vanusest) viiakse vahel vaid ühefaasiline vool ja neutraal, või kaks faasi ja neutraal. Suuremate installatsioonide jaoks viiakse kõik kolm faasi ja neutraal jaotuspaneeli. Kolmefaasilisest juhtpaneelist võivad edasi minna nii ühe- kui ka kolmefaasilised vooluringid.
 
[[Maandamine|Maandusjuhe]] (PE - maa potensiaal) ühendatakse tavaliselt voolu mitte kandva metallist kesta ja maapinna vahele. Selline [[elektrijuht]] pakub kaitset elektrišoki eest, mis võiks ilma maanduseta toimuda, kui voolu all olev ahela osa puutub rikke või hooletuse tõttu vastu seadme metallkesta. Kõiki mitte voolu all olevate metallosade ühte süsteemi ühendamine ja maandamine tagab, et alati on olemas madalaväikese [[impedants]]iga ühendus maaga, mis võimaldab mistahes voolu maasse juhtida ja liigvoolukaitse(sulari või automaatkaitse) kohese rakendumise jaoks piisava (lühis)voolu tekkimist. Puuduliku maanduse (maandustakistuse) või vale nimivooluga kaitse kasutamisel korral rakendub [[Lühis|lühiühenduse]] tekkimisel liigvoolukaitse kas liiga aeglaselt või ei rakendu üldse, mis koormab juhistikku kõrge temperatuurini - isolatsiooni hävinemiseni - tulekahju puhkemiseni või tuhandete ampritega mõõdetavate lühisvoolude tekkimise korral tekitab lühisega kaasnev magnetväli juhtide vahel kümnetes kilonjuutonites mõõdetavaid tõmbe- ja tõukejõude, mis lammutavad kilpe ja juhistikke, millele lisandub väga järsu termopaisumisega kaasnevad survejõud.
 
== Vahelduvvoolu jaotusvõrkude sagedused ==
 
Jaotusvõrgu[[sagedus]] varieerub riigiti ning mõnikord isegi riigisiseselt; suurem osa elektrienergiast toodetakse sagedusel 50 või 60 [[herts]]i (Hz). Mõnes riigis on kasutusel nii 50 Hz kui ka 60 Hz võrgud, näiteks Jaapanis. Madal töösagedus lihtsustab elektrimootorite ehitust. Samas põhjustab madal sagedus ka tuntavat värelust [[Kaarlahendus|kaarlamp]]ides ja [[hõõglamp]]ides. Plusspoolelt jällegi põhjustab madalam sagedus madalamatväiksemat [[impedants]]ikadu, mis on võrdeline sagedusega. Algsed [[Niagara juga|Niagara joa]] generaatorid olid ette nähtud tootma 25 Hz sagedusega elektrivoolu, kompromiss madala ja kõrge sageduse vahel – piisavalt madal [[tõmbemootor]]ite ja raskete [[induktsioon]]mootorite jaoks, samas piisavalt kõrge, et hõõglambid võiksid töötada (kuigi nähtava värelusega). Suurem osa jae- ja tööstustarbijatele toodetud võimsusest muudeti 1950. aastatel 60 Hz sagedusele, siiski jäid mõned 25 Hz peal olevad tööstuslikud tarbijad kuni 21. sajandi alguseni. Mõnes Euroopa raudteesüsteemis kasutatakse siiani 16,7 Hz (varem 16 2/3 Hz) sagedusega elektrivoolu, näiteks [[Austria]]s, [[Saksamaa]]l, [[Norra]]s, [[Rootsi]]s ja [[Šveits]]is. Mere-, militaar-, õhusõiduki-, kosmose- ja tekstiilitöötlustehnoloogiates kasutatakse vahel ka 400 Hz elektrivoolu, mis pakub eeliseid kergemate seadmete ja suuremate mootorikiiruste saavutamisega ja ka parema elektriohutuse saavutamiseks, seda viimast näiteks kasutati kaevanduste käsiseadmete elektritoite trafodes. Keskarvuteid varustati sageli 400 Hz või 415 Hz vooluga [[Virvendusdefekt|virvendusdefekti]] (ingl k ''ripple effect'') vähendamiseks.<ref>{{Cite web|url=https://www.ecmweb.com/basics/basics-400-hz-power-systems|title=The Basics of 400-Hz Power Systems|date=24.10.2019|website=Electrical Construction & Maintenance (EC&M) Magazine}}</ref>
 
== Efektid kõrgetel sagedustel ==
[[File:22. Теслин трансформатор.ogv|thumb|left|280px|[[Tesla trafo]] tekitamas kõrgsageduslikku voolu, mis on inimestele ohutu, kuid paneb tööle [[fluorestsents]]lambi, mida trafole lähendatakse]]
 
Alalisvool liigub ühtlaselt läbi kogu homogeense juhtme ristlõike. Mistahes sagedusel vahelduvvool aga suunatakse juhtme keskmest eemale, selle välispinna suunas. See juhtub, kuna vahelduvvoolu puhul liikuva [[elektrilaeng]]u kiirendus tekitab [[elektromagnetlaine]]id, mis indutseerivad pöörisvoolusid, mis töötavad algsele elektrivoolule vastupidises suunas, kusjuures need nn. vastuvoolud tugevnevad juhtme kesktelje suunas. Sellist nähtust nimetataksegi [[pinnaefekt]]iks (ingl k ''skin effect''). Väga kõrgete sageduste puhul liigubki kogu elektrivool ainult juhi pindmistes kihtides. Isegi nii madalatel sagedustel nagu 50 Hz ja 60 Hz on siiski võimalik pinnefekti täheldada piisavalt jämedates [[elektrijuht]]ides. Näiteks sügavus, mille puhul on [[voolutihedus]] vaskjuhtmes vähenenud 63% 60 Hz sagedusega vahelduvvoolu korral, on 8,57 mm. Seetõttu on kõrgesuure voolutugevuse jaoks mõeldud juhid vahel seest õõnsad, et vähendada nende massi ja hinda. Kuivõrd vahelduvvool liigub juhi servades, tähendab see, et juhi [[efektiivne ristlõige]] väheneb ja [[näivtakistus]] suureneb, kuna [[takistus]] on pöördvõrdeline juhi ristlõikepindalaga. AC takistus on sageli märksa suurem, kui DC takistus, põhjustades palju suurema energiakao [[Joule'i-Lenzi seadus|oomilise soojenemise]] tõttu.
 
{{Puhasta}}
 
[[Ruutkeskmine]] pinge on [[ruutjuur]] hetkpingete [[ruut]]ude [[aritmeetiline keskmine|aritmeetilisest keskmisest]] üle ühe tsükli. Seda nimetatakse efektiivpingeks ehk pinge [[efektiivväärtus]]eks.
 
 
Suvalise perioodilise signaali <math>v(t)</math> perioodiga <math>T</math> jaoks:
|url=http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Volta%20and%20the%20History%20of%20Electricity/V%26H%20Sect2/V%26H%20175-182.pdf
|publisher=[[University of Pavia]]
}}</ref> 1884. aastal müüs Ganzi tehas esimesed viis kõrgesuure efektiivsusega vahelduvvoolutrafot.<ref name="Halacsy (1961)">{{cite journal
|last1=Halacsy |first1=A. A.
|last2=Von Fuchs |first2=G. H.
138 264

muudatust