چرا AC به جای برق DC به ساختمان ها منتقل می شود؟

جریان متناوب (AC) برای توزیع برق ساختمان‌ها استفاده می‌شود زیرا با استفاده از ترانسفورماتورها می‌توان ولتاژ آن را به طور موثر بالا یا پایین برد. این امر اجازه می‌دهد تا برق در ولتاژ بسیار بالا در فواصل طولانی منتقل شود - که اتلاف انرژی مقاومتی را به حداقل می‌رساند - سپس قبل از رسیدن به پریزهای دیواری به طور ایمن به ۱۲۰ ولت، ۲۳۰ ولت یا سایر ولتاژهای سطح ساختمان کاهش یابد. جریان مستقیم (DC) نمی‌تواند از ترانسفورماتورها استفاده کند، که انتقال DC در فواصل طولانی را از نظر تاریخی غیرعملی می‌کند.

مهمترین دلیل پیروزی AC بر DC در اواخر قرن نوزدهم این است که ترانسفورماتورها فقط با جریان متناوب کار می‌کنند.

ترانسفورماتور بر اساس القای الکترومغناطیسی (قانون فارادی) کار می‌کند: یک میدان مغناطیسی متغیر در سیم‌پیچ اولیه، ولتاژی را در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند. از آنجایی که DC در یک جهت ثابت جریان دارد، یک میدان مغناطیسی ایستا تولید می‌کند - القایی رخ نمی‌دهد، بنابراین یک ترانسفورماتور ساده نمی‌تواند ولتاژ DC را تغییر دهد.

با AC، ولتاژ می‌تواند:

• در نیروگاه برای انتقال در فواصل طولانی به صدها کیلوولت (مانند ۲۳۰ کیلوولت، ۵۰۰ کیلوولت، ۷۶۵ کیلوولت) افزایش یابد.
• در پست‌های محلی به سطوح توزیع (مانند ۱۱ کیلوولت، ۳۳ کیلوولت) کاهش یابد.
• در نزدیکی یا داخل ساختمان دوباره به ۱۲۰ ولت، ۲۴۰ ولت یا ۲۳۰ ولت برای استفاده نهایی کاهش یابد.

این تبدیل ولتاژ چند مرحله‌ای ستون فقرات شبکه مدرن است - و تنها به این دلیل امکان‌پذیر است که AC ۵۰ یا ۶۰ بار در ثانیه جهت خود را معکوس می‌کند.

برق از دست رفته به صورت گرما در طول انتقال از فرمول زیر پیروی می‌کند:

P_loss = I² × R

که در آن I جریان و R مقاومت خط است. در همین حال، کل توان تحویلی عبارت است از:

P = V × I

برای مقدار ثابتی از توان، افزایش ولتاژ (V) جریان (I) را کاهش می‌دهد. از آنجایی که اتلاف‌ها با مربع جریان مقیاس می‌شوند، حتی کاهش جزئی در جریان منجر به کاهش چشمگیر انرژی هدر رفته می‌شود.

مثال عینی: تحویل ۱۰۰ مگاوات در ۱۲ کیلوولت نیازمند حدود ۸۳۳۳ آمپر جریان است. در ۲۳۰ کیلوولت، همان ۱۰۰ مگاوات تنها حدود ۴۳۵ آمپر - تقریباً ۱/۱۹ جریان - نیاز دارد. از آنجایی که اتلاف‌ها با I² مقیاس می‌شوند، این امر اتلاف گرما در خط را تقریباً ۳۶۰ برابر کاهش می‌دهد.

به همین دلیل است که نیروگاه‌ها برق را با ولتاژهای شدید از طریق خطوط انتقال ولتاژ بالا ارسال می‌کنند، سپس با نزدیک شدن به کاربران نهایی آن را به تدریج کاهش می‌دهند. یک سیستم DC بدون ترانسفورماتور مجبور بود در همان ولتاژ پایین و سطح ساختمان که مشتری استفاده می‌کند، منتقل کند - که منجر به اتلاف انرژی فاجعه‌بار حتی در فواصل کوتاه می‌شود.

AC همچنین در منبع و در سراسر شبکه مزایایی دارد:

• ژنراتورهای AC از نظر مکانیکی ساده‌تر هستند. یک سیم‌پیچ چرخان در یک میدان مغناطیسی به طور طبیعی جریان متناوب تولید می‌کند. تولید DC نیازمند یک کموتاتور است - یک سوئیچ مکانیکی چرخان که خروجی را یکسو می‌کند - که باعث سایش، نگهداری و نقاط خرابی می‌شود.
• همگام‌سازی شبکه ساده است. سیستم‌های AC به طور طبیعی با همان فرکانس (۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز) همگام می‌شوند و به چندین نیروگاه اجازه می‌دهند به یک شبکه متصل شوند و بار را به اشتراک بگذارند.
• زیرساخت جهانی استاندارد شده. بیش از یک قرن تسلط AC منجر به یک اکوسیستم جهانی از ترانسفورماتورها، کلیدزنی، دستگاه‌های حفاظتی، موتورها و لوازم خانگی شده است - همه مهندسی شده در اطراف AC.

هنگامی که برق به ساختمان می‌رسد، ترانسفورماتورهای AC آن را برای تحویل در ولتاژهای پایین و استاندارد ایمن می‌کنند:

• ۱۲۰ ولت (آمریکای شمالی) و ۲۳۰ ولت (اروپا، آسیا، استرالیا) به اندازه کافی پایین هستند تا شدت شوک الکتریکی را کاهش دهند و در عین حال اکثر بارهای خانگی را تامین کنند.
• مدارهای شکن و فیوزها AC را نسبت به DC در همان ولتاژ قابل اطمینان‌تر قطع می‌کنند، زیرا AC به طور طبیعی ۱۰۰ تا ۱۲۰ بار در ثانیه از صفر ولت عبور می‌کند و به خاموش کردن قوس‌ها در شرایط خطا کمک می‌کند.
• دوشاخه و پریزهای استاندارد (NEMA، Schuko، Type A/B و غیره) یک رابط ایمنی جهانی ایجاد می‌کنند.

در مقابل، DC به طور مداوم قوس می‌زند و قطع آن دشوارتر است - دلیلی که مدارهای شکن با درجه DC از نظر فیزیکی بزرگتر و گران‌تر هستند.

داستان کاملاً یک طرفه نیست. امروزه، جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) برای کاربردهای خاص استفاده می‌شود:

• انتقال در فواصل بسیار طولانی (صدها تا هزاران کیلومتر)، که در آن خطوط DC اتلاف خازنی/سلفی کمتری نسبت به AC دارند.
• کابل‌های زیردریایی، که در آن خازن AC از طریق آب دریا غیرقابل تحمل می‌شود.
• اتصال شبکه‌های ناهمزمان که در فرکانس‌ها یا فازهای مختلف کار می‌کنند.

HVDC مشکل تبدیل ولتاژ را نه با ترانسفورماتورها بلکه با الکترونیک قدرت حل می‌کند - یکسوکننده‌ها (AC به DC) در انتهای فرستنده و اینورترها (DC به AC) در انتهای گیرنده. اینها تنها در دهه‌های اخیر مقرون به صرفه شده‌اند.

در همین حال، در داخل ساختمان‌ها، بسیاری از دستگاه‌ها در حال حاضر با DC کار می‌کنند: تلفن‌ها، لپ‌تاپ‌ها، روشنایی LED، شارژرهای خودروهای برقی، پنل‌های خورشیدی و سرورهای مراکز داده. آنها از یکسوکننده‌های داخلی یا منابع تغذیه برای تبدیل AC به DC استفاده می‌کنند - تبدیلی که مقداری انرژی را هدر می‌دهد و هزینه را افزایش می‌دهد. به همین دلیل است که برخی از ساختمان‌ها و مراکز داده جدید در حال آزمایش توزیع DC در محل هستند، اما شبکه انتقال خود عمدتاً AC باقی می‌ماند.

نتیجه‌گیری

AC به استاندارد انتقال برق به ساختمان‌ها تبدیل شد زیرا دو مشکلی را که الکتریسیته اولیه را تعریف می‌کردند حل کرد: تحویل کارآمد در فواصل طولانی (از طریق ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا و انتقال جریان کم) و توزیع ایمن و عملی برای استفاده نهایی (ولتاژهای کاهش یافته، قطع قابل اعتماد و تجهیزات استاندارد شده). در حالی که HVDC و DC در محل در کاربردهای خاص در حال پیشرفت هستند، AC همچنان اقتصادی‌ترین و جهانی‌ترین راه سازگار برای تحویل برق از نیروگاه به پریز دیواری باقی می‌ماند.