Εναλλασσόμενο ρεύμα στο σκάφος. Μέρος Α.
Μια σε βάθος ανάλυση του εναλλασσόμενου ρεύματος.
Μέρος Α.
Στην καθημερινή μας ζωή, περιστοιχιζόμαστε από χιλιάδες είδη οικιακών συσκευών για τάση 220 Volt AC και είναι επόμενο να θέλουμε να χρησιμοποιούμε κάποιες απ’ αυτές και στο σκάφος. Τις συσκευές των 220 Volt τις βρίσκουμε σε τεράστια ποικιλία και χαμηλές τιμές, ενώ για τις συσκευές των 12 ή 24 Volt DC, έχουμε πολύ περιορισμένη επιλογή και σχετικά ψηλές τιμές.
Είναι εύκολο να αντιληφθεί κανείς για ποιο λόγο καταγινόμαστε με το να εξηγήσουμε μερικά πράγματα για την τάση των 220 Volt και τις παροχές της, αφού πρώτα «ξεσκουριάσουμε» κάποιες ξεχασμένες έννοιες, που ίσως τις είχαμε ξανακούσει στο σχολείο, ή κάπου αλλού.
Πριν φθάσουμε στα είδη των παροχών εναλλασσομένου, είναι σκόπιμο να ασχοληθούμε λίγο με την εικόνα του ρεύματος από τη φυσική του πλευρά. Έτσι θα αποκτήσουμε κατά κάποιο τρόπο μια κοινή γλώσσα επικοινωνίας, όταν αναφερόμαστε σε έννοιες εναλλασσομένου και θα μπορούμε άνετα να αντιληφθούμε τα όσα συμβαίνουν. Πρέπει να πούμε ότι το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι ένα σύνθετο και όχι τόσο εύκολο κεφάλαιο της ηλεκτρολογίας. 0α προσπαθήσουμε όμως να εξηγήσουμε τις έννοιες όσο πιο απλά γίνεται, χωρίς να ξεφεύγουμε από την «πραγματικότητα». Επίσης θα αποφύγουμε τις μαθηματικές εκφράσεις, που μ’ αυτές δυστυχώς πλημμυρίζεται η ηλεκτρολογία και θα περιοριστούμε μόνο σε ελάχιστες πολύ απαραίτητες για τη σωστή και ολοκληρωμένη περιγραφή. Χρειάζεται βέβαια λίγη ανεκτικότητα από το μέσο αναγνώστη, εφόσον θέλει να κατανοήσει τέτοιες έννοιες. Δεν θα γίνουν ηλεκτρολόγοι όσοι μελετήσουν αυτό το θέμα, αλλά όσο πιο πολλά αντιληφθούν τόσο περισσότερο θα καταλαβαίνουν τον ειδικευμένο ηλεκτρολόγο και το πόσο αυτός είναι χρήσιμος σε κάθε βήμα τους για μια τέτοια εγκατάσταση.
Τάση και ένταση
Επειδή θα ασχοληθούμε με τις έννοιες τάση (βολτ) και ένταση ή ρεύμα (αμπέρ), ας δώσουμε πριν απ’ όλα μια απλουστευμένη εικόνα αυτών των δύο ηλεκτρικών μεγεθών. Θα ξεκαθαρίσουμε, λοιπόν, από την αρχή, ότι η τάση είναι μέγεθος τελείως διαφορετικό απ’ το ρεύμα και δεν θα πρέπει να «μπερδεύουμε» αυτά τα δύο μεγέθη. Απλά και τα δύο συνυπάρχουν στην ηλεκτροδότηση, με διαφορετικές βέβαια ιδιότητες το καθένα. Για την τάση που την μετράμε σε Volt, θα φαντασθούμε ότι αυτή δρα σαν «πίεση» που αναγκάζει τα ηλεκτρικά φορτία να κινηθούν μέσα σε ένα ηλεκτρικό αγωγό (π.χ. σύρμα χαλκού). Τα ηλεκτρικά φορτία από την πλευρά τους, κινούνται προς την κατεύθυνση που τα πιέζει η τάση, δημιουργώντας έτσι ένα «ρεύμα φορτίων» που αν τα εξετάσουμε ως προς τη μονάδα χρόνου, μας δίνουν την «ένταση» του ρεύματος που τη μετράμε σε Ampere.
Λαμβανομένου υπόψη ότι η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος προκύπτει σαν γινόμενο (πολλαπλασιασμός) τάση επί ρεύμα, έπεται ότι αν ένα απ’ αυτά είναι μηδέν, τότε δεν έχουμε έργο. Θα επιχειρήσουμε τώρα, να μπούμε λίγο βαθύτερα σ’ αυτές τις έννοιες, δίνοντας μια εικόνα του μηχανισμού που δημιουργεί τα φαινόμενα αυτά μέσα στον «ηλεκτρικό αγωγό».
Φύση του ρεύματος
Το ηλεκτρόνιο, όπως γνωρίζουμε, είναι μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Όταν το ηλεκτρόνιο “πιεσθεί” από την τάση και αναγκαστεί να μεταπηδήσει στο γειτονικό του άτομο, τότε διώχνει το προϋπάρχον για να διασφαλιστεί η εσωτερική ηλεκτρική ισορροπία στο άτομο. Το «εκδιωχθέν» ηλεκτρόνιο, μεταπηδώντας στο γειτονικό άτομο, διώχνει κι αυτό με τη σειρά του ένα από τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν εκεί και έτσι συνεχίζοντας, μεταφέρεται το ηλεκτρικό φορτίο από τη μία άκρη του αγωγού στην άλλη. Από τα άτομα αυτά καθαυτά δεν λείπει ούτε ένα ηλεκτρόνιο, δηλαδή τα άτομα διατηρούν πάντα την ηλεκτρική τους ισορροπία. Η τάση, όπως είπαμε, είναι η δύναμη που «πιέζει» και προκαλεί τη μεταπήδηση των ηλεκτρονίων από το ένα άτομο στο αμέσως γειτονικό του, μέσα στον αγωγό. Τα ίδια τα ηλεκτρόνια «ταξιδεύουν» μέσα στον αγωγό πολύ αργά, η μετάθεση του φορτίου όμως (ηλεκτρικό ρεύμα), γίνεται με ταχύτητα «φωτός». Για να το καταλάβουμε αυτό, θα μεταφερθούμε νοερά, σ’ ένα μπιλιάρδο και θα σκεφθούμε τι συμβαίνει με τη μετακίνηση των σφαιριδίων. Αν π.χ. υπάρχουν πολλά σφαιρίδια σε μια ευθεία στη σειρά, μόλις κτυπήσουμε το πρώτο, τότε το χτύπημα μεταδίδεται στο τελευταίο που εκτοξεύεται, ενώ τα ενδιάμεσα σφαιρίδια ελάχιστα έχουν μετακινηθεί. Με το παράδειγμα αυτό μπορούμε να καταλάβουμε το ανάλογο που συμβαίνει και στον «ηλεκτρισμό». Το κτύπημα αντιστοιχεί στην τάση. Τα ενδιάμεσα σφαιρίδια αντιστοιχούν στα ηλεκτρόνια. Το τελευταίο σφαιρίδιο που εκτοξεύθηκε είναι το αντίστοιχο ηλεκτρικό φορτίο που μετακινήθηκε και θα προσφέρει έργο. Αν έχουμε πολλές σειρές σφαιριδίων παράλληλες και τα κτυπήσουμε όλα μαζί, τότε θα εκτοξευθούν πολλά σφαιρίδια μαζί. Η δύναμη των κτυπημάτων αντιπροσωπεύει το μέγεθος της τάσης. Τα κτυπημένα σφαιρίδια αντιπροσωπεύουν τα ηλεκτρόνια, ενώ ο αριθμός των εκτοξευθέντων σφαιριδίων αντιπροσωπεύει τα ηλεκτρικά φορτία, από τα οποία προκύπτει το ηλεκτρικό ρεύμα και η παραγόμενη ενέργεια.
Αντίσταση
Ο αγωγός από την πλευρά του, δεν είναι πάντα εύκολος δρόμος για τη μεταφορά των ηλεκτρικών φορτίων. «Αντιδρά» στη μετακίνηση των φορτίων δυσκολεύοντας τη μεταφορά τους, δηλαδή προβάλλει αντίσταση που δημιουργεί «τριβές». Με τις τριβές, καταναλώνεται μέρος της ενέργειας (ρεύματος) κατά μήκος του αγωγού που μετατρέπεται σε θερμότητα. Η τριβή που εκδηλώνεται σαν απώλεια ενέργειας, μειώνει την τάση και προκύπτει έτσι η λεγόμενη «πτώση τάσης». Όση ενέργεια δεν έχει καταναλωθεί από τον αγωγό, περισσεύει για παραγωγή ωφέλιμου έργου. Το μέγεθος της «αντίστασης» του αγωγού που μόλις περιγράψαμε, εξαρτάται από τις φυσικές του ιδιότητες, από τα γεωμετρικά του μεγέθη και από τη θερμοκρασία του, εφόσον μιλάμε για συνεχές ρεύμα. Αν όμως έχουμε να κάνουμε με εναλλασσόμενο, τότε όπως θα δούμε πιο κάτω έχουμε κι άλλων ειδών αντιστάσεις. Οι απώλειες εκεί, δεν περιορίζονται μόνο στις θερμικές αλλά και
σε απώλειες άλλης μορφής. Αυτό συμβαίνει, επειδή στο εναλλασσόμενο δεν συναντάμε μόνο «ωμικές» ή «θερμικές» αντιστάσεις αλλά και «επαγωγικές» και ίσως και «χωρητικές», με τις οποίες θα ασχοληθούμε λίγο πιο κάτω.
Νόμος του Ohm
Το μέγεθος του ρεύματος που θα μετακινηθεί μέσα στον αγωγό, εξαρτάται από τη «συνολική αντίσταση» του αγωγού και από την ηλεκτρική τάση (πίεση), η οποία προκαλεί το ρεύμα. Όλα αυτά, δεν είναι τίποτε άλλο παρά
ο νόμος του Ohm. Ο νόμος δηλαδή που συνδέει την τάση με την ένταση και την αντίσταση του αγωγού και εκφράζεται με την ακόλουθη μαθηματική σχέση:
Πτώση τάσης στα άκρα αντίστασης [Volt] =
= Αντίσταση [Ohm] x Ένταση [Ampere]
Εναλλασσόμενη τάση και ένταση
Ας πάμε τώρα στην τάση του σπιτιού μας (δικτύου), που είναι εναλλασσόμενη. Παρατηρώντας την καμπύλη μεταβολής της τάσης και της έντασης με τη βοήθεια ενός παλμογράφου, θα διαπιστώσουμε ότι τα μεγέθη αυτά μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια του χρόνου «περιοδικά». Οι καμπύλες μεταβολών, δηλαδή οι «κυματομορφές» των δύο αυτών μεγεθών, προβάλλονται στην οθόνη του παλμογράφου σαν τέλειες «ημιτονοειδείς» καμπύλες όπως τις γνωρίζαμε από την τριγωνομετρία στο σχολείο. Η κάθε μία ημιτονοειδής καμπύλη ολοκληρώνεται σε χρόνο 1/50 δευτερόλεπτα (sec) (μία περίοδος), δηλαδή η πλήρης εναλλαγή της τάσης ή της έντασης πραγματοποιείται με ταχύτητα 50 φορές στο δευτερόλεπτο, δηλαδή 50Ηz (εικόνα 1). Η τάση και το ρεύμα στο εναλλασσόμενο, αλλάζουν κατεύθυνση και μέγεθος μέσα στον αγωγό με τον τρόπο και την ταχύτητα που μόλις περιγράψαμε.
Αντίσταση στο εναλλασσόμενο
Όπως ήδη προαναφέραμε, η αντίσταση στο εναλλασσόμενο είναι μικτή. Εκτός από την «ωμική» αντίσταση R, εμφανίζεται συνήθως και μία «επαγωγική» RL ή (και) μία «χωρητική» RC. Όλες αυτές συνολικά ή μέρος, υπάγονται στη «φαινόμενη αντίσταση» Ζ (εικόνα 2). Η επαγωγική ή (και) η χωρητική αντίσταση, έχουν και μία άλλη βασική ιδιότητα: Διαχωρίζουν το ρεύμα σε δύο σκέλη:
1) στο «ενεργό» (ωφέλιμο)
2) στο «άεργο».
Επαγωγικό άεργο ρεύμα και επαγωγική άεργος ισχύς
Θα προσπαθήσουμε κι εδώ να προσεγγίσουμε τον πραγματικό μηχανισμό του φαινομένου, με όσο γίνεται πιο απλή περιγραφή:
– Όταν με το εναλλασσόμενο τροφοδοτούμε «ωμικά» φορτία, όπως
είναι οι θερμαντικές αντιστάσεις ή οι λάμπες φωτισμού κ.λπ., τότε
η συμπεριφορά του εναλλασσόμενου είναι όπως αυτή του
συνεχούς. Δεν υπάρχει δηλαδή χρονικός διαχωρισμός μεταξύ τάσης
και ρεύματος (εικόνα 1). Όλο το ρεύμα της γεννήτριας είναι
«ενεργό» και παράγει ωφέλιμο έργο (θερμικό ή χημικό ή άλλο).
– Αν όμως με το ρεύμα της γεννήτριας τροφοδοτήσουμε το
ηλεκτρομαγνητικό πηνίο ενός κινητήρα, τότε συμβαίνουν τα εξής
αξιοσημείωτα:
1. Η τάση «ωθεί» ρεύμα στο πηνίο, με το οποίο μαγνητίζει τον
πυρήνα. Στη συνέχεια υποχωρεί και σβήνει (για να επανέλθει με
το ρυθμό που ήδη περιγράψαμε).
2. Ενώ ο πυρήνας έχει πλέον μαγνητιστεί στο μέγιστο και η τάση
έχει αρχίσει να αποσύρεται, τότε αρχίζει ο απομαγνητισμός του
πυρήνα.
3. Κατά τον απομαγνητισμό του πυρήνα, επάγεται στο πηνίο ένα
ρεύμα (γνωστός νόμος στον ηλεκτρισμό), το οποίο δεν σχετίζεται
με το ρεύμα τροφοδοσίας. Είναι ρεύμα που προήλθε από την
ενέργεια του μαγνήτη του πυρήνα. Το ρεύμα αυτό διοχετεύεται
(επιστρέφει) με «καθυστέρηση» προς τη γεννήτρια, με χρονική
διαφορά που τη μετράμε με τη γωνία (φ). Η γωνία φ γενικά,
χρησιμοποιείται σαν το μέτρο «χρόνου» σε μια «εξελισσόμενη»
ημιτονοειδή καμπύλη.
Επιστρέφοντας στη γεννήτρια το «καθυστερημένο» αυτό ρεύμα, μαγνητίζει τα πηνία της γεννήτριας.
– Είναι προφανές ότι το ρεύμα αυτό, κινείται «παλινδρομώντας»
μεταξύ κινητήρα και γεννήτριας, «ασχολούμενο» με το να μαγνητίζει
εναλλάξ τους ηλεκτρομαγνήτες των δύο αυτών μηχανών, χωρίς να
παράγει κάποιο ωφέλιμο έργο προς τα έξω. Δικαίως, λοιπόν, το ρεύμα αυτό ονομάστηκε «άεργο» και μάλιστα «επαγωγικό» και η ισχύς που αυτό παράγει, «άεργος επαγωγική ισχύς» (εικόνα 3).
Αυτά για ό,τι αφορά στο επαγωγικό «άεργο» ρεύμα και την απ’ αυτό προερχόμενη άεργη ισχύ.
Άεργο χωρητικό ρεύμα και άεργη χωρητική ισχύς
Για να ολοκληρώσουμε την εικόνα του «άεργου» ρεύματος πρέπει να εξηγήσουμε ότι κι αυτό το ρεύμα διακλαδίζεται σε δύο κατευθύνσεις, δηλαδή (εκτός από το «επαγωγικό άεργο ρεύμα») υπάρχει και ένα δεύτερο σκέλος ανεξάρτητο, που είναι το «χωρητικό άεργο ρεύμα». Αυτό δημιουργείται ως εξής:
Α) Όπως συμβαίνει με το «μαγνητισμό» και «απομαγνητισμό» του ηλεκτρομαγνήτη, κάτι ανάλογο συμβαίνει και με τη «φόρτιση» και «εκφόρτιση» ενός πυκνωτή. Ίσως να διερωτηθεί κανείς, πού είναι ο πυκνωτής στη γεννήτρια και στον κινητήρα;
Η απάντηση είναι απλή: Κάθε μονωμένο καλώδιο που γειτονεύει με κάποιο άλλο παράλληλο, δημιουργεί «χωρητικότητα». Επομένως η περιέλιξη των πηνίων με τους μονωμένους αγωγούς δίπλα-δίπλα, καθώς και τα ζεύγη καλωδίων τροφοδοσίας, αποτελούν μικρές ή μεγάλες χωρητικότητες, δηλαδή πυκνωτές.
Β) Όταν ο «πυκνωτής» του κινητήρα έχει φορτιστεί με την τάση του δικτύου και η τάση αρχίζει να «αποσύρεται», τότε και ο πυκνωτής εκφορτίζεται, στέλνοντας το φορτίο (ρεύμα) του προς το δίκτυο και στη συνέχεια στη γεννήτρια, όπου θα φορτιστούν οι χωρητικότητες της γεννήτριας. Το άεργο «χωρητικό» ρεύμα δεν «έπεται» της τάσης αλλά «προηγείται» κατά φ. Δηλαδή ό,τι ακριβώς είχε γίνει και με το εξ επαγωγής ρεύμα, το ανάλογο θα συμβεί και με το ρεύμα της χωρητικότητας.
Όπως το επαγωγικό, έτσι και το χωρητικό «άεργο» ρεύμα και η απ’ αυτό προερχόμενη «άεργη» χωρητική ισχύς (εικόνα 4), παλινδρομούν μεταξύ του κινητήρα και της γεννήτριας με μία (χρονική) διαφορά φάσης φ αντίθετη με αυτή του επαγωγικού (εικόνες 1, 3 και 4).
