Arus ulang-alik

Arus ulang-alik (AC, juga AU) merupakan satu bentuk arus elektrik yang arah alirannya berulang-alik, tidak seperti arus terus (DC atau AT), yang mana arah alirannya adalah tetap. Bentuk gelombang yang lazim bagi arus AC adalah dalam bentuk gelombang sinus, memandangkan ia menghasilkan satu bentuk penghantaran elektrik yang paling cekap. Walau bagaimanapun di sesetengah aplikasi pula bentuk gelombang yang berbeza digunakan, seperti bentuk gelombang segitiga ataupun gelombang segiempat sama.

Secara umumnya, AC merujuk kepada bentuk tenaga elektrik yang dihantar ke rumah dan premis perniagaan. Walau bagaimanapun, isyarat audio dan radio yang dibawa oleh wayar elektrik juga merupakan contoh arus ulang-alik. Dalam aplikasi tersebut, matlamat utama ialah memperoleh semula maklumat yang dikodkan (atau dimodulasi) ke isyarat AC.

Sejarah

Sistem AC terawal Westinghouse 1887 (U.S. Patent 373,035 )

Transformer kuasa yang dibangunkan oleh Lucien Gaulard dari Perancis dan John Dixon Gibbs dari England telah ditunjukkan di London pada tahun 1881, dan menarik minat Westinghouse. Mereka juga mempamerkan ciptaan mereka di Turin pada tahun 1884, di mana ia diguna pakai untuk sistem pencahayaan elektrik. Kebanyakan daripada ciri-ciri rekaan mereka diguna pakai dalam undang-undang berkaitan sistem pengagihan elektrik di UK [1]

Pada tahun-tahun 1882, 1884 dan 1885, Gaulard dan Gibbs memohon paten bagi transformer ciptaan mereka; namun demikian, permohonan mereka ditolak kerana tindakan yang dilakukan oleh Sebastian Ziani de Ferranti dan lain-lain.

Ferranti memulakan perniagaan pada tahun 1882 semasa beliau mendirikan sebuah kedai di London bagi merekabentuk pelbagai peralatan elektrik. Ferranti bertaruh sejak dari awal lagi mengenai kejayaan sistem pengagihan arus ulang-alik, serta merupakan salah seorang pakar dalam sistem tersebut di UK. Pada tahun 1887 Perbadanan Bekalan Elektrik London (LESCo) mengambil Ferranti bekerja bagi mereka bentuk stesen janakuasa di Deptford. Beliau merekabentuk bangunan, loji jana kuasa serta sistem pengagihan. Semasa ia siap dibina pada tahun 1891, stesen berkenaan merupakan stesen janakuasa moden pertama, membekalkan tenaga elektrik AC bervoltan tinggi yang kemudiannya "diinjak turun" untuk kegunaan pelanggan di setiap jalan. Sistem asas sebegini terus digunakan di seluruh dunia sekarang. Kebanyakan rumah di seluruh dunia masih mempunyai meter elektrik dengan paten Ferranti AC yang dicapkan padanya.

William Stanley, Jr. mereka salah satu peralatan praktikal terawal bagi memindahkan kuasa elektrik AC dengan cekap di antara litar berasingan. Dengan menggunakan sepasang gelung yang dililitkan pada satu teras besi sepunya, rekaannya yang dikenali sebagai gelung aruhan, merupakan transformer terawal. Sistem bekalan AC yang digunakan hari ini dibangunkan dengan pesat selepas tahun 1886, termasuklah konsep awal oleh Nikola Tesla, yang kemudiannya menjual patennya kepada George Westinghouse. Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens dan lain-lain turut menyumbang kepada bidang ini. Sistem AC berjaya mengatasi kelemahan sistem arus terus yang digunakan oleh Thomas Edison bagi mengagihkan bekalan elektrik secara cekap melalui jarak yang jauh walaupun Edison sering mendakwa kononnya arus ulang-alik sangat berbahaya semasa Perang Arus Elektrik.

Loji janakuasa elektrik komersial di Amerika Syarikat yang menggunakan sistem arus ulang-alik tiga fasa ialah stesen hidroelektrik Mill Creek berhampiran Redlands, California pada tahun 1893 yang direka oleh Almirian Decker. Rekaan Decker menampilkan penghantaran bekalan tiga fasa 10,000 volt serta membentuk piawaian bagi sistem penjanaan, penghantaran dan penggunaan yang lengkap seperti yang digunakan pada hari ini.

Teori litar arus ulang-alik berevolusi dengan pantas pada penghujung abad ke-19 dan awal abad ke-20. Penyumbang ternama pada asas teori bagi pengiraan arus ulang-alik termasuklah Charles Steinmetz, James Clerk Maxwell, Oliver Heaviside, serta ramai lagi. Pengiraan bagi sistem tiga fasa yang tidak seimbang dipermudahkan melalui kaedah komponen simetri yang dibincangkan oleh Charles Legeyt Fortescue pada tahun 1918.

Penghantaran dan pengagihan

Talian penghantaran elektrik bervoltan tinggi mengangkut bekalan elektrik dari stesen janakuasa merentasi jarak yang jauh dengan menggunakan arus ulang-alik. Talian penghantaran elektrik ini terletak berhampiran Taiping, Malaysia.

Voltan AC boleh dinaikkan atau diturunkan dengan menggunakan transformer. Penggunaan voltan tinggi membawa kepada penghantaran tenaga yang lebih cekap berikutan kurangnya kehilangan kuasa pada pengalir akibat haba yang boleh dikira melalui formula $P=I^{2}\cdot R\,\!$ , di mana P mewakili kuasa yang hilang, I mewakili arus yang dibawa dan R mewakili rintangan pengalir. Melalui formula ini, penghantaran bekalan elektrik menggunakan voltan tinggi dan arus rendah adalah lebih cekap daripada penghantaran voltan rendah arus tinggi.

Walau bagaimanapun, kelemahan utama penggunaan voltan tinggi ialah ia memerlukan lebih penebat serta lebih sukar untuk dikendalikan dengan selamat. Dengan yang demikian, bekalan elektrik voltan tinggi yang dihasilkan oleh stesen penjana elektrik akan dinaikkan oleh transformer injak naik bagi tujuan penghantaran, dan seterusnya diturunkan secara beransur-ansur apabila menghanpiri premis kediaman dan komersial. Voltan pengguna mungkin berbeza mengikut negara serta saiz beban, tetapi biasanya dalam lingkungan 100-240 V. (sila rujuk rencana Sistem bekalan elektrik sesalur dunia)

Bagi tujuan penghantaran pukal secara besar-besaran merentasi jarak jauh pula, sistem penghantaran arus terus voltan tinggi (HVDC) digunakan. HVDC tidak tigunakan pada sistem grid kebangsaan kerana kurang ekonomik, memandangkan kos penukaran dari AC ke DC dan seterusnya ke AC adalah mahal.

Sistem bekalan elektrik tiga fasa adalah sangat lazim. Melalui sistem ini, terdapat tiga gelung stator berasingan pada penjana elektrik yang dipisahkan oleh sudut 120° antara satu sama lain. Jika kuantiti beban pada setiap fasa adalah seimbang, tiada arus yang mengalir pada wayar neutral; jika tidak seimbang, wayar neutral berfungsi untuk mengalirkan arus elektrik bagi menyeimbangkan beban antara setiap fasa.

Bekalan tiga fasa pada pengguna lazimnya menggunakan sistem 4 wayar. Bagi kebanyakan pengguna biasa, hanya satu fasa sahaja digunakan, lazimnya melalui sistem fasa tunggal dua wayar (wayar hidup (fasa) dan wayar neutral).

Frekuensi bekalan AC

Frekuensi bagi sistem bekalan elektrik adalah berbeza mengikut negara; kebanyakan sistem bekalan elektrik dijana pada frekuensi sama ada 50 atau 60 Hz. Sila rujuk rencana Sistem bekalan elektrik sesalur dunia. Sesetengah negara mempunyai campuran sistem bekalan 50 Hz dan 60 Hz, terutamanya Jepun.

Frekuensi rendah memudahkan rekaan motor elektrik berkelajuan rendah seperti pada sistem kereta api elektrik, tetapi ia turut menghasilkan kelipan yang ketara pada mentol lampu dan lampu pendarflour. Bekalan elektrik 16⅔ Hz masih digunakan di sesetengah sistem kereta api elektrik di Eropah, seperti di Austria, Jerman, Norway, Sweden dan Switzerland. Penggunaan frekuensi rendah juga memberi kelebihan seperti kehilangan galangan yang rendah, yang berkadaran dengan frekuensi. Stesen janakuasa hidroelektrik Air terjun Niagara asalnya dibina bagi menghasilkan frekuensi 25 Hz sebagai kompromi antara frekuensi rendah bagi motor tarikan serta motor aruhan berat, sementara masih membenarkan lampu pijar untuk berolerasi (walaupun masih ada kelipan yang ketara); kebanyakan pengguna domestik dan komersial bagi sistem 25 Hz telah beralih ke sistem 60 Hz menjelang lewat 1950an, walaupun beberapa pelanggan industri 25 Hz masih wujud pada awal abad ke-21.

Matematik voltan AC

Arus ulang-alik adalah disusuli (atau berpunca) daripada voltan ulang-alik. Voltan AC v boleh ditakrifkan secara matematik sebagai fungsi mengikut masa melalui persamaan berikut:

v(t)=V_{\mathrm {puncak} }\cdot \sin(\omega t)

,

di mana

$\displaystyle V_{\rm {puncak}}$ ialah voltan puncak (unit: volt),
$\displaystyle \omega$ $\displaystyle \omega$ ialah frekuensi sudut (unit: radian sesaat)
- Frekuensi sudut adalah berkaitan dengan frekuensi fizikal, $\displaystyle f$ , yang mewakili bilangan kitaran sesaat (unit = hertz), melalui persamaan $\omega =2\,\pi \,f$ .
$\displaystyle t$ adalah masa (unit: saat).

Nilai voltan AC puncak ke puncak ditakrifkan sebagai perbezaan antara puncak positif dan puncak negatif. Memandangkan nilai maksimum bagi $\displaystyle \sin(x)$ ialah +1 dan nilai minimum ialah −1, voltan AC berayun antara $\displaystyle +V_{\rm {puncak}}$ dan $\displaystyle -V_{\rm {puncak}}$ . Nilai puncak ke puncak, biasanya ditulis sebagai $\displaystyle V_{\rm {pp}}$ atau $\displaystyle V_{\rm {P-P}}$ , adalah $V_{\rm {puncak}}-\left(-V_{\rm {puncak}}\right)=2\times V_{\rm {puncak}}$ .

Kuasa dan punca min kuasa dua

Hubungan antara voltan dan kuasa ialah

\displaystyle P(t)={\frac {V^{2}(t)}{R}}

di mana

\displaystyle R

mewakili rintangan beban.

Dengan tidak menggunakan kuasa ketara $\displaystyle P\left(t\right)$ , adalah lebih praktikal jika menggunakan kuasa purata mengikut masa (di mana nilai purata dihasilkan pada mana-mana bilangan integer kitaran). Oleh itu, voltan AC sering dinyatakan sebagai satu nilai punca min kuasa dua (RMS), ditulis sebagai $\displaystyle V_{\rm {rms}}$ atau $\displaystyle V_{\rm {pmkd}}$ , kerana

\displaystyle P_{\rm {masa~purata}}={\frac {{V^{2}}_{\rm {rms}}}{R}}

Bagi voltan sinusodial:

V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {puncak} }}{\sqrt {2}}}

Faktor ${\sqrt {2}}$ dikenali sebagai faktor puncak ke purata, yang berbeza mengikut bentuk gelombang.

Bagi gelombang segitiga dengan nilai tengah adalah sifar: $V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {puncak} }}{\sqrt {3}}}$
Bagi gelombang segiempat dengan nilai tengah adalah sifar: $\displaystyle V_{\mathrm {rms} }=V_{\mathrm {puncak} }$

Contoh

Untuk menggambarkan konsep tersebut, katakan bekalan elektrik sesalur 230 V AC digunakan di kebanyakan negara di dunia. Ia dipanggil sedemikian kerana nilai punca min kuasa duanya ialah 230 V. Ini bermakna kuasa purata mengikut masa yang dihantar adalah bersamaan dengan kuasa yang dihantar oleh bekalan elektrik DC 230 volt. Untuk menentukan voltan puncak (amplitud), kita boleh mengubahsuai persamaan menjadi:

V_{\mathrm {puncak} }={\sqrt {2}}\ V_{\mathrm {rms} }

Untuk voltan 230 V AC, nilai voltan puncak V_puncak ialah $\displaystyle 230V\times {\sqrt {2}}$ , iaitu lebih kurang 325 V. Nilai puncak ke puncak $\displaystyle V_{P-P}$ bagi 230 V AC adalah dua kali ganda, iaitu lebih kurang 650 V.

Sila ambil perhatian bahawa sesetengah negara menggunakan frekuensi 50 hertz, manakala sesetengah yang lainnya menggunakan frekuensi 60 hertz. Pengiraan bagi menukar dari voltan RMS ke voltan puncak adalah bebas daripada nilai frekuensi.

Bacaan lanjut

Willam A. Meyers, History and Reflections on the Way Things Were: Mill Creek Power Plant - Making History with AC, IEEE Power Engineering Review, February 1997, Pages 22-24

Lihat juga

Pautan luar

"Alternating Current: Alternating Current Diarkibkan 2010-06-10 di Wayback Machine". Interactive Java tutorial explaining alternating current. (National High Magnetic Field Laboratory)
"AC/DC: What's the Difference?". Edison's Miracle of Light, American Experience. (PBS)
"AC/DC: Inside the AC Generator". Edison's Miracle of Light, American Experience. (PBS)
Kuphaldt, Tony R., "Lessons In Electric Circuits : Volume II - AC". March 8, 2003. (Design Science License)
Nave, C. R., "Alternating Current Circuits Concepts". HyperPhysics.
"Alternating Current (AC)". Magnetic Particle Inspection, Nondestructive Testing Encyclopedia.
"Alternating current Diarkibkan 2005-10-28 di Wayback Machine". Analog Process Control Services.
Hiob, Eric, "An Application of Trigonometry and Vectors to Alternating Current". British Columbia Institute of Technology, 2004.
"Introduction to alternating current and transformers". Integrated Publishing.
"Wind Energy Reference Manual Part 4: Electricity Diarkibkan 2009-08-30 di Wayback Machine". Danish Wind Industry Association, 2003.
Chan. Keelin, "Alternating current Tools Diarkibkan 2013-10-29 di Wayback Machine". JC Physics, 2002.
"Measurement -> ac Diarkibkan 2005-04-15 di Wayback Machine". Analog Process Control Services.
Williams, Trip "Kingpin", "Understanding Alternating Current, Some more power concepts".
"Table of Voltage, Frequency, TV Broadcasting system, Radio Broadcasting, by Country".
Professor Mark Csele's tour of the 25 Hz Rankine generating station
50/60 hertz information Diarkibkan 2008-09-08 di Wayback Machine
AC circuits Animations and explanations of vector (phasor) representation of RLC circuits
Blalock, Thomas J., "The Frequency Changer Era: Interconnecting Systems of Varying Cycles". The history of various frequencies and interconversion schemes in the US at the beginning of the 20th century
(Itali) Generating an a.c voltage.Interactive.