thumb|Наизменична струја (зелена крива). На хоризонталната оска е прикажано времето, на вертикалната, струјата или напонот.

Наизменична струја - физичка појава при која текот на електричниот полнеж периодично ја менува насоката на течење. Англиските скратеници AC (alternating current) и DC (direct current) често се користат за означување на наизменична и еднонасочна струја и напон.

Електричната енергија им се испорачува на крајните потрошувачи (деловни и приватни) во облик на наизменична струја. Вообичаениот бранов облик на наизменичната електрична енергија е синусоиден бранов облик. Во одредени примени, се користат и други облици како триаголниот и квадратниот бранов облик.

Често аудио и радиосигнали се пренесуваат преку електрични водови и тие се пример на наизменична струја. Во овие примени, целта е да се добие назад информацијата кодирана (или модулирана) во наизменичниот сигнал.

Пренос и дистрибуција на електрична енергија

Причината заради која електричната енергија се дистрибуира како наизменична струја е таа што наизменичниот напон може да се зголемува и намалува со трансформатори. Користењето на повисоки напони води до значително поефикасен пренос на енергијата. Енергетските загуби () во спроводник се производ од квадратот на струјата (I) и отпорноста на спроводникот (R), опишани со формулата:

Ова значи дека при пренесување на определена енергија преку дадена жица, ако струјата се удвои, енергетската загуба ќе биде четирикратно поголема.

Пренесената енергија е еднаква на производот од струјата и напонот (под претпоставка дека нема фазна разлика), што е,

Значи истата количина на енергија може да се пренесе со помала струја со зголемување на напонот. Затоа е поволно преносот на големи количини енергија да се врши со високи напони (често стотици киловолти)

thumb|Далноводите користат висок напон за пренос на електричната енергија

Но, високиот напон има свои недостатоци, од кои главниот е потребната зголемена изолација, и општо тешкотиите за безбедно ракување. Во енергетските генераторски постројки, енергијата се генерира во напон согласно нивните конструктивни особини, а потоа истиот се трансформира во соодветен за пренос. Во близина на потрошувачите, напонот на пренос се намалува на ниво на напонот кој го користи опремата. Напоните на потрошувачите варираат во зависност од земјата и големината на оптоварувањето, но генерално моторите и осветлението се произведуваат за користење на меѓуфазен напон до неколку стотици волти.

Напонот кој се дистрибуира до крајните потрошувачи, како осветлување и мотори, е стандардизиран со дозволено отстапување во кое се очекува опремата да работи. Дистрибутивниот напон и толеранцијата варираат кај различни електродистрибутивни системи кои се користат низ светот.

Модерните системи за пренос на електрична енергија со еднонасочна струја со висок напон се пандан на повообичаените системи со наизменична струја како начин за ефикасен пренос на електрична енергија на големи растојанија. Системите на еднонасочна струја со висок напон, сепак се поскапи и помалку ефикасни на пократки растојанија од трансформаторите. Преносот со еднонасочна струја со висок напон не бил изводлив кога Едисон, Вестингхауз и Тесла ги дизајнирале нивните енергетски системи бидејќи во тоа време немало економски начин за претворање на наизменичната енергија во еднонасочна и обратно на неопходните напони.

Производството на трифазна електрична енергија е многу честа. Наједноставен случај е кога статорот на генераторот има три посебни намотки кои меѓусебно физички се поставени под агол од 120°. Се генерираат три струјни бранови кои се еднакви по големина и фазно поместени за 120°. Ако се додадат намотки спротивни на овие (поставени под агол од 60°), тие ги генерираат истите фази со обратен поларитет па можат едноставно заедно да се ожичат.

Во пракса вообичаено се користат повеќеполни машини. На пример, дванаесетполна машина би имала 36 намотки (поставени под агол од 10°). Нивна предност е што се применуваат пониски брзини. На пример, двополна машина која работи на 3.600 вртежи во минута и дванаесетполна машина која работи на 600 вртежи во минута произведуваат иста честота. Ова е многу практично за големи машини.

Доколку оптоварувањето на трифазниот систем е еднакво балансиран меѓу фазите, тогаш низ неутралната точка не тече струја. Дури и во најлошиот случај на небалансиран (линеарен) товар, струјата во неутралниот вод нема да ја надмине најголемата од фазните струи. Нелинеарните товари (на пр. сметачите) може да бараат поголем неутрален вод и неутрален спроводник до дистрибутивниот панел за да се справи со хармониците. Хармониците може да предизвикаат струјата во неутралниот спроводник да ја надмине струјата во еден или во сите фазни спроводници.

За користење на трифазни напони често се користи четирижичен систем. На напојната страна се користи трансформатор со делта примарна намотка (трожичен) и ѕвезда секундарна намотка (четирижичен), па нема потреба од неутрален вод.

За помали корисници (големината зависи од земјата и староста на инсталацијата) се обезбедуваат само една фаза и неутрален вод или две фази и неутрален вод. За поголеми инсталации, до главната разводна табла на корисникот се водат три фази и неутрален вод. Од трифазната главна разводна табла може да се водат еднофазни и трифазни приклучоци до потрошувачите.

Трета жица, наречена заземјување (или земја), често се поврзува меѓу металните делови кои не се наменети за водење струја и заземјувањето. Овој спроводник обезбедува заштита од електричен удар при случаен допир на електричните спроводници со метални апарати или алатки. Поврзувањето на сите метални делови, кои не се дел од електричната инсталација, во еден целосен систем осигурува секогаш да има пат со мала електрична импеданса до земјата, доволен да ја спроведе секоја струја на кратка врска толку долго колку што на системот му е потребно за да истата ја очисти. Оваа патека со мала импеданса треба да ја носи максималната струја на куса врска, предизвикувајќи колото за прекуструјна заштита (прекинувачи, осигурувачи) да испадне или изгори што е можно побрзо и да го доведе електричниот систем во безбедна состојба. Сите жици на заземјувањето од внатрешната инсталација се водат до собирница на главната разводна табла каде се преспојуваат на заземјувачот.

Честоти на напојувањето со наизменична струја

Честотата на електричниот систем варира од земја до земја. Најчесто електричната енергија се произведува со 50 или 60 херци. Некои земји имаат мешан систем со 50 и 60 Hz (Јапонија).

Ниските честоти го олеснуваат дизајнот на електричните мотори, особено за дигалки, дробилки и за тракциони мотори од комутаторски тип. Од друга страна, при ниски честоти забележливи се трепкањата на лачните светилки и жарулките. Користењето на пониски честоти исто така обезбедува предност од помали загуби на импедансата (пропорционални на честотата). Оригиналните генератори на Нијагарините Водопади биле со честота од 25 Hz, како компромис меѓу потребите за ниски загуби кај тешките индуктивни мотори и овозможување работа на жарулките (иако со забележливо трепкање). Системи со честота од 16,7 Hz сè уште се користат во железничките системи на некои земји како Австрија, Германија, Норвешка, Шведска и Швајцарија.

Војската, текстилната индустрија, поморството, воздухопловството и др. понекогаш користат 400 Hz заради намалената тежина на апаратите или поголемите брзини на моторите.

Често компјутерските централни (мејнфрејм) системи се напојуваат со 415 Hz користејќи кориснички мотор-генераторски уреди при што како влез се користи локалниот напон и честота.

Ефекти при високи честоти

Еднонасочната струја тече еднообразно низ пресекот на еднообразна жица. Наизменичната струја на која било честота се „турка“ вон оската на жицата, кон нејзината надворешна површина. Ова е заради тоа што забрзувањето на електричен полнеж во наизменична струја предизвикува бранови од електромагнетно зрачење што го поништува патувањето на електрицитетот кон центарот на материјали со голема спроводливост. Оваа појава се нарекува површински ефект или скин-ефект.

На многу високи честоти струјата повеќе не тече „во“ жицата, туку делотворно тече „на“ површината на жицата, на длабина од неколку дебелини на кожата. Скин-длабина е длабината на која густината на струјата се намалува за 63%. Дури и на релативно ниски честоти што се користат за пренос на енергија (50-60 Hz), во доволно дебели спроводници постои нееднообразна распределба на струјата. На пример, скин-длабината на бакарен спроводник е отприлика 8,57 mm на 60 Hz, па спроводниците за големи струи вообичаено се шупливи за да се намали нивната маса и цена.

Бидејќи струјата тежи да тече на периферијата на спроводниците, делотворниот пресек на спроводникот е намален. Ова го зголемува делотворниот отпор за наизменични струи на спроводникот, со оглед дека отпорот е обратнопропорционален на површината на пресекот. Отпорот на наизменична струја често е многупати поголем од оној на еднонасочна струја, предизвикувајќи многу поголеми енергетски загуби заради топлотни загуби.

Техники за намалување на отпорноста на наизменична струја За ниските до средните честоти, спроводниците може да се поделат на потенки жици, изолирани меѓу себе, и со релативни позиции на поединечните потенки жици специјално поставени во спроводниот сноп. Жицата конструирана со користење на оваа техника се нарекува лицнеста жица. Оваа мерка помага делумно да се ублажи површинскиот ефект со порамномерна распределба на струјата низ целиот пресек на поедините делови од снопот. Лицнеста жица се користи за изработка на индуктори со висок Q, намалување на загубите во флексибилните спроводници низ кои течат многу големи струи на пониски честоти, и во намотки на уреди низ кои тече струја со високи честоти (до стотици килохерци) како што е напојувањето со прекинувачки режим и радиофреквенциски трансформатори.

Техники за намалување на загубите на зрачење Како што е претходно напишано, наизменичната струја се добива од електричен полнеж под периодично забрзување кое предизвикува зрачење на електромагнетни бранови. Енергијата која се зрачи е изгубена. Зависно од честотата, се користат различни техники за минимизирање на загубите од зрачење.

Усучени парици За честоти до околу 1 GHz, париците се усучуваат во кабел и создаваат усучена парица. Со ова се намалуваат загубите од електромагнетното зрачење и заемната индукција. Усучената парица мора да се користи со балансиран сигнален систем, така што двете жици носат еднакви но спротивни струи. Секоја жица во усучената парица зрачи сигнал, но тој е делотворно се поништува со зрачењето од другата жица, што резултира со тоа скоро да нема загуби од зрачење.

Коаксијални кабли

Коаксијалните кабли се користат за пренос на сигнали на високи честоти. Коаксијалниот кабел има спроводна жица која е поставена во спроводна цевка од која е раздвоена со диелектричен слој. Струјата која тече во внатрешниот спроводник е еднаква и спротивна на струјата која тече на внатрешната површина од цевката. На тој начин електромагнетното поле е целосно содржано во цевката, и (идеално) нема енергетски загуби заради зрачење или заемно дејство вон цевката. Коаксијалните кабли имаат прифатливо мали загуби за честоти до околу 5 GHz. За микробранови честоти поголеми од 5 GHz, загубите (главно заради електричната отпорност на централниот спроводник) стануваат преголеми, така што брановодите стануваат поефективен медиум за пренос на енергијата. Се претпочитаат коаксијални кабли со воздушен отколку со тврд диелектрик бидејќи тие ја пренесуваат енергијата со помали загуби.

Брановоди