Was ist Wechselstrom (AC)?

Die meisten Elektrostudenten beginnen ihr Studium mit dem sogenannten Gleichstrom (DC), d. h. Elektrizität, die in eine konstante Richtung fließt und/oder eine Spannung mit konstanter Polarität besitzt.

Gleichstrom ist die Art von Elektrizität, die von einer Batterie erzeugt wird (mit eindeutigen Plus- und Minuspolen) oder die Art von Ladung, die durch das Reiben bestimmter Arten von Materialien aneinander erzeugt wird.

Wechselstrom vs. Gleichstrom

So nützlich und leicht verständlich DC auch ist, es ist nicht die einzige „Art“ von Elektrizität, die verwendet wird. Bestimmte Stromquellen (vor allem rotierende elektromechanische Generatoren) erzeugen auf natürliche Weise Spannungen mit wechselnder Polarität, die sich mit der Zeit positiv und negativ umkehren.

Entweder als Spannungsumschaltpolarität oder als Stromumschaltrichtung hin und her, diese „Art“ von Elektrizität wird als Wechselstrom (AC) bezeichnet:

Gleich- oder Wechselstrom

Während das bekannte Batteriesymbol als allgemeines Symbol für jede Gleichspannungsquelle verwendet wird, ist der Kreis mit der Wellenlinie darin das allgemeine Symbol für jede Wechselspannungsquelle.

Man könnte sich fragen, warum sich jemand mit so etwas wie AC beschäftigt. Es stimmt, dass Wechselstrom in einigen Fällen keinen praktischen Vorteil gegenüber Gleichstrom bietet.

Bei Anwendungen, bei denen Elektrizität zur Ableitung von Energie in Form von Wärme verwendet wird, ist die Polarität oder Richtung des Stroms irrelevant, solange genügend Spannung und Strom an der Last anliegen, um die gewünschte Wärme (Verlustleistung) zu erzeugen. Mit Wechselstrom ist es jedoch möglich, elektrische Generatoren, Motoren und Stromverteilungssysteme zu bauen, die weitaus effizienter sind als Gleichstrom, und so finden wir, dass Wechselstrom weltweit überwiegend in Hochleistungsanwendungen verwendet wird.

Um genau zu erklären, warum dies so ist, ist ein wenig Hintergrundwissen über AC erforderlich.

Wechselstromgeneratoren

Wenn eine Maschine so konstruiert ist, dass sie ein Magnetfeld um einen Satz stationärer Drahtspulen dreht, während sich eine Welle dreht, wird bei Drehung dieser Welle Wechselspannung an den Drahtspulen erzeugt, gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators, auch bekannt als Lichtmaschine :Abbildung unten

Lichtmaschinenbetrieb

Beachten Sie, wie sich die Polarität der Spannung an den Drahtspulen umkehrt, wenn die entgegengesetzten Pole des rotierenden Magneten vorbeiziehen.

An eine Last angeschlossen, erzeugt diese umgekehrte Spannungspolarität eine umgekehrte Stromrichtung im Stromkreis. Je schneller die Welle der Lichtmaschine gedreht wird, desto schneller dreht sich der Magnet, was zu einer Wechselspannung und einem Wechselstrom führt, die in einer bestimmten Zeit häufiger die Richtung wechseln.

Obwohl Gleichstromgeneratoren nach dem gleichen allgemeinen Prinzip der elektromagnetischen Induktion arbeiten, ist ihre Konstruktion nicht so einfach wie ihre Wechselstrom-Pendants.

Bei einem Gleichstromgenerator ist die Drahtspule in der Welle montiert, wo sich der Magnet am Wechselstromgenerator befindet, und elektrische Verbindungen zu dieser sich drehenden Spule werden über stationäre Kohlebürsten hergestellt, die Kupferstreifen auf der rotierenden Welle kontaktieren.

All dies ist notwendig, um die sich ändernde Ausgangspolarität der Spule auf den externen Stromkreis umzuschalten, damit der externe Stromkreis eine konstante Polarität sieht:

Gleichstromgeneratorbetrieb

Der oben gezeigte Generator erzeugt zwei Spannungsimpulse pro Umdrehung der Welle, beide Impulse in der gleichen Richtung (Polarität). Damit ein Gleichstromgenerator konstante Anstelle von kurzen Spannungsimpulsen alle 1/2 Umdrehungen gibt es mehrere Spulensätze, die intermittierend mit den Bürsten in Kontakt kommen.

Das oben gezeigte Diagramm ist etwas vereinfachter als das, was Sie im wirklichen Leben sehen würden.

Die Probleme beim Herstellen und Unterbrechen des elektrischen Kontakts mit einer Drehspule sollten offensichtlich sein (Funkenbildung und Hitze), insbesondere wenn die Welle des Generators mit hoher Drehzahl umläuft. Enthält die Umgebung der Maschine brennbare oder explosive Dämpfe, sind die praktischen Probleme von funkenerzeugenden Bürstenkontakten noch größer.

Ein Wechselstromgenerator (Lichtmaschine) benötigt keine Bürsten und Kommutatoren, um zu funktionieren, und ist daher immun gegen diese Probleme, die bei Gleichstromgeneratoren auftreten.

Wechselstrommotoren

Die Vorteile von AC gegenüber DC in Bezug auf die Generatorkonstruktion spiegeln sich auch in Elektromotoren wider.

Während Gleichstrommotoren die Verwendung von Bürsten erfordern, um elektrischen Kontakt mit beweglichen Drahtspulen herzustellen, ist dies bei Wechselstrommotoren nicht der Fall. Tatsächlich sind die Konstruktionen von Wechselstrom- und Gleichstrommotoren ihren Generator-Gegenstücken sehr ähnlich (für dieses Tutorial identisch), wobei der Wechselstrommotor vom umgekehrten Magnetfeld abhängt, das durch Wechselstrom durch seine stationären Drahtspulen erzeugt wird, um den rotierenden Magneten zu drehen auf seiner Welle herum, und der Gleichstrommotor ist davon abhängig, dass die Bürstenkontakte alle 1/2 Umdrehungen (180 Grad) Verbindungen zum Rückstrom durch die rotierende Spule herstellen und unterbrechen.

Transformatoren

Wir wissen also, dass Wechselstromgeneratoren und Wechselstrommotoren in der Regel einfacher sind als Gleichstromgeneratoren und Gleichstrommotoren. Diese relative Einfachheit führt zu größerer Zuverlässigkeit und niedrigeren Herstellungskosten. Aber wozu ist AC noch gut? Da muss doch mehr dahinterstecken als konstruktive Details von Generatoren und Motoren! Das gibt es tatsächlich.

Es gibt einen Effekt des Elektromagnetismus, der als gegenseitige Induktion bekannt ist , wobei zwei oder mehr Drahtspulen so platziert werden, dass das sich ändernde Magnetfeld, das von einer erzeugt wird, eine Spannung in der anderen induziert. Wenn wir zwei sich gegenseitig induktive Spulen haben und eine Spule mit Wechselstrom erregen, erzeugen wir in der anderen Spule eine Wechselspannung. Wenn es als solches verwendet wird, wird dieses Gerät als Transformator bezeichnet :

Transformator "wandelt" Wechselspannung und -strom um.

Die grundlegende Bedeutung eines Transformators ist seine Fähigkeit, die Spannung von der gespeisten Spule zur nicht gespeisten Spule zu erhöhen oder zu verringern. Die in der nicht mit Strom versorgten („Sekundärspule“) induzierte Wechselspannung ist gleich der Wechselspannung an der mit Strom versorgten („Primär“) Spule multipliziert mit dem Verhältnis der Sekundärspulenwindungen zu den Primärspulenwindungen.

Wenn die Sekundärspule eine Last versorgt, ist der Strom durch die Sekundärspule genau das Gegenteil:Primärspulenstrom multipliziert mit dem Verhältnis von Primär- zu Sekundärwindungen. Diese Beziehung hat eine sehr enge mechanische Analogie, bei der Drehmoment und Drehzahl verwendet werden, um Spannung bzw. Strom darzustellen:

Getriebe mit Drehzahlvervielfachung reduziert das Drehmoment und erhöht die Geschwindigkeit. Abwärtstransformator reduziert Spannung und Strom nach oben.

Wenn das Wicklungsverhältnis umgekehrt wird, so dass die Primärspule weniger Windungen hat als die Sekundärspule, „hochsetzt“ der Transformator die Spannung vom Quellenpegel auf einen höheren Pegel an der Last:

Getriebe mit Untersetzungsgetriebe erhöht das Drehmoment und verringert die Geschwindigkeit. Aufwärtstransformator erhöht Spannung und Strom nach unten.

Die Fähigkeit des Transformators, die Wechselspannung mit Leichtigkeit zu erhöhen oder zu verringern, verschafft Wechselstrom einen Vorteil, der von Gleichstrom im Bereich der Stromverteilung in der Abbildung unten unerreicht ist.

Bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen ist es weitaus effizienter, dies mit hochgesetzten Spannungen und heruntergesetzten Strömen (Draht mit kleinerem Durchmesser und weniger ohmschen Leistungsverlusten) zu tun, dann die Spannung wieder herunterzuschrauben und den Strom für . wieder zu erhöhen Industrie, Geschäft oder Verbraucher verwenden.

Transformatoren ermöglichen eine effiziente Hochspannungsübertragung elektrischer Energie über große Entfernungen.

Die Transformatorentechnologie hat die Verteilung elektrischer Energie mit großer Reichweite praktikabel gemacht. Ohne die Möglichkeit, die Spannung effizient nach oben und unten zu stufen, wäre es unwirtschaftlich, Stromsysteme für alles andere als für den Nahbereich (maximal innerhalb weniger Kilometer) zu konstruieren.

So nützlich Transformatoren auch sind, sie funktionieren nur mit Wechselstrom, nicht mit Gleichstrom. Weil das Phänomen der Gegeninduktivität auf der Änderung beruht Magnetfelder und Gleichstrom (DC) können nur stetige Magnetfelder erzeugen, Transformatoren funktionieren einfach nicht mit Gleichstrom.

Natürlich kann Gleichstrom durch die Primärwicklung eines Transformators unterbrochen (gepulst) werden, um ein sich änderndes Magnetfeld zu erzeugen (wie es in Kraftfahrzeugzündsystemen der Fall ist, um Hochspannungs-Zündkerzenstrom aus einer Niederspannungs-Gleichstrombatterie zu erzeugen), aber gepulster Gleichstrom unterscheidet sich nicht wesentlich von Wechselstrom.

Vielleicht mehr als jeder andere Grund findet Wechselstrom deshalb eine so weit verbreitete Anwendung in Stromversorgungssystemen.

RÜCKBLICK:

• DC steht für "Direct Current" und bedeutet Spannung oder Strom, der im Laufe der Zeit eine konstante Polarität bzw. Richtung beibehält.
• AC steht für „Alternating Current“ und bedeutet Spannung oder Strom, der im Laufe der Zeit seine Polarität bzw. Richtung ändert.
• Elektromechanische Wechselstromgeneratoren, bekannt als Wechselstromgeneratoren , sind einfacher aufgebaut als elektromechanische Gleichstromgeneratoren.
• Das Design von Wechselstrom- und Gleichstrommotoren folgt den jeweiligen Konstruktionsprinzipien des Generators sehr genau.
• Ein Transformator ist ein Paar sich gegenseitig induktiver Spulen, die verwendet werden, um Wechselstrom von einer Spule zur anderen zu übertragen. Häufig wird die Anzahl der Windungen in jeder Spule so eingestellt, dass eine Spannungserhöhung oder -abnahme von der mit Strom versorgten (Primär-)Spule zu der nicht mit Strom versorgten (Sekundär-)Spule erzeugt wird.
• Sekundärspannung =Primärspannung (Sekundärwindungen / Primärwindungen)
• Sekundärstrom =Primärstrom (Primärwindungen / Sekundärwindungen)

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für grundlegende AC-DC-Netzteile
• Arbeitsblatt für Step-up-, Step-down- und Isolationstransformatoren