- Einführung
- Wechselstromkreise
- Wechselstrom gegen Gleichstrom (AC vs DC)
- Grundlegende Wechselstromquelle (Single Coil AC Generator)
- Transformer
Einführung
Ein Stromkreis ist ein vollständiger leitender Pfad, über den Elektronen von der Quelle zur Last und zurück zur Quelle fließen. Die Richtung und Größe des Elektronenflusses hängen jedoch von der Art der Quelle ab. In der Elektrotechnik gibt es grundsätzlich zwei Arten von Spannungs- oder Stromquellen (elektrische Energie), die die Art der Schaltung definieren und diese sind; Wechselstrom (oder Spannung) und Gleichstrom.
In den nächsten Beiträgen konzentrieren wir uns auf den Wechselstrom und gehen auf Themen ein, die von Wechselstrom bis zu Wechselstromwellenformen usw. reichen.
Wechselstromkreise
Wechselstromkreise, wie der Name (Wechselstrom) andeutet, sind einfach Stromkreise, die von einer Wechselquelle gespeist werden, entweder Spannung oder Strom. Ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung ist einer, bei dem der Wert der Spannung oder des Stroms um einen bestimmten Mittelwert variiert und die Richtung periodisch umkehrt.
Die meisten heutigen Haushalts- und Industriegeräte und -systeme werden mit Wechselstrom betrieben. Alle angeschlossenen Gleichstromgeräte und wiederaufladbaren batteriebasierten Geräte werden technisch mit Wechselstrom betrieben, da sie alle irgendeine Form von Gleichstrom verwenden, der von Wechselstrom abgeleitet wird, um entweder ihre Batterien aufzuladen oder das System mit Strom zu versorgen. Wechselstrom ist also die Form, über die Strom am Netz abgegeben wird.
Der Wechselstromkreis entstand in den 1980er Jahren, als Tesla beschloss, die Fernunfähigkeit der Gleichstromgeneratoren von Thomas Edison zu beheben. Er suchte nach einer Möglichkeit, Elektrizität mit hoher Spannung zu übertragen, und setzte dann Transformatoren ein, um sie je nach Verteilung entweder nach oben oder nach unten zu bewegen, und konnte so den Leistungsverlust über eine große Entfernung minimieren, was das Hauptproblem von Direct war Aktuell zu der Zeit.
Wechselstrom gegen Gleichstrom (AC vs DC)
Wechselstrom und Gleichstrom unterscheiden sich in verschiedenen Punkten von der Erzeugung über die Übertragung bis hin zur Verteilung. Der Einfachheit halber werden wir den Vergleich mit ihren Eigenschaften für diesen Beitrag beibehalten.
Der Hauptunterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom, der auch die Ursache für ihre unterschiedlichen Eigenschaften ist, ist die Flussrichtung der elektrischen Energie. In Gleichstrom fließen Elektronen stetig in eine Richtung oder vorwärts, während in Wechselstrom Elektronen ihre Strömungsrichtung in periodischen Intervallen wechseln. Dies führt auch zu einer Änderung des Spannungspegels, da dieser entsprechend dem Strom von positiv nach negativ wechselt.
Unten finden Sie eine Vergleichstabelle, um einige der Unterschiede zwischen AC und DC hervorzuheben. Andere Unterschiede werden hervorgehoben, wenn wir uns eingehender mit Wechselstromkreisen befassen.
Vergleichsbasis |
AC |
DC |
Energieübertragungskapazität |
Reisen über große Entfernungen mit minimalem Energieverlust |
Beim Senden über große Entfernungen geht viel Energie verloren |
Generationsgrundlagen |
Drehen eines Magneten entlang eines Drahtes. |
Stetiger Magnetismus entlang eines Drahtes |
Frequenz |
Normalerweise 50Hz oder 60Hz je nach Land |
Die Frequenz ist Null |
Richtung |
Kehrt die Richtung periodisch um, wenn ein Stromkreis durchströmt wird |
Es fließt konstant konstant in eine Richtung. |
Aktuell |
Seine Größe variiert mit der Zeit |
Konstante Größe |
Quelle |
Alle Formen von Wechselstromgeneratoren und -netzen |
Zellen, Batterien, Umwandlung von Wechselstrom |
Passive Parameter |
Impedanz (RC, RLC usw.) |
Nur Widerstand |
Leistungsfaktor |
Liegt zwischen 0 & 1 |
Immer 1 |
Wellenform |
Sinusförmig, trapezförmig, dreieckig und quadratisch |
Gerade, manchmal pulsierend. |
Grundlegende Wechselstromquelle (Single Coil AC Generator)
Das Prinzip der Wechselstromerzeugung ist einfach. Wenn ein Magnetfeld oder ein Magnet entlang eines stationären Satzes von Spulen (Drähten) oder die Drehung einer Spule um ein stationäres Magnetfeld gedreht wird, wird unter Verwendung eines Wechselstromgenerators (Lichtmaschine) ein Wechselstrom erzeugt.
Die einfachste Form eines Wechselstromgenerators besteht aus einer Drahtschleife, die mechanisch um eine Achse gedreht wird, während sie zwischen dem Nord- und Südpol eines Magneten positioniert ist.
Betrachten Sie das Bild unten.
Wenn sich die Ankerspule innerhalb des von den Nord- und Südpolmagneten erzeugten Magnetfelds dreht, ändert sich der Magnetfluss durch die Spule, und Ladungen werden somit durch den Draht gezwungen, wodurch eine effektive Spannung oder induzierte Spannung entsteht. Der magnetische Fluss durch die Schleife ergibt sich aus dem Winkel der Schleife relativ zur Richtung des Magnetfelds. Betrachten Sie die Bilder unten;
Aus den oben gezeigten Bildern können wir schließen, dass eine bestimmte Anzahl von Magnetfeldlinien geschnitten wird, wenn sich der Anker dreht. Die Anzahl der geschnittenen Linien bestimmt den Spannungsausgang. Mit jeder Änderung des Drehwinkels und der daraus resultierenden Kreisbewegung des Ankers gegen die Magnetlinien ändert sich auch die Menge der "geschnittenen Magnetlinien", daher ändert sich auch die Ausgangsspannung. Zum Beispiel sind die bei Null Grad geschnittenen Magnetfeldlinien Null, wodurch die resultierende Spannung Null wird, aber bei 90 Grad werden fast alle Magnetfeldlinien geschnitten, so dass die maximale Spannung in einer Richtung in einer Richtung erzeugt wird. Das gleiche gilt bei 270 Grad nur, dass es in die entgegengesetzte Richtung erzeugt wird. Es ergibt sich somit eine Spannungsänderung, wenn sich der Anker innerhalb des Magnetfelds dreht, was zur Bildung einer sinusförmigen Wellenform führt. Die resultierende induzierte Spannung ist somit sinusförmig, wobei eine Winkelfrequenz ω im Bogenmaß pro Sekunde gemessen wird.
Der induzierte Strom im obigen Aufbau ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
I = V / R.
Wobei V = NABwsin (Gew.)
Wobei N = Geschwindigkeit
A = Fläche
B = Magnetfeld
w = Winkelfrequenz.
Echte Wechselstromgeneratoren sind offensichtlich komplexer als diese, arbeiten jedoch nach den gleichen Prinzipien und Gesetzen der elektromagnetischen Induktion wie oben beschrieben. Wechselstrom wird auch unter Verwendung bestimmter Arten von Wandlern und Oszillatorschaltungen erzeugt, wie sie in Wechselrichtern zu finden sind.
Transformer
Die Induktionsprinzipien, auf denen Wechselstrom basiert, beschränken sich nicht nur auf seine Erzeugung, sondern auch auf seine Übertragung und Verteilung. Als zu der Zeit, als AC in die Abrechnung kam, eines der Hauptprobleme die Tatsache war, dass DC nicht über große Entfernungen übertragen werden konnte, war eines der Hauptprobleme, AC musste gelöst werden, um lebensfähig zu werden, in der Lage zu sein um die erzeugten Hochspannungen (KVs) sicher an Verbraucher zu liefern, die Spannungen im V-Bereich und nicht KV verwenden. Dies ist einer der Gründe, warum der Transformator als einer der Hauptverstärker von Wechselstrom beschrieben wird und es wichtig ist, darüber zu sprechen.
Bei Transformatoren sind zwei Spulen so verdrahtet, dass beim Anlegen eines Wechselstroms in der einen eine Spannung in der anderen induziert wird. Transformatoren sind Vorrichtungen, die verwendet werden, um die an einem Ende (Primärspule) angelegte Spannung entweder zu verringern oder zu erhöhen, um am anderen Ende (Sekundärspule) des Transformators eine niedrigere bzw. höhere Spannung zu erzeugen. Die induzierte Spannung in der Sekundärspule ist immer gleich der an der Primärspule angelegten Spannung multipliziert mit dem Verhältnis der Anzahl der Windungen der Sekundärspule zur Primärspule.
Ein Transformator, der ein Abwärts- oder Aufwärtstransformator ist, hängt somit vom Verhältnis der Anzahl der Windungen an der Sekundärspule zur Anzahl der Windungen des Leiters an der Primärspule ab. Wenn die Primärspule im Vergleich zur Sekundärspule mehr Windungen aufweist, verringert der Transformator die Spannung, aber wenn die Primärspule im Vergleich zur Sekundärspule weniger Windungen aufweist, erhöht der Transformator die an der Primärspule angelegte Spannung.
Transformers hat die Verteilung elektrischer Energie über große Entfernungen sehr möglich, kostengünstig und praktisch gemacht. Um Verluste während der Übertragung zu reduzieren, wird elektrischer Strom von Kraftwerken mit hoher Spannung und niedrigem Strom übertragen und dann mit Hilfe von Transformatoren bei niedrigen Spannungen und hohen Strömen an Haushalte und Büros verteilt.
Wir werden hier also aufhören, um den Artikel nicht mit zu vielen Informationen zu überladen. In Teil zwei dieses Artikels werden wir Wechselstromwellenformen diskutieren und uns mit einigen Gleichungen und Berechnungen befassen. Bleib dran.