Wechselstrom - Alternating current

Wechselstrom (grüne Kurve). Die horizontale Achse misst die Zeit (sie repräsentiert auch null Spannung/Strom); die Vertikale, Strom oder Spannung.

Wechselstrom ( AC ) ist ein elektrischer Strom, der periodisch seine Richtung umkehrt und seine Größe mit der Zeit kontinuierlich ändert, im Gegensatz zu Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt. Wechselstrom ist die Form, in der elektrische Energie an Unternehmen und Wohnungen geliefert wird, und es ist die Form von elektrischer Energie , die Verbraucher normalerweise verwenden, wenn sie Küchengeräte , Fernseher, Ventilatoren und elektrische Lampen an eine Steckdose anschließen . Eine übliche Gleichstromquelle ist eine Batteriezelle in einer Taschenlampe . Die Abkürzungen AC und DC werden oft verwendet, um einfach abwechselnd und direkt zu bedeuten , wie wenn sie Strom oder Spannung verändern .

Die übliche Wellenform von Wechselstrom in den meisten Stromkreisen ist eine Sinuswelle , deren positive Halbperiode der positiven Stromrichtung entspricht und umgekehrt. In bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise Gitarrenverstärkern , werden unterschiedliche Wellenformen verwendet, wie beispielsweise Dreieckswellen oder Rechteckwellen . Audio- und Funksignale auf den elektrischen Leitungen durch sind auch Beispiele für Wechselstrom. Diese Arten von Wechselstrom tragen Informationen wie Ton (Audio) oder Bilder (Video), die manchmal durch Modulation eines Wechselstrom-Trägersignals übertragen werden. Diese Ströme alternieren typischerweise mit höheren Frequenzen als diejenigen, die bei der Energieübertragung verwendet werden.

Übertragung, Verteilung und Hausstromversorgung

Eine schematische Darstellung der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen. Von links nach rechts: G=Generator, U=Aufwärtstransformator, V=Spannung am Anfang der Übertragungsleitung, Pt=Leistung, die in die Übertragungsleitung eindringt, I=Strom in den Drähten, R=Gesamtwiderstand in den Drähten, Pw=Leistungsverlust bei der Übertragung Leitung, Pe=Leistung, die das Ende der Übertragungsleitung erreicht, D=Abwärtstransformator, C=Verbraucher.

Elektrische Energie wird als Wechselstrom verteilt , da AC - Spannung erhöht werden kann oder mit einem verringerten Transformator . Dies ermöglicht , die Leistung durch zu übertragende Stromleitungen effizient bei hohen Spannung, die die Energie als Wärme aufgrund verlorener reduziert Widerstand des Drahtes und umgewandelt in eine niedrigeren, sicherer, Spannung zur Verwendung. Die Verwendung einer höheren Spannung führt zu einer wesentlich effizienteren Energieübertragung. Die Verlustleistung ( ) im Draht ist ein Produkt aus dem Quadrat des Stroms ( I ) und des Widerstands (R) des Drahtes, beschrieben durch die Formel:

Dies bedeutet, dass bei der Übertragung einer festen Leistung auf einem bestimmten Draht bei einer Halbierung des Stroms (dh der Verdoppelung der Spannung) die Verlustleistung aufgrund des Widerstands des Drahtes auf ein Viertel reduziert wird.

Die übertragene Leistung ist gleich dem Produkt aus Strom und Spannung (keine Phasendifferenz vorausgesetzt); das ist,

Folglich erfordert die bei einer höheren Spannung übertragene Leistung weniger verlusterzeugenden Strom als für die gleiche Leistung bei einer niedrigeren Spannung. Strom wird oft mit Hunderten von Kilovolt auf Masten übertragen, auf zehn Kilovolt heruntertransformiert, um auf untergeordneten Leitungen übertragen zu werden, und schließlich auf 100 V – 240 V für den Hausgebrauch heruntertransformiert.

Dreiphasige Hochspannungsleitungen verwenden Wechselströme, um Energie über weite Entfernungen zwischen Stromerzeugungsanlagen und Verbrauchern zu verteilen . Die Linien im Bild befinden sich im Osten Utahs .

Hohe Spannungen haben Nachteile, wie die erforderliche erhöhte Isolierung und allgemein erhöhte Schwierigkeiten bei ihrer sicheren Handhabung. In einem Kraftwerk wird Energie mit einer für die Konstruktion eines Generators geeigneten Spannung erzeugt und dann zur Übertragung auf eine Hochspannung hochgesetzt. In der Nähe der Lasten wird die Übertragungsspannung auf die von Geräten verwendeten Spannungen herabgesetzt. Die Verbraucherspannungen variieren etwas je nach Land und Größe der Last, aber im Allgemeinen sind Motoren und Beleuchtung so gebaut, dass sie zwischen den Phasen bis zu einigen hundert Volt verbrauchen. Die Spannung, die an Geräte wie Beleuchtungs- und Motorlasten geliefert wird, ist mit einem zulässigen Spannungsbereich, über den Geräte voraussichtlich betrieben werden, standardisiert. Die Standard-Stromverbrauchsspannungen und die prozentuale Toleranz variieren in den verschiedenen Stromnetzen der Welt. Hochspannungs-Gleichstrom- (HGÜ)-Stromübertragungssysteme sind praktikabler geworden, da die Technologie effiziente Mittel zur Änderung der Spannung von Gleichstrom bereitgestellt hat. Eine Übertragung mit Hochspannungs-Gleichstrom war in den frühen Tagen der elektrischen Energieübertragung nicht möglich , da es damals keine wirtschaftlich praktikable Möglichkeit gab, die Gleichspannung für Endverbraucheranwendungen wie Glühbirnen zu reduzieren.

Dreiphasige Stromerzeugung ist weit verbreitet. Der einfachste Weg ist , drei getrennte Spulen in dem Generator verwenden Stator , physisch um einen Winkel von 120 ° versetzt (ein Drittel einer vollständigen 360 ° Phase) zueinander. Es werden drei Stromwellenformen erzeugt, die betragsmäßig gleich und um 120° phasenverschoben sind. Werden Spulen gegenüberliegend hinzugefügt (60°-Abstand), erzeugen diese die gleichen Phasen mit umgekehrter Polarität und können so einfach miteinander verdrahtet werden. In der Praxis werden üblicherweise höhere "Polordnungen" verwendet. Zum Beispiel hätte eine 12-polige Maschine 36 Spulen (10° Abstand). Der Vorteil besteht darin, dass niedrigere Drehzahlen verwendet werden können, um die gleiche Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise erzeugen eine 2-polige Maschine mit 3600 U/min und eine 12-polige Maschine mit 600 U/min die gleiche Frequenz; die niedrigere Geschwindigkeit ist für größere Maschinen vorzuziehen. Wird die Belastung eines Drehstromsystems gleichmäßig auf die Phasen verteilt, fließt kein Strom durch den Sternpunkt . Selbst im ungünstigsten Fall einer unsymmetrischen (linearen) Last überschreitet der Neutralleiterstrom nicht den höchsten der Phasenströme. Nichtlineare Lasten (z. B. die weit verbreiteten Schaltnetzteile) erfordern möglicherweise einen überdimensionierten Neutralbus und Neutralleiter im vorgeschalteten Verteilerfeld, um Oberschwingungen zu bewältigen . Oberschwingungen können dazu führen, dass die Stromstärken des Neutralleiters die eines oder aller Phasenleiter überschreiten.

Bei dreiphasigen Nutzspannungen wird häufig ein Vierleitersystem verwendet. Bei der Untersetzung von dreiphasig wird häufig ein Transformator mit einer Delta- (3-Leiter) Primärseite und einer Stern (4-Leiter, Mittelerde) Sekundärseite verwendet, so dass auf der Versorgungsseite kein Neutralleiter erforderlich ist. Für kleinere Kunden (wie klein je nach Land und Alter der Anlage unterschiedlich ist) werden nur eine Phase und der Neutralleiter oder zwei Phasen und der Neutralleiter in die Immobilie gebracht. Bei größeren Installationen werden alle drei Phasen und der Neutralleiter zum Hauptverteiler geführt. Von der dreiphasigen Haupttafel können sowohl ein- als auch dreiphasige Stromkreise abgeführt werden. Einphasige Dreileitersysteme mit einem einzigen Transformator mit Mittelanzapfung für zwei stromführende Leiter sind ein gängiges Verteilungsschema für Wohn- und kleine Gewerbegebäude in Nordamerika. Diese Anordnung wird manchmal fälschlicherweise als "zweiphasig" bezeichnet. Eine ähnliche Methode wird aus anderen Gründen auf Baustellen in Großbritannien verwendet. Kleine Elektrowerkzeuge und Beleuchtung sollen von einem Ortsnetztrafo mit einer Spannung von 55 V zwischen jedem Stromleiter und Erde versorgt werden. Dadurch wird die Gefahr eines Stromschlags im Fall, dass einer der spannungsführenden Leiter durch einen Gerätefehler freigelegt wird, erheblich reduziert und dennoch eine angemessene Spannung von 110 V zwischen den beiden Leitern für den Betrieb der Werkzeuge gewährleistet.

Ein dritter Draht , der als Bonddraht (oder Erdungsdraht) bezeichnet wird, wird oft zwischen nicht stromführenden Metallgehäusen und Erde angeschlossen. Dieser Leiter bietet Schutz vor Stromschlägen durch versehentlichen Kontakt von Stromkreisleitern mit dem Metallchassis von tragbaren Geräten und Werkzeugen. Die Verbindung aller nicht stromführenden Metallteile zu einem kompletten System stellt sicher, dass immer ein Pfad mit niedriger elektrischer Impedanz zur Erde vorhanden ist, der ausreicht, um Fehlerströme so lange zu führen, wie das System den Fehler beseitigt. Dieser niederohmige Pfad lässt den maximalen Fehlerstrom zu, wodurch die Überstromschutzeinrichtung (Unterbrecher, Sicherungen) so schnell wie möglich auslöst oder durchbrennt und das elektrische System in einen sicheren Zustand bringt. Alle Bonddrähte sind an der Hauptanschlusstafel geerdet, ebenso der neutrale/identifizierte Leiter, falls vorhanden.

Frequenzen der Wechselstromversorgung

Die Frequenz des elektrischen Systems variiert je nach Land und manchmal innerhalb eines Landes; Der meiste Strom wird mit 50 oder 60  Hertz erzeugt . Einige Länder haben eine Mischung aus 50-Hz- und 60-Hz-Versorgungen, insbesondere Stromübertragung in Japan . Eine niedrige Frequenz erleichtert die Konstruktion von Elektromotoren, insbesondere für Hebe-, Brech- und Walzanwendungen, und Traktionsmotoren vom Kommutatortyp für Anwendungen wie Eisenbahnen . Niedrige Frequenzen verursachen jedoch auch bei Bogenlampen und Glühbirnen ein merkliches Flimmern . Die Verwendung niedrigerer Frequenzen bietet auch den Vorteil geringerer Impedanzverluste, die proportional zur Frequenz sind. Die ursprünglichen Niagara Falls-Generatoren wurden gebaut, um eine Leistung von 25 Hz zu erzeugen, als Kompromiss zwischen niedriger Frequenz für Traktions- und schweren Induktionsmotoren, während immer noch Glühlampenlicht betrieben werden kann (wenn auch mit merklichem Flimmern). Die meisten der 25-Hz-Haushalts- und Gewerbekunden für den Strom von Niagarafällen wurden Ende der 1950er Jahre auf 60 Hz umgestellt, obwohl zu Beginn des 21. Jahrhunderts noch einige 25-Hz-Industriekunden existierten. 16,7 Hz Strom (früher 16 2/3 Hz) wird noch in einigen europäischen Bahnsystemen verwendet, wie in Österreich , Deutschland , Norwegen , Schweden und der Schweiz . Offshore-, Militär-, Textilindustrie-, Schiffs-, Flugzeug- und Raumfahrzeuganwendungen verwenden manchmal 400 Hz, um das Gewicht der Geräte zu reduzieren oder die Motordrehzahlen zu erhöhen. Computer- Mainframe- Systeme wurden oft mit 400 Hz oder 415 Hz betrieben, um die Welligkeit zu reduzieren, während kleinere interne AC-DC-Wandlereinheiten verwendet wurden.

Effekte bei hohen Frequenzen

Eine Tesla-Spule , die Hochfrequenzstrom erzeugt, der für den Menschen ungefährlich ist, aber eine Leuchtstofflampe entzündet , wenn sie in die Nähe gebracht wird

Ein Gleichstrom fließt gleichförmig durch den Querschnitt eines gleichförmigen Drahtes. Ein Wechselstrom beliebiger Frequenz wird von der Mitte des Drahtes weg in Richtung seiner Außenfläche gezwungen. Dies liegt daran , dass die Beschleunigung einer elektrischen Ladung in einem Wechselstrom erzeugt Wellen der elektromagnetischen Strahlung , die die Ausbreitung von Strom in Richtung der Mitte von Materialien mit hohen Abbrechen Leitfähigkeit . Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet . Bei sehr hohen Frequenzen fließt der Strom nicht mehr im Draht, sondern fließt effektiv auf der Oberfläche des Drahtes, innerhalb einer Dicke von wenigen Eindringtiefen . Die Eindringtiefe ist die Dicke, bei der die Stromdichte um 63% reduziert wird. Selbst bei relativ niedrigen Frequenzen für die Energieübertragung (50 Hz – 60 Hz) tritt in ausreichend dicken Leitern noch eine ungleichmäßige Stromverteilung auf . Zum Beispiel beträgt die Skin-Tiefe eines Kupferleiters ungefähr 8,57 mm bei 60 Hz, sodass Hochstromleiter normalerweise hohl sind, um ihre Masse und Kosten zu reduzieren. Da der Strom dazu neigt, in der Peripherie von Leitern zu fließen, wird der wirksame Querschnitt des Leiters verringert. Dies erhöht die effektive AC Widerstand des Leiters, da der Widerstand auf die Querschnittsfläche umgekehrt proportional ist. Der AC-Widerstand ist oft um ein Vielfaches höher als der DC-Widerstand, was zu einem viel höheren Energieverlust durch ohmsche Erwärmung führt (auch I 2 R-Verlust genannt).

Techniken zur Reduzierung des AC-Widerstands

Für niedrige bis mittlere Frequenzen können Leiter in gegeneinander isolierte Litzen unterteilt werden, wobei die relativen Positionen der einzelnen Litzen speziell innerhalb des Leiterbündels angeordnet sind. Ein mit dieser Technik hergestellter Draht wird Litzendraht genannt . Diese Maßnahme trägt dazu bei, den Skin-Effekt teilweise abzuschwächen, indem ein gleichmäßigerer Strom über den gesamten Querschnitt der verseilten Leiter erzwungen wird. Litzendraht wird zur Herstellung von Induktivitäten mit hohem Q verwendet , um Verluste in flexiblen Leitern zu reduzieren, die sehr hohe Ströme bei niedrigeren Frequenzen führen, und in den Wicklungen von Geräten, die höhere Hochfrequenzströme (bis zu Hunderte von Kilohertz) führen, wie z. B. Schaltnetzteile und Hochfrequenz - Transformatoren .

Techniken zur Reduzierung von Strahlungsverlusten

Wie oben geschrieben, wird ein Wechselstrom von konfektionierten elektrischer Ladung unter periodischer Beschleunigung , die bewirkt , daß Strahlung von elektromagnetischen Wellen . Abgestrahlte Energie geht verloren. Je nach Frequenz kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz, um den Strahlungsverlust zu minimieren.

Verdrillte Paare

Bei Frequenzen bis etwa 1 GHz werden Adernpaare in einem Kabel zu einem verdrillten Paar verdrillt . Dadurch werden Verluste durch elektromagnetische Strahlung und induktive Kopplung reduziert . Bei einem symmetrischen Signalsystem muss ein verdrilltes Paar verwendet werden, damit die beiden Drähte gleiche, aber entgegengesetzte Ströme führen. Jeder Draht in einem verdrillten Paar strahlt ein Signal aus, aber es wird effektiv durch die Strahlung des anderen Drahts ausgelöscht, was zu fast keinem Strahlungsverlust führt.

Koaxialkabel

Koaxialkabel werden der Einfachheit halber üblicherweise bei Audiofrequenzen und darüber verwendet. Ein Koaxialkabel hat einen leitfähigen Draht in einem leitfähigen Rohr, der durch eine dielektrische Schicht getrennt ist. Der an der Oberfläche des Innenleiters fließende Strom ist dem an der Innenoberfläche des Außenrohrs fließenden Strom gleich und entgegengesetzt. Das elektromagnetische Feld ist somit vollständig in der Röhre enthalten und (idealerweise) geht keine Energie durch Strahlung oder Kopplung außerhalb der Röhre verloren. Koaxialkabel haben akzeptabel kleine Verluste für Frequenzen bis zu etwa 5 GHz. Für Mikrowellenfrequenzen von mehr als 5 GHz werden die Verluste (hauptsächlich aufgrund des Dielektrikums, das das Innen- und Außenrohr trennt, ein nicht idealer Isolator ist) zu groß, was Wellenleiter zu einem effizienteren Medium für die Energieübertragung macht. Koaxialkabel verwenden oft eine perforierte dielektrische Schicht, um die inneren und äußeren Leiter zu trennen, um die vom Dielektrikum abgeleitete Leistung zu minimieren.

Wellenleiter

Hohlleiter ähneln Koaxialkabeln, da beide aus Rohren bestehen, mit dem größten Unterschied, dass Hohlleiter keinen Innenleiter haben. Wellenleiter können jeden beliebigen Querschnitt haben, am häufigsten sind jedoch rechteckige Querschnitte. Da Hohlleiter keinen Innenleiter haben, um einen Rückstrom zu führen, können Hohlleiter keine Energie über einen elektrischen Strom abgeben , sondern über ein geführtes elektromagnetisches Feld . Obwohl Oberflächenströme an den Innenwänden der Wellenleiter fließen, führen diese Oberflächenströme keine Leistung. Die Energie wird von den geführten elektromagnetischen Feldern getragen. Die Oberflächenströme werden durch die geführten elektromagnetischen Felder aufgebaut und bewirken, dass die Felder innerhalb des Wellenleiters gehalten werden und ein Streuen der Felder in den Raum außerhalb des Wellenleiters verhindert wird. Hohlleiter haben Abmessungen, die mit der Wellenlänge des zu übertragenden Wechselstroms vergleichbar sind, sodass sie nur bei Mikrowellenfrequenzen durchführbar sind. Zusätzlich zu dieser mechanischen Machbarkeit verursacht der elektrische Widerstand der nicht idealen Metalle, die die Wände des Wellenleiters bilden, eine Verlustleistung (Oberflächenströme, die auf verlustbehafteten Leitern fließen, führen zu einer Verlustleistung). Bei höheren Frequenzen wird die durch diese Dissipation verlorene Leistung unannehmbar groß.

Glasfaseroptik

Bei Frequenzen über 200 GHz werden die Wellenleiterabmessungen unpraktisch klein und die ohmschen Verluste in den Wellenleiterwänden werden groß. Stattdessen können Faseroptiken , die eine Form von dielektrischen Wellenleitern sind, verwendet werden. Für solche Frequenzen werden die Begriffe Spannungen und Ströme nicht mehr verwendet.

Mathematik der Wechselspannungen

Eine sinusförmige Wechselspannung.
  1. Spitze, auch Amplitude,
  2. Gipfel zu Gipfel,
  3. Effektivwert,
  4. Zeitraum
Eine Sinuswelle über einen Zyklus (360°). Die gestrichelte Linie repräsentiert den quadratischen Mittelwert (RMS) bei etwa 0,707.

Wechselströme werden von Wechselspannungen begleitet (oder verursacht). Eine Wechselspannung v lässt sich mathematisch als Funktion der Zeit durch folgende Gleichung beschreiben:

,

wo

  • ist die Spitzenspannung (Einheit: Volt ),
  • ist die Kreisfrequenz (Einheit: Radiant pro Sekunde ).
    Die Winkelfrequenz steht in Beziehung zur physikalischen Frequenz (Einheit: Hertz ), die die Anzahl der Zyklen pro Sekunde durch die Gleichung repräsentiert .
  • ist die Zeit (Einheit: Sekunde ).

Der Spitze-Spitze-Wert einer Wechselspannung ist definiert als die Differenz zwischen ihrer positiven Spitze und ihrer negativen Spitze. Da der Maximalwert von +1 und der Minimalwert –1 beträgt, pendelt eine Wechselspannung zwischen und . Die Spitze-zu-Spitze-Spannung, die normalerweise als oder geschrieben wird , ist daher .

Leistung

Das Verhältnis zwischen Spannung und abgegebener Leistung ist:

wo steht für einen Lastwiderstand.

Anstatt eine Momentanleistung zu verwenden, ist es praktischer, eine zeitlich gemittelte Leistung zu verwenden (wobei die Mittelung über eine beliebige ganze Zahl von Zyklen durchgeführt wird). Daher wird Wechselspannung oft als ausgedrückt Root Mean Square (RMS), geschrieben als , weil

Leistungsschwingung

Effektivwertspannung

Im Folgenden wird eine AC-Wellenform (ohne DC-Komponente ) angenommen.

Die Effektivspannung ist die Quadratwurzel des Mittelwerts über einen Zyklus des Quadrats der Momentanspannung.

  • Für eine willkürliche periodische Wellenform der Periode :
  • Für eine sinusförmige Spannung:
    wobei die trigonometrische Identität verwendet wurde und der Faktor als Crest-Faktor bezeichnet wird , der für verschiedene Wellenformen variiert.
  • Für eine um Null zentrierte Dreieckswellenform
  • Für eine um Null zentrierte Rechteckwellenform

Beispiele für Wechselstrom

Betrachten Sie zur Veranschaulichung dieser Konzepte eine 230-V-AC- Netzversorgung , die in vielen Ländern der Welt verwendet wird. Sie wird so genannt, weil ihr quadratischer Mittelwert 230 V beträgt. Dies bedeutet, dass die abgegebene zeitgemittelte Leistung der Leistung entspricht, die von einer Gleichspannung von 230 V geliefert wird. Um die Spitzenspannung (Amplitude) zu bestimmen, können wir die obige Gleichung zu:

Bei 230 V AC beträgt die Spitzenspannung also etwa 325 V. Im Verlauf eines Zyklus steigt die Spannung von Null auf 325 V, fällt durch Null auf -325 V und geht wieder auf Null zurück.

Informationsübermittlung

Wechselstrom wird zur Übertragung von Informationen verwendet , wie bei Telefon und Kabelfernsehen . Informationssignale werden über einen weiten Bereich von Wechselstromfrequenzen übertragen. POTS- Telefonsignale haben eine Frequenz von etwa 3 kHz, nahe der Basisband- Audiofrequenz. Kabelfernsehen und andere über Kabel übertragene Informationsströme können sich mit Frequenzen von zehn bis tausend Megahertz abwechseln. Diese Frequenzen ähneln den Frequenzen elektromagnetischer Wellen, die häufig verwendet werden, um die gleichen Arten von Informationen über die Luft zu übertragen .

Geschichte

Die erste Lichtmaschine , die Wechselstrom erzeugte, war ein Dynamogenerator nach den Prinzipien von Michael Faraday , der 1832 vom französischen Instrumentenhersteller Hippolyte Pixii konstruiert wurde. Später fügte Pixii seinem Gerät einen Kommutator hinzu , um den (damals) häufiger verwendeten Gleichstrom zu erzeugen. Die früheste dokumentierte praktische Anwendung von Wechselstrom stammt von Guillaume Duchenne , dem Erfinder und Entwickler der Elektrotherapie . 1855 verkündete er, dass Wechselstrom dem Gleichstrom für die elektrotherapeutische Auslösung von Muskelkontraktionen überlegen sei . Die Wechselstromtechnologie wurde von der ungarischen Firma Ganz Works (1870er Jahre) und in den 1880er Jahren von Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard und Galileo Ferraris weiterentwickelt .

Im Jahr 1876 erfand der russische Ingenieur Pavel Yablochkov ein Beleuchtungssystem, bei dem Sätze von Induktionsspulen entlang einer Hochspannungs-Wechselstromleitung installiert wurden. Anstatt die Spannung zu ändern, übertrugen die Primärwicklungen Strom auf die Sekundärwicklungen, die mit einer oder mehreren "elektrischen Kerzen" (Bogenlampen) seiner eigenen Konstruktion verbunden waren, um zu verhindern, dass der Ausfall einer Lampe den gesamten Stromkreis deaktivierte. 1878 begann die Ganz-Fabrik , Budapest, Ungarn, mit der Herstellung von Geräten für elektrische Beleuchtung und hatte bis 1883 über fünfzig Systeme in Österreich-Ungarn installiert. Ihre Wechselstromsysteme verwendeten Bogen- und Glühlampen, Generatoren und andere Geräte.

Transformer

Wechselstromsysteme können Transformatoren verwenden , um die Spannung von niedrigem auf hohes Niveau und zurück zu ändern, was die Erzeugung und den Verbrauch bei niedrigen Spannungen ermöglicht, aber die Übertragung möglicherweise über große Entfernungen bei hoher Spannung mit Einsparungen bei den Leiterkosten und Energieverlusten. Ein bipolarer Open-Core- Leistungstransformator, der von Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs entwickelt wurde, wurde 1881 in London vorgeführt und weckte das Interesse von Westinghouse . Sie stellten die Erfindung auch 1884 in Turin vor. Diese frühen Induktionsspulen mit offenen Magnetkreisen sind jedoch bei der Übertragung von Leistung an Lasten ineffizient . Bis etwa 1880 war das Paradigma für die Wechselstromübertragung von einer Hochspannungsversorgung zu einer Niederspannungslast eine Reihenschaltung. Transformatoren mit offenem Kern mit einem Verhältnis nahe 1:1 wurden mit ihren Primärteilen in Reihe geschaltet, um die Verwendung einer hohen Spannung für die Übertragung zu ermöglichen, während den Lampen eine niedrige Spannung zugeführt wird. Der inhärente Fehler dieser Methode bestand darin, dass das Ausschalten einer einzelnen Lampe (oder eines anderen elektrischen Geräts) die Spannung beeinflusste, die allen anderen im selben Stromkreis zugeführt wurde. Um diese problematische Eigenschaft der Reihenschaltung zu kompensieren, wurden viele einstellbare Transformatorkonstruktionen eingeführt, einschließlich solcher, die Methoden zur Anpassung des Kerns oder zur Umgehung des Magnetflusses um einen Teil einer Spule verwenden. Die Gleichstromsysteme hatten diese Nachteile nicht, was ihnen erhebliche Vorteile gegenüber frühen Wechselstromsystemen verlieh.

Pioniere

Das ungarische "ZBD"-Team ( Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy , Miksa Déri ), Erfinder des ersten hocheffizienten Transformators mit geschlossenem Nebenschluss
Der Prototyp des ZBD-Transformators auf der Széchenyi István Memorial Exhibition, Nagycenk in Ungarn

Im Herbst 1884 stellten Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy und Miksa Déri (ZBD), drei Ingenieure der Ganz-Werke in Budapest, fest, dass Open-Core-Geräte unpraktisch sind, da sie die Spannung nicht zuverlässig regulieren können. In ihren gemeinsamen Patentanmeldungen von 1885 für neuartige Transformatoren (später ZBD-Transformatoren genannt) beschrieben sie zwei Konstruktionen mit geschlossenen Magnetkreisen, bei denen Kupferwicklungen entweder um einen Ringkern aus Eisendrähten gewickelt oder von einem Kern aus Eisendrähten umgeben waren. Bei beiden Konstruktionen bewegte sich der Magnetfluss, der die Primär- und Sekundärwicklungen verbindet, fast vollständig innerhalb der Grenzen des Eisenkerns, ohne absichtlichen Weg durch die Luft (siehe Ringkerne ). Die neuen Transformatoren waren 3,4-mal effizienter als die bipolaren Geräte mit offenem Kern von Gaulard und Gibbs. Die Ganz-Fabrik lieferte 1884 die weltweit ersten fünf hocheffizienten Wechselstromtransformatoren. Dieses erste Gerät wurde nach folgenden Spezifikationen gefertigt: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, Übersetzung 1,67:1, einphasig, Schalenform.

Die ZBD-Patente beinhalteten zwei weitere wichtige, miteinander verbundene Innovationen: eine bezüglich der Verwendung von parallel geschalteten anstelle von in Reihe geschalteten Verbraucherlasten, die andere bezüglich der Möglichkeit, Transformatoren mit hohem Windungsverhältnis zu haben, so dass die Versorgungsnetzspannung viel höher sein konnte (anfänglich 1400 V bis 2000 V) als die Spannung von Nutzlasten (vorerst 100 V bevorzugt). Beim Einsatz in parallel geschalteten elektrischen Verteilungssystemen machten Kerntransformatoren es endlich technisch und wirtschaftlich möglich, elektrische Energie für die Beleuchtung von Wohnungen, Geschäften und öffentlichen Plätzen bereitzustellen. Bláthy hatte die Verwendung geschlossener Kerne vorgeschlagen, Zipernowsky hatte die Verwendung paralleler Nebenschlussverbindungen vorgeschlagen und Déri hatte die Experimente durchgeführt; Ein weiterer wesentlicher Meilenstein war die Einführung von „spannungsquellen-spannungsintensiven“ (VSVI)-Systemen“ durch die Erfindung der Konstantspannungsgeneratoren im Jahr 1885. Anfang 1885 beseitigten die drei Ingenieure auch das Problem der Wirbelstromverluste mit der Erfindung des Laminieren von elektromagnetischen Kernen. Ottó Bláthy erfand auch den ersten AC Stromzähler .

Das Wechselstromsystem wurde nach 1886 schnell entwickelt und eingeführt, da es Strom effizient über weite Entfernungen verteilen und die Einschränkungen des Gleichstromsystems überwinden konnte . 1886 entwarfen die ZBD-Ingenieure das weltweit erste Kraftwerk , das Wechselstromgeneratoren verwendet, um ein parallel geschaltetes gemeinsames Stromnetz zu versorgen, das dampfbetriebene Kraftwerk Rom-Cerchi. Die Zuverlässigkeit der Wechselstromtechnik erhielt Auftrieb, nachdem die Ganz Werke 1886 eine große europäische Metropole elektrifizierten: Rom .

Westinghouse Early AC System 1887
( US-Patent 373035 )

In Großbritannien entwarf Sebastian de Ferranti , der seit 1882 Wechselstromgeneratoren und Transformatoren in London entwickelt hatte, 1886 das Wechselstromsystem im Kraftwerk Grosvenor Gallery für die London Electric Supply Corporation (LESCo) neu, einschließlich Wechselstromgeneratoren und Transformatoren Designs ähnlich wie Gaulard und Gibbs. Im Jahr 1890 entwarf er ihr Kraftwerk in Deptford und wandelte die Grosvenor Gallery Station jenseits der Themse in ein elektrisches Umspannwerk um , was den Weg zeigte, ältere Anlagen in ein universelles Wechselstromversorgungssystem zu integrieren.

In den USA entwarf William Stanley, Jr. eines der ersten praktischen Geräte zur effizienten Übertragung von Wechselstrom zwischen isolierten Stromkreisen. Unter Verwendung von Spulenpaaren , die auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, war sein Design, das als Induktionsspule bezeichnet wird , ein früher Transformator . Stanley arbeitete auch an der Entwicklung und Anpassung europäischer Designs wie dem Gaulard- und Gibbs-Transformator für den US-Unternehmer George Westinghouse, der 1886 mit dem Bau von Wechselstromsystemen begann. Die Verbreitung von Westinghouse und anderen Wechselstromsystemen löste Ende 1887 einen Rückschlag durch Thomas Edison (ein Befürworter von Gleichstrom), die in einer öffentlichen Kampagne namens " Krieg der Ströme " versuchten, Wechselstrom als zu gefährlich zu diskreditieren . Im Jahr 1888 gewannen Wechselstromsysteme mit der Einführung eines funktionsfähigen Wechselstrommotors weitere Lebensfähigkeit , was diesen Systemen bis dahin fehlte. Das Design, ein Induktionsmotor , wurde unabhängig von Galileo Ferraris und Nikola Tesla erfunden (wobei Teslas Design von Westinghouse in den USA lizenziert wurde). Dieses Design wurde von Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Charles Eugene Lancelot Brown zur modernen praktischen Dreiphasenform weiterentwickelt . und Jonas Wenström .

Das Ames Hydroelectric Generating Plant und das ursprüngliche Niagara Falls Adams Power Plant gehörten zu den ersten hydroelektrischen Wechselstromkraftwerken. Die erste Fernübertragung von einphasigem Strom erfolgte von einem Wasserkraftwerk in Oregon bei Willamette Falls, das 1890 Strom für die Straßenbeleuchtung 14 Meilen flussabwärts in die Innenstadt von Portland schickte. 1891 wurde in Telluride Colorado ein zweites Übertragungssystem installiert. Der San Antonio Canyon Generator war das dritte kommerzielle einphasige Wechselstromkraftwerk in den Vereinigten Staaten, das Fernstrom lieferte. Es wurde am 31. Dezember 1892 von Almarian William Decker fertiggestellt , um die Stadt Pomona, Kalifornien , die 22 km entfernt war , mit Strom zu versorgen . Im Jahr 1893 entwarf er das erste kommerzielle Drehstromkraftwerk in den Vereinigten Staaten mit Wechselstrom – das Wasserkraftwerk Mill Creek No. 1 Hydroelectric Plant in der Nähe von Redlands, Kalifornien . Das Design von Decker beinhaltete eine 10-kV-Drehstromübertragung und setzte die Standards für das heute verwendete Gesamtsystem aus Erzeugung, Übertragung und Motoren. Das Wasserkraftwerk Jaruga in Kroatien wurde am 28. August 1895 in Betrieb genommen. Die beiden Generatoren (42 Hz, je 550 kW) und die Transformatoren wurden von der ungarischen Firma Ganz hergestellt und installiert . Die Übertragungsleitung vom Kraftwerk zur Stadt Šibenik war auf Holztürmen 11,5 Kilometer lang, und das städtische Verteilernetz 3000 V/110 V umfasste sechs Umspannwerke. Die Wechselstromkreistheorie entwickelte sich in der zweiten Hälfte des 19. und frühen 20. Jahrhunderts rasant. Bemerkenswerte Beiträge zur theoretischen Grundlage von Wechselstromberechnungen sind Charles Steinmetz , Oliver Heaviside und viele andere. Berechnungen in unsymmetrischen Drehstromsystemen wurden durch die 1918 von Charles Legeyt Fortescue diskutierten Methoden der symmetrischen Komponenten vereinfacht .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Willam A. Meyers, History and Reflections on the Way Things Were: Mill Creek Power Plant – Making History with AC , IEEE Power Engineering Review, Februar 1997, S. 22–24

Externe Links