Wat is wisselstroom (AC)?

De meeste studenten elektriciteit beginnen hun studie met wat bekend staat als gelijkstroom (DC), wat elektriciteit is die in een constante richting stroomt en/of een spanning heeft met constante polariteit.

DC is het soort elektriciteit dat wordt opgewekt door een batterij (met duidelijke positieve en negatieve polen), of het soort lading dat wordt gegenereerd door bepaalde soorten materialen tegen elkaar te wrijven.

Wisselstroom versus gelijkstroom

Hoe nuttig en zo gemakkelijk te begrijpen gelijkstroom ook is, het is niet de enige "soort" elektriciteit die wordt gebruikt. Bepaalde elektriciteitsbronnen (met name roterende elektromechanische generatoren) produceren van nature spanningen die in polariteit wisselen, waarbij ze in de loop van de tijd positief en negatief omkeren.

Ofwel als een spanningsschakelpolariteit of als een stroomschakelrichting heen en weer, dit "soort" elektriciteit staat bekend als wisselstroom (AC):

Direct versus wisselstroom

Terwijl het bekende batterijsymbool wordt gebruikt als algemeen symbool voor gelijkstroomspanningsbronnen, is de cirkel met de golvende lijn erin het algemene symbool voor gelijkstroomspanningsbronnen.

Je kunt je afvragen waarom iemand zich druk zou maken over zoiets als AC. Het is waar dat AC in sommige gevallen geen praktisch voordeel heeft ten opzichte van DC.

In toepassingen waarbij elektriciteit wordt gebruikt om energie in de vorm van warmte af te voeren, is de polariteit of richting van de stroom niet relevant, zolang er maar voldoende spanning en stroom naar de belasting is om de gewenste warmte te produceren (vermogensdissipatie). Met wisselstroom is het echter mogelijk om elektrische generatoren, motoren en stroomdistributiesystemen te bouwen die veel efficiënter zijn dan gelijkstroom, en dus zien we dat wisselstroom overwegend over de hele wereld wordt gebruikt in toepassingen met hoog vermogen.

Om de details uit te leggen waarom dit zo is, is wat achtergrondkennis over AC nodig.

AC-alternatoren

Als een machine is geconstrueerd om een ​​magnetisch veld rond een set stationaire draadspoelen te draaien met het draaien van een as, zal er wisselspanning worden geproduceerd over de draadspoelen terwijl die as wordt geroteerd, in overeenstemming met de wet van Faraday van elektromagnetische inductie.

Dit is het basiswerkingsprincipe van een AC-generator, ook bekend als een alternator :Afbeelding hieronder

Alternatorwerking

Merk op hoe de polariteit van de spanning over de draadspoelen omkeert als de tegenovergestelde polen van de roterende magneet voorbij komen.

Verbonden met een belasting, zal deze omkerende spanningspolariteit een omkering van de stroomrichting in het circuit creëren. Hoe sneller de as van de dynamo wordt gedraaid, hoe sneller de magneet zal draaien, wat resulteert in een wisselspanning en -stroom die in een bepaalde tijd vaker van richting verandert.

Hoewel DC-generatoren volgens hetzelfde algemene principe van elektromagnetische inductie werken, is hun constructie niet zo eenvoudig als hun AC-tegenhangers.

Bij een gelijkstroomgenerator wordt de draadspoel in de as gemonteerd waar de magneet zich op de wisselstroomdynamo bevindt, en elektrische verbindingen worden met deze draaiende spoel gemaakt via stationaire koolborstels die contact maken met koperen strips op de roterende as.

Dit alles is nodig om de veranderende uitgangspolariteit van de spoel om te schakelen naar het externe circuit, zodat het externe circuit een constante polariteit ziet:

DC-generatorwerking

De hierboven getoonde generator zal twee spanningspulsen per omwenteling van de as produceren, beide pulsen in dezelfde richting (polariteit). Om ervoor te zorgen dat een DC-generator constante spanning, in plaats van eens per 1/2 omwenteling korte spanningspulsen, zijn er meerdere sets spoelen die intermitterend contact maken met de borstels.

Het bovenstaande diagram is iets eenvoudiger dan wat u in het echt zou zien.

De problemen bij het maken en verbreken van elektrisch contact met een bewegende spoel zouden duidelijk moeten zijn (vonken en hitte), vooral als de as van de generator met hoge snelheid ronddraait. Als de atmosfeer rond de machine ontvlambare of explosieve dampen bevat, zijn de praktische problemen van vonkproducerende borstelcontacten nog groter.

Een AC-generator (dynamo) heeft geen borstels en commutators nodig om te werken, en is dus immuun voor deze problemen die DC-generatoren ondervinden.

AC-motoren

De voordelen van AC boven DC met betrekking tot generatorontwerp worden ook weerspiegeld in elektromotoren.

Terwijl DC-motoren het gebruik van borstels vereisen om elektrisch contact te maken met bewegende draadspoelen, doen AC-motoren dat niet. In feite lijken AC- en DC-motorontwerpen erg op hun generator-tegenhangers (identiek omwille van deze tutorial), waarbij de AC-motor afhankelijk is van het omkerende magnetische veld dat wordt geproduceerd door wisselstroom door zijn stationaire draadspoelen om de roterende magneet te roteren rond op zijn as, en de gelijkstroommotor is afhankelijk van de borstelcontacten die verbindingen maken en verbreken om de stroom door de roterende spoel elke 1/2 omwenteling (180 graden) om te keren.

Transformers

We weten dus dat wisselstroomgeneratoren en wisselstroommotoren doorgaans eenvoudiger zijn dan gelijkstroomgeneratoren en gelijkstroommotoren. Deze relatieve eenvoud vertaalt zich in een grotere betrouwbaarheid en lagere fabricagekosten. Maar waar is AC nog meer goed voor? Er moet toch meer aan de hand zijn dan ontwerpdetails van generatoren en motoren! Dat is er inderdaad.

Er is een effect van elektromagnetisme dat bekend staat als wederzijdse inductie , waarbij twee of meer draadspoelen zo worden geplaatst dat het veranderende magnetische veld dat door de ene wordt gecreëerd, een spanning in de andere induceert. Als we twee onderling inductieve spoelen hebben en we bekrachtigen een spoel met wisselstroom, dan creëren we een wisselspanning in de andere spoel. Bij gebruik als zodanig staat dit apparaat bekend als een transformator :

Transformator "transformeert" wisselspanning en -stroom.

De fundamentele betekenis van een transformator is het vermogen om de spanning van de gevoede spoel naar de niet-aangedreven spoel te verhogen of te verlagen. De wisselspanning die wordt geïnduceerd in de niet-aangedreven ("secundaire") spoel is gelijk aan de wisselspanning over de gevoede ("primaire") spoel vermenigvuldigd met de verhouding van secundaire spoelwindingen tot primaire spoelwindingen.

Als de secundaire spoel een belasting voedt, is de stroom door de secundaire spoel precies het tegenovergestelde:primaire spoelstroom vermenigvuldigd met de verhouding tussen primaire en secundaire windingen. Deze relatie heeft een zeer nauwe mechanische analogie, waarbij koppel en snelheid worden gebruikt om respectievelijk spanning en stroom weer te geven:

Snelheidsvermenigvuldiging tandwieltrein verlaagt koppel en versnelt. Step-down transformator stapt spanning omlaag en stroom omhoog.

Als de wikkelverhouding wordt omgekeerd zodat de primaire spoel minder windingen heeft dan de secundaire spoel, "verhoogt" de transformator de spanning van het bronniveau naar een hoger niveau bij de belasting:

Snelheidsreductietandwieltrein verhoogt het koppel en verlaagt de snelheid. Step-up transformator verhoogt de spanning en de stroom omlaag.

Het vermogen van de transformator om de AC-spanning gemakkelijk omhoog of omlaag te brengen, geeft AC een voordeel dat ongeëvenaard is door DC op het gebied van stroomdistributie in onderstaande afbeelding.

Bij het overbrengen van elektrisch vermogen over lange afstanden is het veel efficiënter om dit te doen met verhoogde spanningen en verlaagde stromen (draad met een kleinere diameter met minder weerstandsvermogensverliezen), en vervolgens de spanning terug te verlagen en de stroom weer omhoog te brengen voor industrie, zakelijk of consumentengebruik.

Transformers zorgen voor een efficiënte overdracht van elektrische energie over lange afstanden onder hoogspanning.

Transformatortechnologie heeft de distributie van elektrische energie over lange afstand praktisch gemaakt. Zonder de mogelijkheid om de spanning efficiënt op en neer te zetten, zou het onbetaalbaar zijn om stroomsystemen te bouwen voor alles behalve gebruik op korte afstand (binnen een straal van maximaal enkele kilometers).

Hoe nuttig transformatoren ook zijn, ze werken alleen met wisselstroom, niet met gelijkstroom. Omdat het fenomeen van wederzijdse inductie afhankelijk is van verandering magnetische velden en gelijkstroom (DC) kunnen alleen stabiele magnetische velden produceren, transformatoren werken gewoon niet met gelijkstroom.

Natuurlijk kan gelijkstroom worden onderbroken (gepulseerd) door de primaire wikkeling van een transformator om een ​​veranderend magnetisch veld te creëren (zoals wordt gedaan in auto-ontstekingssystemen om hoogspanningsbougies te produceren uit een laagspannings-gelijkstroombatterij), maar gepulseerde gelijkstroom is niet zo verschillend van wisselstroom.

Misschien meer dan welke andere reden dan ook, is dit de reden waarom AC zo wijdverbreid wordt toegepast in energiesystemen.

BEOORDELING:

• DC staat voor 'Direct Current', dat wil zeggen spanning of stroom die in de loop van de tijd respectievelijk een constante polariteit of richting behoudt.
• AC staat voor "Alternating Current", wat betekent dat spanning of stroom in de loop van de tijd van respectievelijk polariteit of richting verandert.
• elektromechanische wisselstroomgeneratoren, bekend als alternators , zijn eenvoudiger van constructie dan elektromechanische gelijkstroomgeneratoren.
• Het ontwerp van AC- en DC-motoren volgt de respectieve ontwerpprincipes van de generator zeer nauw.
• Een transformator is een paar onderling inductieve spoelen die worden gebruikt om wisselstroom van de ene spoel naar de andere te transporteren. Vaak wordt het aantal windingen in elke spoel ingesteld om een ​​spanningstoename of -afname te creëren van de gevoede (primaire) spoel naar de niet-aangedreven (secundaire) spoel.
• Secundaire spanning =Primaire spanning (secundaire windingen / primaire windingen)
• Secundaire stroom =Primaire stroom (primaire windingen / secundaire windingen)

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Basiswerkblad AC-DC-voedingen
• Werkblad Step-up, Step-down en isolatietransformatoren