(ET5-02) Wechselstromtechnik – Eigenschaften (Basics, Erklärung, Formeln, Unterschieden)

In diesem Kurstext stellen wir dir im ersten Schritt die Eigenschaften der Wechselstromtechnik Grundlagen (Basics) vor. 

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET6-Wechselstromtechnik 1

Die Vertiefung der Wechselstromtechnik findest du im Kurs: ET7-Wechselstromtechnik 2

 

 

Wechselstromtechnik Grundlagen

In den bisherigen Kurseinheiten ET1-ET5 sind wir in unseren Berechnungen und Betrachtungen beinahe immer von Gleichstromnetzwerken ausgegangen. Viele dieser Berechnungen tauchen auch in der Wechselstromtechnik auf. 

Diese Stromnutzung entstand im späten 19. Jahrhundert als eine bahnbrechende Innovation in der Elektrotechnik. Der serbische Ingenieur und Erfinder Nikola Tesla spielte eine zentrale Rolle in ihrer Entwicklung.

Durch seine Arbeiten konnte Wechselstrom als effiziente Methode zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen etabliert werden. Die grundlegende Idee hinter der Wechselstromtechnik beruht auf der Nutzung von sich periodisch ändernden elektrischen Strömen, um Energie über lange Strecken zu transportieren.

Dies ermöglichte die Entstehung eines weitreichenden Stromnetzes, das die Grundlage für die moderne Elektrifizierung legte. Heutzutage ist Wechselstrom die vorherrschende Form der Stromübertragung und wird weltweit in Haushalten, Industrie und Infrastruktur eingesetzt.

 

 

Neu ist nun, dass der Wechselstrom seine Richtung oder auch Polung ändert und sich dieser Vorgang in regelmäßigen Abständen wiederholt. Die positiven und negativen Augenblickswerte ergänzen sich dabei so, dass der Strom im arithmetischen Mittel den Wert 0 annimmt. 

 

 

Anders als bei der Gleichstromtechnik sind Ströme und Spannung nicht mehr konstant, sondern zeitlich veränderlich. Wir unterscheiden:

• Periodisch verlaufende Ströme und Spannung haben zumeist einen sinusförmigen Verlauf und kommen vorrangig in der Energietechnik zum Einsatz, weshalb man hier auch von der Sinusstromtechnik spricht. 
• Nicht periodische Signale sind Gegenstand der Informationstechnik. Hier kommen besonders Hochfrequente Wechselströme zum Einsatz.

 

 

Abseits der Industrie, also im Haushaltsbereich ist der Einphasenwechselstrom üblich. 

 

Wechselstromtechnik – Wechselstrom versus Gleichstrom

Ein Gleichstrom fließt immer in die gleiche Richtung und die zugehörige Spannung ist immer gleich groß und verändert sich dabei nicht. Beim Wechselstrom ist dies jedoch anders. Hier ändert sich die Strom und die zugehörige Spannung ist zu jedem Zeitpunkt eine anderen. 

 

Der unterschiedliche Verlauf von Gleichspannung und Wechselspannung ist in der nächsten Abbildung dargestellt:

 

 

Was zeichnet einen Wechselstrom aus?

Ein Strom muss zwei Bedingungen erfüllen um als Wechselstrom angesehen zu werden. 

1. Größe und Richtung des Wechselstroms ändern sich periodisch mit der Zeit .  Ist die Periodendauer beendet, wiederholt sich der Verlauf der zeitlichen Änderung. 
2. Betrachtet man genau eine Periodendauer, so muss der arithmetische Mittelwert der Wechselgröße für diesen Zeitraum Null ergeben.

 

Periodisches Wechselstromverhalten

Um die beschriebene Eigenschaft (1.) der Wiederholung formal zu beschreiben, eignet sich die nachfolgende Gleichung:

 

Arithmetischer Mittelwert

Der arithmetische Mittelwert ist bei einer Periodendauer Null. Auch wenn man das Vielfache einer vollständigen Periodendauer betrachtet, so ergibt sich immer ein Wert von Null. Formal äußert sich das dann wie folgt:

 

Wechselstromtechnik – Sinusnetzwerke

Zuerst verschaffen wir dir einen Überblick bezüglich der grafischen Darstellung von Wechselströmen und Wechselspannung um dir anschließend die relevanten Gleichungen vorzustellen.

 

Grafische Darstellung

In der nachfolgenden Abbildung siehst du den typischen zeitlichen Verlauf eines Wechselstroms:

 

Vorteile einer Sinusfunktion

Dieser Verlauf (obige Abbildung) ist beliebig und darf es auch sein, wenn die beiden obigen Bedingungen erfüllt sind.

Innerhalb der Starkstromtechnik (Teilbereich der Energietechnik) strebt man jedoch immer den zeitlichen Verlauf in Form von einer Sinusfunktion (nächste Abbildung) für elektrische Ströme und Spannung an. 

 

 

Sinuskurve – Verlauf und Grundgrößen

In der nächsten Abbildung ist dieser sinusförmige Verlauf dargestellt:

 

 

 

Größen, Formeln, Berechnungen

Nachfolgend findest du eine Übersicht der Größen die im Koordinatensystem eingezeichnet sind und sich aus diesem auslesen lassen.

 

Grundgößen/Kennzahlen:

Augenblickswert (des elektrischen Stroms)

Amplitude oder Scheitelwert (des elektrischen Stroms)

Kreisfrequenz (griechischer Buchstabe Omega (klein))

Frequenz

Periodendauer

Nullphasenwinkel

 

Frequenz und Kreisfrequenz

Die Werte für die Frequenz und die Kreisfrequenz können mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen ermittelt werden:

 

Frequenz – Formel

Die Frequenz berechnet sich einfach als Kehrwert der Periodendauer.

 

Kreisfrequenz – Formel

Die Kreisfrequenz berechnet sich aus dem Produkt von Frequenz und Kreiszahl multipliziert mit dem Faktor .

Ausgehend von der Gleichung zur Frequenz, lässt sich die Kreisfrequenz auch aus dem Quotienten von Kreiszahl und Periodendauer multipliziert mit dem Faktor ermitteln.

 

Wechselstromtechnik – Zusammenfassung

 

 

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