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

Zu unseren Spartarifen
Zu unseren Angeboten
Inhaltsverzeichnis:

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

 

Merk’s dir!

“So wird in der Signaltechnik und der Energietechnik in Hinblick aus Erzeugung, Umwandlung, Übertragung und Nutzung von elektrischer Energie fast vollständig auf das Prinzip der Wechselstromtechnik gesetzt.”

Wechselstromtechnik Grundlagen
Wechselstromtechnik Grundlagen

 

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.

 

AC? – Yes, please!…

Die internationale Bezeichnung für einen Wechselstrom ist alternating current kurz AC. Aber aufgepasst,  das AC wird auch für die Wechselspannung genutzt. 

 

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. 

 

WOW, so viel?

Der Wechselstrom ist in unserer heutigen Welt die wichtigste Form des elektrischen Stroms. Dessen Anteil an der Erzeugung, Umwandlung und Übertragung macht etwas weniger als 99 % aus.

 

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.

 

Merk’s dir!

Der Vorteil dieser Stromtechnik liegt darin, dass eine sehr einfache und besonders verlustarme Umwandlung mit Hilfe eines Transformators auf beliebige Spannungswerte möglich ist. 

 

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:

 

Wechselstromtechnik - Gleichspannung, Wechselspannung
Wechselstromtechnik – Gleichspannung, Wechselspannung

 

Was zeichnet einen Wechselstrom aus?

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

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

 

Periodisches Wechselstromverhalten

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

i (t) = i (t + k \cdot T)

 

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:

\overline{i} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} i(t) dt = 0

 

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:

Wechselstromtechnik - Wechselstrom
Wechselstrom

 

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. 

Warum denn nur?…

Der Grund hierfür liegt darin, dass der Aufwand für die Konstruktion von elektrischen Maschinen sowie Geräten somit minimal wird. So muss die Maschine oder das Gerät immer nur für eine Frequenz ausgelegt werden. 

 

Merk’s dir!

Im Rahmen dieses Kurses halten wir es weitestgehend einfach und betrachten in den zukünftigen Kurstexten immer sinusförmige Wechselströme und Wechselspannungen. 

 

Sinuskurve – Verlauf und Grundgrößen

In der nächsten Abbildung ist dieser sinusförmige Verlauf dargestellt:

 

Wechselstromtechnik - Sinuskurve
 Sinuskurve

 

Wo kommt was hin?…

  • Auf der Abzisse (x-Achse) wird zumeist die Zeit aufgetragen, alternativ der Winkel \omega t.
  • Auf der Ordinate (y-Achse) wird hingegen der Wechselstrom oder die Wechselspannung aufgetragen. 

 

Größen, Formeln, Berechnungen

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

Wechselstromtechnik - Wechselgrößen
Wechselstromtechnik – Wechselstromgrößen

 

Grundgößen/Kennzahlen:

  i = Augenblickswert (des elektrischen Stroms)

  \hat{i} = Amplitude oder Scheitelwert (des elektrischen Stroms)

  \omega = Kreisfrequenz (griechischer Buchstabe Omega (klein))

  f = Frequenz

  T = Periodendauer

\varphi_i = Nullphasenwinkel

 

Frequenz und Kreisfrequenz

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

 

Frequenz – Formel

Die Frequenz f berechnet sich einfach als Kehrwert der Periodendauer.

f = \frac{1}{T}

 

Kreisfrequenz – Formel

Die Kreisfrequenz \omega berechnet sich aus dem Produkt von Frequenz f und Kreiszahl \pi multipliziert mit dem Faktor 2.

\omega = 2 \pi \cdot f

Ausgehend von der Gleichung zur Frequenz, lässt sich die Kreisfrequenz auch aus dem Quotienten von Kreiszahl \pi und Periodendauer T multipliziert mit dem Faktor 2 ermitteln.

\omega = 2 \frac{\pi}{T} = \frac{2 \pi}{T}

 

Wechselstromtechnik – Zusammenfassung

Bitte nicht vergessen!…

Ein Wechselstrom kennzeichnet sich durch drei Kriterien, bzw. Größen:

  1. –  Amplitude \hat{I}
  2. –  Frequenz f
  3. Nullphasenwinkel \varphi_i

“Sind alle drei Werte bei zwei unterschiedliche Wechselströme gleich, dann sind sie auch wirklich identisch.” 

 

Auch dies Bitte nicht vergessen!…

Ein Sinusnetzwerk besitzt folgende Eigenschaften:

  1. Die Sinusgrößen (Spannung oder Strom) besitzen ausgehend von den Quellen die gleiche Frequenz.
  2. Auch ein Vielfaches der Periodendauer führt dazu, dass der arithmetische Mittelwert der Wechselstromgröße den Wert Null aufweist.

 

Was kommt als Nächstes?

Im nächsten Kurstext betrachten wir die Grundgrößen der Wechselstromtechnik und erklären dir was du hierzu beachten musst.

Was gibt es noch bei uns?

Optimaler Lernerfolg durch tausende Übungsaufgaben

 

Übungsbereich (Demo) - Lerne mit mehr als 4000 Übungsaufgaben für deine Prüfungen
Übungsbereich (Demo) – Lerne mit mehr als 4000 Übungsaufgaben für deine Prüfungen

 

Quizfrage 1

 

Quizfrage 2

 

“Wusstest du, dass unter jedem Kursabschnitt eine Vielzahl von verschiedenen interaktiven Übungsaufgaben bereitsteht, mit denen du deinen aktuellen Wissensstand überprüfen kannst?”  

Alle Technikerschulen im Überblick

Zum Verzeichnis der Technikerschulen (Alles Rund um die Schulen)
Zum Verzeichnis der Technikerschulen

 

Kennst du eigentlich schon unser großes Technikerschulen-Verzeichnis für alle Bundesländer mit allen wichtigen Informationen (Studiengänge, Kosten, Anschrift, Routenplaner, Social-Media) ? Nein? – Dann schau einfach mal hinein:   

 

Was ist Technikermathe?

Unser Dozent Jan erklärt es dir in nur 2 Minuten!

Oder direkt den > kostenlosen Probekurs < durchstöbern? – Hier findest du Auszüge aus jedem unserer Kurse!

Geballtes Wissen in derzeit 26 Kursen

Hat dir dieses Thema gefallen?Ja? – Dann schaue dir auch gleich die anderen Themen zu den Kursen 

WT3 (Werkstoffprüfung) und
TM1 (Technische Mechanik – Statik) an. 

Lerne nun erfolgreich mit unserem Onlinekurs Technische Mechanik 1
TM1 (Technische Mechanik)
Lerne nun erfolgreich mit unserem Onlinekurs Werkstofftechnik 3
WT3 (Werkstoffprüfung)

 

Perfekte Prüfungsvorbereitung für nur 14,90 EUR/Jahr pro Kurs

++ Günstiger geht’s nicht!! ++

 

 

Oder direkt Mitglied werden und Zugriff auf alle 26 Kurse  (inkl.  Webinare  + Unterlagen) sichern ab 7,40 EUR/Monat  ++ Besser geht’s nicht!! ++  

 

Social Media? - Sind wir dabei!

Kennst du eigentlich schon unseren YouTube-Channel? – Nein? – Dann schau super gerne vorbei:

Technikermathe auf Youtube 

Mehr Videos zu allen Themen des Ingenieurwesens auf Youtube

  Immer auf dem neuesten Stand sein? – Ja? – Dann besuche uns doch auch auf

Technikermathe auf Instagram 

Sei immer auf dem neuesten Stand und besuche uns auf Instagram

Technikermathe auf Facebook

Sei immer auf dem neuesten Stand und besuche uns auf Facebook

Dein Technikermathe.de-Team

Zu unseren Kursen
Zu unseren Kursen