Was ist ein Wechselstromkreis?

Grundlagen der Wechselstromkreise

Ein Wechselstromkreis ist definiert als ein Kreis, der von einer Wechselstromquelle gespeist wird. Wechselstrom (AC) wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften in Haushalts- und Industrieanwendungen weit verbreitet eingesetzt: Im Gegensatz zu Gleichstrom variieren sowohl die Größe als auch die Richtung von Strom und Spannung in einem Wechselstromkreis periodisch über die Zeit.

Wechselstrom-Schwingungen folgen typischerweise einem sinusförmigen Muster, wobei eine Schwingung mit gleichen positiven und negativen Halbzyklen abgeschlossen wird. Dieses Verhalten wird mathematisch als Funktion der Zeit (t) oder des Winkels (θ = ωt) beschrieben, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit darstellt.

Impedanz in Wechselstrom- versus Gleichstromkreisen

• In Gleichstromkreisen stammt der Stromwiderstand ausschließlich aus dem Widerstand (R).

• In Wechselstromkreisen entsteht der Widerstand durch:

• Widerstand (R)

• Induktive Blindwirkung (XL = 2πfL), wobei L die Induktivität und f die Frequenz ist

• Kapazitive Blindwirkung (XC = 1/(2πfC)), wobei C die Kapazität ist

Phasenbeziehungen in Wechselstromsystemen

In Wechselstromkreisen werden Strom und Spannung durch ihre Größe und Phasenwinkel charakterisiert. Ihre Phasenausrichtung hängt von den Kreisparametern (R, L, C) ab. Sinusförmige Größen wie Spannung und Strom ändern sich mit dem Sinus des Winkels θ, was sie grundlegend für die Analyse von Wechselstromsystemen macht.

Vorteile sinusförmiger Schwingungen in der Energieerzeugung

Sinusförmige Spannungen und Ströme werden weltweit für die Energieerzeugung bevorzugt, da:

• Eisen- und Kupferverluste in Transformatoren und rotierenden Maschinen reduziert werden, was die Effizienz steigert.

• Störungen benachbarter Kommunikationssysteme minimiert werden.

• Störungspegel in elektrischen Kreisen niedriger sind.

Dynamik von Wechselspannung und -strom

Schwingung von Wechselspannung und Widerstandsstrom

Die Schwingung der Wechselspannung über die Zeit und der durch den Widerstand (R) im Kreis fließende Strom sind unten dargestellt:

Arten von Wechselstromkreisen und Schlüsselterminologie
Klassifizierung von Wechselstromkreisen

Wechselstromkreise werden basierend auf ihrer Komponentenkonfiguration eingeteilt:

• Reine Widerstands-(R)-Kreise

• Reine Kapazitäts-(C)-Kreise

• Reine Induktivitäts-(L)-Kreise

• RL-Kombinationen (Widerstand-Induktivität)

• RC-Kreise (Widerstand-Kapazität)

• LC-Kreise (Induktivität-Kapazität)

• RLC-Kreise (Widerstand-Induktivität-Kapazität)

Wichtige Begriffe in Wechselstromkreisen

• Amplitude:Der maximale positive oder negative Wert einer wechselnden Größe innerhalb eines Zyklus, auch bekannt als Spitzenwert oder Maximalwert. Symbolisiert durch Em/Vm für Spannung und Im für Strom.

• Alternation:Ein Halbzylkus einer wechselnden Schwingung, entspricht 180° elektrisch.

• Zyklus:Eine vollständige Reihe von positiven und negativen Werten einer wechselnden Größe, gleichbedeutend mit 360° elektrisch.

• Momentanwert:Die Spannungs- oder Stromgröße zu einem bestimmten Zeitpunkt, bezeichnet durch e (Spannung) oder i (Strom).

• Frequenz (f): Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde einer wechselnden Größe, gemessen in Hertz (Hz).

• Zeitperiode (T):Die Dauer in Sekunden, um einen Zyklus einer Spannungs- oder Stromschwingung abzuschließen.

• Schwingung:Eine grafische Darstellung, die die momentanen Werte einer wechselnden Größe (Spannung/Strom) auf der y-Achse gegen die Zeit (t) oder den Winkel (θ = ωt) auf der x-Achse plottet.

Eine Wechselspannung kehrt regelmäßig Pol und Größe um, während der Wechselstrom entsprechend – die Richtung und Amplitude mit der Zeit ändert. Wenn eine Wechselspannungsquelle an eine ohmsche Last angeschlossen wird (wie unten dargestellt), fließt der Strom in einer Richtung während des positiven Halbzylkus und kehrt seine Richtung während des negativen Halbzylkus, wodurch die Polaritätsänderungen der Quelle nachgebildet werden.