Wisselstroom

Wisselstroom (WS) is 'n elektriese stroom wat periodies van rigting verander, in teenstelling met gelykstroom (GS) wat net in een rigting vloei. Wisselstroom is die vorm van elektrisiteit wat gebruik word in transmissie en verskaf word vir huishoudelike gebruik. Die elektrisiteit beskikbaar in 'n huis by 'n muurprop is dus wisselstroom. Die terme wisselstroom en gelykstroom word gebruik om na 'n veranderende stroom of spanning te verwys. Die algemene engelse afkortings vir wisselstroom en gelykstroom is AC en DC onderskeidelik.

Wisselstroom (groen kurwe). Die horisontale as is tyd en die vertikale as spanning.

Die algemene golfvorm van wisselstroom vir elektrisiteitsvoorsiening is 'n sinusgolf. In sommige toepassings word ander golfvorms gebruik soos driehoek- of vierkantsgolwe. Klank- en radiogolwe wat op elektriese geleiers gedra word is ook voorbeelde van wisselstroom. Hierdie wisselstroom dra inligting soos klank of video en word meestal gedra deur die modulasie met 'n WS draersein met 'n hoë frekwensie.

Geskiedenis

Die eerste alternator om wisselstroom op te wek was 'n dinamo kragopwekker gebaseer op Michael Faraday se beginsels en dit was vervaardig deur die Franse instrumentmaker Hippolyte Pixii in 1832. Pixii  het later 'n kommutator by sy toestel bygevoeg om gelykstroom op te wek, wat op daardie stadium meer gebruik was. Die eerste opgeskrewe praktiese toepassing van wisselstroom was deur Guillaume Duchenne, die ontwikkelaar van elektroterapie. In 1855 het hy aangekondig dat wisselstroom beter was as gelykstroom vir elektroterapeutiese aktivering van spiersametrekkings. Wisselstroom tegnologie het eerste ontwikkel in Europa weens die werk van Guillaume Duchenne in die 1850's, die Hongaarse Ganz Works maatskappy in die 1870's en in die 1880's deur Sebastian Ziani de Ferranti, Lucien Gaulard, en Galileo Ferraris.

In 1876 het die Russiese ingenieur Pavel Yablochkov 'n beligtingstelsel ontwerp met stelle induksiespoele geïnstalleer langs 'n hoë-spanning WS lyn. Die primêre spoele het drywing oorgedra na die sekondêre spoele wat dan aan een of meer gloeilampe van sy eie ontwerp verbind was. Dit het voorkom dat die hele stroombaan onderbreek word wanneer een gloeilamp faal. In 1878, het die Ganz factory in Budapest, Hongarye, begin om toerusting vir elektriese beligting te vervaardig en teen 1883 het hulle meer as 50 stelsels geïnstalleer. Hulle WS stelsels het gloeilampe, kragopwerkkers en ander toerusting bevat.

Transformators

Wisselstroom stelsels kan transformators gebruik om die spanning te verander om hoë spannings te gebruik vir transmissie met lae energieverliese en lae spannings vir opwekking en verbruik. 'n Bipolêre oopkern transformator is ontwerp deur Lucien Gaulard en John Dixon Gibbs en was gedemonstreer in Londen in in 1881. Hulle het die uitvindsel ook in Turyn uitgestal in 1884. Hierdie vroeë induksiewindings met oop magnetiese stroombane was baie oneffektief met drywingsoordrag. Tot rondom 1880 was die kragoordrag vanaf hoë-spanning transmissielyne na 'n laespanning las 'n serie stroombaan. Oopkern transformators met 'n verhouding naby 1:1 was in serie verbind om 'n hoë spanning toe te laat vir transmissie met 'n lae spanning wat aan gloeilamper voorsien was. Die inherente gebrek aan hierdie metode was dat al die ander toestelle in die stroombaan afgeskakel het wanneer een afgeskakel word, a.g.v. die serie verbinding. Baie verstelbare transformstors was ontwerp om die probleem aan te spreek, insluitende metodes waar die kern verstel word of waar die magneetveld met 'n deel van 'n winding omseil word. Gelykstroom stelsels het nie hierdie probleme gehad nie, wat dit op daardie stadium 'n voordeel gegee het bo wisselstroom.

Pioniers

Die Hongaarse "ZBD" Span (Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri)

Die prototipe van die ZBD transformator uitgestal in die  Széchenyi István gedenkuitstalling in Nagycenk in Hungary

In die herfs van 1884, het Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy en Miksa Déri (ZBD), drie ingenieurs van die Ganzfabriek, vasgestel dat oopkern toestelle onprakties is en nie spanning betroubaar kan reguleer nie. In hulle gesamentlike 1885 patentaansoeke vir nuwe transformators (later bekend as ZBD transformators), het hulle twee ontwerpe beskryf met geslote magnetiese bane, waar koper windings rondom 'n ysterkern gedraai was of deur 'n ysterdraad kern omring was. In albei ontwerpe, het die magneetveld tussen die primêre en sekondêre windings byne heeltemal binne die ysterkern beweeg sonder 'n pad deur lug. Die nuwe transformators was 3.4 keer meer effektief as die opekern bipolêre toestelle van Gaulard en Gibbs.  DIe Ganz fabriek het in 1884 die wêreld se eerste vyf hoë effektiwiteit WS transformators gebou. Hierdie eerste produksie het die volgende spesifikasies gehad:  1 400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, verhouding 1.67:1, enkelfase.

Die ZDB patente het twee groot interafhanklike innovasies bevat: Eerstens om laste in parallel te skakel en tweedens om hoë draaiverhoudings toe te laat sodat hoër spannings in transmissie gebruik kan word (aanvanklik 1400 tot 2000 V) in vergelyking met die lasspanning (aanvanklik 100 V). Met die paralelle erlektrisiteitsverspreidingstelsels, was dit eindelik tegnies en ekonomies haalbaar om elektrisiteit aan huise, besighede en fabrieke te voorsien.

Wisselstroom kragstelsels was baie vinnig aangepas en ontwikkel na 1886 a.g.v. die vermoë om elektrisiteit effektief te versprei oor lang afstande, wat die beperkings van GS stelsels oorkom het. In 1886 het die ZBD ingenieurs die wêreld se eerste kragstasie ontwerp wat WS kragopwekkers gebruik het om krag te voorsien aan 'n paralelle elektriese netwerk. Hierdie was die Rome-Cerchie kragsentrale. Die vertroue in WS tegnologie het toegeneem tot Ganz Works 'n groot deel van Rome van WS elektrisiteit voorsien het in 1886.

Westinghouse vroeë WS stelsel in 1887
(US patent 373035)

In die VK het Sebastian de Ferranti, die WS generators en transformators in Londen ontwerp het sedert 1882, die WS stelsel by die Grosvenor Gallery kragsentrale herontwerp in 1886 vir die Londen Elektrisiteitsvoorsiening Korporasie (LESCo), insluitende sy eie alternator ontwerpe en transformator ontwerpe soortgelyk aan dié van Gaulard en Gibbs. In 1890 het hy hul kragsentrale by Deptford ontwerp en die Grosvenor Gallery stasie oorkant die Teems in 'n elektriese substasie omskep, wat die weg aangewys het om ouer stasies te integreer in 'n algehele WS stelsel.

In die VSA het William Stanley, Jr. een van die eerste praktiese toestelle ontwerp om WS krag effektief tussen geïsoleerde stroombane oor te dra. Hy het pare windings rondom 'n gemeenskaplike ysterkern gedraai. Hierdie induksiespoel was 'n vroeë transformator. Stanley gewerk aan Europese ontwerpe soos die Gaulard en Gibbs transformator vir die entrepreneur George Westinghouse wie WS stelsels begin bou het in 1886. Die verspreiding van WS stelsels van Westinghouse en ander het teenstand gewek in 1887 van Thomas Edison ('n voorstaander van GS) wie probeer het om WS af te maak as te gevaarlik vir gebruik in 'n publieke veldtog genoem die "Oorlog van Strome". In 1888 het WS stelsels verdere lewensvatbaarheid bereik met die bekendstelling van 'n funksionele WS motor. Hierdie ontwerp, 'n induksiemotor, was onafhanklik ontwerp deur Galileo Ferraris en Nikola Tesla (met Tesla se ontwerp gelisensieerd deur Westinghouse in die VSA). Hierdie ontwerp was verder ontwikkel na die moderne praktiese driefase vorm deur Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en Charles Eugene Lancelot Brown.

Transmissie, verspreiding en huishoudelike elektrisiteitsvoorsiening

'n Skematiese voorstelling van langafstand elektrisiteitstransmissie. G=Generator, U = Opstaptransformator, V = Spanning aan die begin van die transmissielyn,  I = Stroom in die lyn, R = Totale weerstand van die lyn,  Pt = Drywing wat aan die transmissielyn gelewer word, Pw = Drywing wat verlore gaan in die transmissielyn Pe = Drywing wat die einde van die transmissielyn bereik, D = Afstaptransformator, C=Verbruikers. 

Elektrisiteit word versprei as wisselstroom omdat WS spanning maklik vermeerder of verminder kan word met 'n transformator. Dit laat toe dat die elektrisiteit effektief versprei kan word met hoë-spanning transmissielyne en dan verminder word na laer spannings vir gebruik. Die hoër spanning in die transmissielyn lei tot minder drywingsverlies a.g.v. die weerstand van die lyn. Dit is omdat dieselfde drywing minder stroom benodig by 'n hoër spanning. Die drywingsverlies in die transmissielyn $P_{\rm {w}}$

$P_{\rm {w}}=I^{2}R\,.$

waar I die stroom is en R die weerstand. Vir dieselfde drywing word die stroom halveer as die spanning verdubbel en dus is die drywingsverlies vier keer minder by hierdie hoër spanning.

Drywing word gegee as die produk van spanning en stroom as

$P_{\rm {t}}=IV\,.$

Die spanning in transmissielyn is dus honderde kilovolts, wat dan afgestap word na 100 V tot 240 V vir huishoudelike gebruik. Die elektrisiteit gelewer in Suid-Afrika is 220-240 V.

Hoë-spanning transmissielyne.

Hoë spannings het nadele, soos dat beter isolasie benodig word en dat dit oor die algemeen moeiliker is om daarmee te werk. In 'n kragsentrale word elektrisiteit opgewek teen 'n spanning wat die generator kan hanteer en dan verhoog deur 'n opstaptransformator na 'n hoër spanning vir transmissie. Naby die las word die spanning weer afgestap na die gewenste spanning vir die toerusting.

Drie-fase kragopwekking is baie algemeen. Die eenvoudigste manier om dit op te wek, is drie aparte windings in die stator wat 120° (een derde van 'n volledige 360° fase) uitmekaar geplaas word. Drie stroomgolwe word dan opgewek met dieselfde grootte maar  120° uit fase met mekaar. Indien die las van 'n drie-fase sisteem gebalanseerd is tussen die fases, vloei geen stroom na die neutrale punt nie.

Om drie-fase krag te gebruik, word 'n vier-geleier sisteem gewoonlik gebruik. Wanneer die spanning afgestap word, word 'n transfomator met 'n Delta primêre kant en Wye/Ster sekondêre kant gebruik omdat dit nie nodig is vir 'n neutraal aan die toevoerkant nie. Vir klein verbruikers (soos 'n huis) word slegs 'n enkelfase en die neutraal na die verbruiker aangelê maar vir groter verbruikers word al drie fases en die neutraal na die verspreidingsbord aangelê. Vanaf die drie-fase verspreidingsbord, kan beide enkelfase en drie-fase na toerusting gaan.

WS kragvoorsiening frekwensies

Die frekwensie gebruik in die elektrisiteitvoorsieningsnetwek verskil tussen lande maar die meeste elektrisiteit word opgewek teen 50 of 60 Hz. 'n Lae frekwensie vergemaklik die ontwerp van elektriese motors en het ook laer impedansieverliese, wat eweredig is aan die frekwensie. Lae frekwensies kan flikkering in gloeilampe veroorsaak. Die oorspronklike Niagara-waterval kragopwekkers was gebou om 25 Hz elektrisiteit op te wek, as 'n kompromie tussen 'n lae frekwensie om motors aan te dryf met genoeg krag maar ook om gloeilampe te laat werk met onsigbare flikkering. Meeste van die 25 Hz netwerk is vervang met 60 Hz in die 1950's. 16.7 Hz (voorheen 16 2/3 Hz) elektrisiteit word steeds gebruik in sommige Europese spoorwegstelsels, soos in Oostenryk, Duitsland, Noorweë, Swede en Switserland. Sommige militêre, tekstiel, lugvaart en ruitevaart toepassings gebruik 400 Hz vir laer gewig van die apparate en hoër motorspoed. Rekenaar hoofraam stelsels het gereeld 400 Hz of 415 Hz gebruik vir minder rimpel en kleiner WS na GS omsetters.

Effekte by hoë frekwensies

Gelykstroom vloei uniform deur die hele deursnee van 'n uniforme geleier. Wisselstroom word weg van die middel van die geleier af na die buitenste oppervlak geforseer. Dit gebeur omdat die versnelling van 'n elektriese lading in wisselstroom golwe van elektromagnetiese uitstraling veroorsaak wat die voortplanting van elektrisiteit na die middel van 'n geleier met hoë geleidingsvermoë uitkanselleer. Hierdie verskynsel word die huideffek genoem. By baie hoë frekwensies vloei die stroom nie meer in die geleier nie, maar vloei effektief op die oppervlak van die geleier binne 'n paar huiddieptes, waar huiddiepte die afstand is waarby stroomdigtheid met 63% afgeneem het. Selfs by relatief lae frekwensies van 50 of 60 Hz wat in elektrisiteitstransmissie en elektrisiteitsverspreiding gebruik word, is daar steeds 'n oneweredige verspreiding van stroom in die geleiers nie. Die huiddiepte van 'n koper geleier is rondom 8.57 mm by 60 Hz. Omdat die stroom op die oppervlak vloei, word die effektiewe dwarssnit van die geleier verminder, wat weer die weerstand van die geleier verhoog omdat weerstand omgekeerd eweredig is aan die area van die deursnit. Die wisselstroom weerstand van 'n geleier is dus hoër as die gelykstroom weerstand en dit veroorsaak meer ohmiese verliese a.g.v. verhitting van die geleier.

Tegnieke om WS weerstand te verminder

Vir lae tot medium frekwensies, kan geleiers verdeel word in baie klein draadjies wat almal van mekaar geïsoleer is en die relatiewe posisies van die draadjies word spesifiek gerangskik in die geleierbondel. Geleiers wat op hierdie manier gemaak word staan bekend as Litzdraad. Dit help om die huideffek te verminder deur meer stroom te forseer om uniform deur die hele dwarssnee van die geleier te laat vloei.

Tegnieke om elektromagnetiese straling te verminder

By frekwensies tot by sowat 1 GHz, word pare drade saam gedraai in 'n kabel om 'n gedraaide draadpaar te vorm. Hierdie tegniek verminder die verliese a.g.v. elektromagnetiese straling en induktiewe koppeling. Die gedraaide paar moet gebruik word met 'n gebalanseerde seinstelsel, sodat die twee drade strome dra wat ewe groot is met verskillende rigtings sodat hulle mekaar se straling uitkanselleer.

Koaksiale kabels word algemeen gebruik by klankfrekwensies en hoër. 'n Koaksiale kabel het 'n geleidende draad binne-in 'n geleidende buis wat van mekaar geskei word deur 'n diëlektriese laag. Die stroom wat vloei in die binneste geleier is gelyk maar teenoorgesteld aand die stroom op die binne-oppervlak van die buitenste buis. Die elektromagnetiese veld bly dus binne-in die kabel en daar is baie min energie verlore weens straling of koppeling buite die kabel. Koaksiale kabels het aanvaarbaar min verliese vir frekwensies tot swat 5 GHz. Vir mikrogolf frekwensies hoër as 5 GHz, word die verliese (meestal weens die weerstand van die binneste geleier) te hoog, wat golfleiers 'n meer effektiewe medium maak om energie oor te dra.

By frekwensies hoër as 200 GHz, word die nodige golfleier afmetings onprakties klein en die ohmiese verliese in die golfleier raak te groot. In hierdie geval kan optiese vesel gebruik word.

Wiskunde van WS spannings

'n Sinusvormige wisselstroom: 
1 = Piek of Amplitude,
2 = Piek-tot-Piek,
3 = Effektiewe waarde (WGK),
4 = Periode

'n Sinusgolf oor een periode. Die stippellyn dui die wortel van gemiddelde kwadraat (WGK) spanning van 0.707 aan.

WS spanning kan wiskundig geskryf word as 'n funksie van tyd:

$v(t)=V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin(\omega t)$,

waar

• $\displaystyle V_{\rm {peak}}$ die piekspanning is in Volt [V]
• $\displaystyle \omega$ $\displaystyle \omega =2\pi f$.
• $\displaystyle t$ is die tyd in sekondes [s]

Die piek-tot-piek spanning is die verskil tussen die positiewe en negatiewe pieke.  'n WS spanning verander dus tussen $+V_{\rm {peak}}$ en $-V_{\rm {peak}}$. Die piek-tot-piek spanning word gewoonlik geskryf as $V_{\rm {pp}}$ of $V_{\rm {P-P}}$ $V_{\rm {peak}}-(-V_{\rm {peak}})=2V_{\rm {peak}}$.

Drywing

Die verhouding tussen spanning en die drywing gelewer aan 'n las is:

$p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}$ ,waar $R$. Hierdie drywing is 'n funksie van tyd en stel die oombliklike drywing voor.

Eerder as om die oombliklike drywing $p(t)$

$P_{\rm {time~averaged}}={\frac {{V_{\rm {rms}}}^{2}}{R}}.$

Wortel van gemiddelde kwadraat (WGK) spanning

• Vir 'n arbitrêre periodiese golfvorm gesentreer rondom nul, $v(t)$ met 'n periode $T$:

$V_{\mathrm {rms} }={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.$

• Vir 'n sinusgolf:

${\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{pk}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{pk}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}$

waar die trigonometriese identiteit $\sin ^{2}x={\frac {1-\cos 2x}{2}}$ gebruik is.Die faktor ${\sqrt {2}}$ word die kruinfaktor genoem en dit verskil vir verskillende golfvorms.

• Vir 'n driehoeksgolf rondom nul, kan die WGK bereken word as:

$V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {3}}}.$

• En vir 'n vierkantsgolf:

$\displaystyle V_{\mathrm {rms} }=V_{\mathrm {peak} }.$

Voorbeeld

Beskou 'n 230 V WS toevoer, soos in Suid-Afrika gebruik word. Dit word so genoem omdat die WGK 230 V is. Om die piekspanning te bereken kan die volgende vergelyking gebruik word:

$V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\ V_{\mathrm {rms} }.$

Vir 230 V WS, is die piekspanning $V_{\mathrm {peak} }$ dus $230V\times {\sqrt {2}}$, wat sowat 325 V is. Die golfvorm wissel dus elke periode tussen 325 V en - 325 V.

Sien ook

• Transformator
• Kragopwekker
• Kragsentrale
• Gelykstroom

Eksterne skakels

• "AC/DC: What's the Difference?". Edison's Miracle of Light, American Experience. (PBS)
• "AC/DC: Inside the AC Generator Geargiveer 28 Desember 2014 op Wayback Machine". Edison's Miracle of Light, American Experience. (PBS)
• Kuphaldt, Tony R., "Lessons In Electric Circuits : Volume II - AC". March 8, 2003. (Design Science License)
• Nave, C. R., "Alternating Current Circuits Concepts". HyperPhysics.
• "Alternating Current (AC)". Magnetic Particle Inspection, Nondestructive Testing Encyclopedia.
• "Alternating current". Analog Process Control Services.
• Hiob, Eric, "An Application of Trigonometry and Vectors to Alternating Current". British Columbia Institute of Technology, 2004.
• "Introduction to alternating current and transformers". Integrated Publishing.
• Chan. Keelin, "Alternating current Tools". JC Physics, 2002.
• Williams, Trip "Kingpin", "Understanding Alternating Current, Some more power concepts".
• "Table of Voltage, Frequency, TV Broadcasting system, Radio Broadcasting, by Country".
• Professor Mark Csele's tour of the 25 Hz Rankine generating station
• 50/60 hertz information Geargiveer 8 September 2008 op Wayback Machine
• AC circuits Animations and explanations of vector (phasor) representation of RLC circuits
• Blalock, Thomas J., "The Frequency Changer Era: Interconnecting Systems of Varying Cycles". The history of various frequencies and interconversion schemes in the US at the beginning of the 20th century
• (it) Generating an AC voltage. Interactive.
• AC Power History and Timeline