Wechselstrom

Wechselstrom (grüne Kurve). Die horizontale Achse misst die Zeit (sie repräsentiert auch Nullspannung/Strom); vertikal, Strom oder Spannung.

Wechselstrom (AC) ist ein elektrischer Strom die regelmäßig die Richtung umkehrt und ihre Größe kontinuierlich mit der Zeit im Gegensatz zu Zeit verändert Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt. Wechselstrom ist die Form, in der elektrische Energie wird an Unternehmen und Residenzen geliefert, und es ist die Form von elektrische Energie dass die Verbraucher normalerweise verwenden, wenn sie anschließen Küchengeräte, Fernseher, Lüfter und elektrische Lampen in a Steckdose. Eine häufige Quelle für Gleichstrom ist a Batterie in einem Taschenlampe. Die Abkürzungen AC und DC werden oft verwendet, um einfach einfach zu bedeuten abwechselnd und Direkte, wie wann sie sich ändern aktuell oder Stromspannung.[1][2]

Das Übliche Wellenform von wechselndes Strom in den meisten elektrischen Stromkreisen ist a Sinusderen positive Halbperiode der positiven Richtung des Stroms entspricht und umgekehrt. In bestimmten Anwendungen wie GitarrenverstärkerEs werden verschiedene Wellenformen verwendet, wie z. Dreieckswellen oder Quadratwellen. Audio und Radio Signale, die auf elektrischen Drähten befördert werden, sind auch Beispiele für abwechselnden Strom. Diese Arten von wechselnden aktuellen Carry -Informationen wie Sound (Audio) oder Bildern (Video), die manchmal von getragen werden Modulation eines Wechselstromträgersignals. Diese Strömungen wechseln sich typischerweise bei höheren Frequenzen als diejenigen, die bei der Stromübertragung verwendet werden.

Übertragung, Verbreitung und Inlandsniveau -Versorgung

Eine schematische Darstellung der langen elektrischen Stromübertragung. Von links nach rechts: G = Generator, u = Stief -Up -Transformator, v = Spannung zu Beginn der Übertragungsleitung, PT = Power Eingabeteilung, I = Strom in Drähten, R = Gesamtwiderstand in Drähten, PW = Power Lost in der Übertragung verloren Linie, pe = Kraft, die das Ende der Übertragungslinie erreicht, D = Transformator, C = Verbraucher.

Die elektrische Energie wird als Wechselstrom verteilt, weil AC Stromspannung kann mit a erhöht oder verringert werden Transformator. Dadurch kann die Leistung durch übertragen werden Stromleitungen effizient bei Hochspannung, was die verlorene Energie reduziert, die als Wärme durchläuft Widerstand des Drahtes und transformiert in eine niedrigere, sicherere Spannung zum Gebrauch. Die Verwendung einer höheren Spannung führt zu einer deutlich effizienteren Stromversorgung. Die Stromverluste () im Draht sind ein Produkt des Quadrats des Stroms (i) und der Widerstand (R) des Drahtes, beschrieben durch die Formel:

Dies bedeutet, dass bei der Halbierung des Stroms bei der Übertragung einer festen Leistung auf einen bestimmten Draht (d. H. Die Spannung verdoppelt wird), der Stromverlust aufgrund des Widerstands des Drahtes auf ein Viertel reduziert wird.

Die übertragene Leistung entspricht dem Produkt des Stroms und der Spannung (unter der Annahme kein Phasendifferenz); das ist,

Infolgedessen erfordert die mit einer höheren Spannung übertragene Stromversorgung weniger Verlustproduzierungsstrom als bei derselben Leistung bei einer niedrigeren Spannung. Die Leistung wird häufig bei Hunderten von Kilovolt auf Pylonen übertragen und auf zehn Kilovolts umgewandelt, die auf Leitungen unter niedrigerer Ebene übertragen werden sollen, und schließlich auf 100 V - 240 V für den häuslichen Gebrauch transformiert werden.

Dreiphasen-Hochspannung Übertragungsleitungen Verwenden Sie abwechselnde Ströme, um die Stromversorgung über große Entfernungen zwischen zu verteilen elektrische Erzeugung Pflanzen und Verbraucher. Die Linien im Bild befinden sich im Osten Utah.

Hochspannungen haben Nachteile, wie die erhöhte Isolierung, und im Allgemeinen erhöhte Schwierigkeiten bei ihrem sicheren Umgang. In einem Kraftwerk, Energie wird bei einer bequemen Spannung für das Design von a erzeugt Generatorund dann auf eine hohe Spannung für die Übertragung gestiegen. In der Nähe der Lasten wird die Übertragungsspannung auf die von Geräte verwendeten Spannungen gesetzt. Die Verbraucherspannungen variieren je nach Land und Lastgröße etwas, aber im Allgemeinen werden Motoren und Beleuchtung so gebaut, dass sie bis zu wenige hundert Volt zwischen den Phasen verwendet werden. Die Spannung, die an Geräte wie Beleuchtung und Motorlasten geliefert wird, ist standardisiert, wobei ein zulässiger Spannungsbereich über die Ausrüstung erwartet wird. Die Standard -Leistungsnutzungsspannungen und die prozentuale Toleranz variieren in den verschiedenen verschiedenen Hauptstromsysteme in der Welt gefunden. Hochspannungs-Direktstrom (HVDC) Elektrische Stromübertragungssysteme sind rentabler geworden, da die Technologie effiziente Mittel zur Änderung der Spannung der Gleichstromleistung bietet. Die Übertragung mit Hochspannungs -Gleichstrom war in den frühen Tagen von nicht möglich Elektrisches StromübertragungDa es damals keine wirtschaftliche Möglichkeit gab, die Spannung von DC für Endbenutzeranwendungen wie Beleuchtungsleuchten abzusetzen.

Drei Phasen Die elektrische Erzeugung ist sehr häufig. Der einfachste Weg ist die Verwendung von drei separaten Spulen im Generator Stator, physisch durch einen Winkel von 120 ° (ein Drittel einer vollständigen 360 ° -Phase) miteinander versetzt. Es werden drei Stromwellenformen erzeugt, die gleich groß sind und 120 ° aus der Phase zueinander. Wenn Spulen entgegengesetzt zu diesen (60 ° Abstand) hinzugefügt werden, erzeugen sie die gleichen Phasen mit umgekehrter Polarität und können daher einfach zusammen verkabelt werden. In der Praxis werden häufig höhere "Polordnungen" verwendet. Beispielsweise hätte eine 12-polige Maschine 36 Spulen (10 ° Abstand). Der Vorteil besteht darin, dass niedrigere Drehgeschwindigkeiten verwendet werden können, um die gleiche Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise erzeugt eine 2-polige Maschine, die bei 3600 U / min liegt, und eine 12-polige Maschine mit 600 U / min die gleiche Frequenz; Die niedrigere Geschwindigkeit ist für größere Maschinen vorzuziehen. Wenn die Last eines dreiphasigen Systems unter den Phasen gleichmäßig ausgeglichen ist, fließt kein Strom durch die neutraler Punkt. Selbst bei der schlimmsten unausgeglichenen (linearen) Last schlägt der neutrale Strom den höchsten der Phasenströme nicht überschreitet. Nichtlineare Lasten (z. B. die weit verbreitete Schaltungsmodelle) kann einen übergroßen neutralen Bus und einen neutralen Leiter im vorgelagerten Verteilungsfeld zum Handeln erfordern Harmonische. Harmonische können dazu führen, dass neutrale Leiterstromspiegel die eines oder alle Phasenleiter überschreiten.

Für Dreiphasen bei Nutzungsspannungen wird häufig ein Vier-Draht-System verwendet. Beim Rücktritt von Dreiphasen wird häufig ein Transformator mit einem Delta (3-Draht-) Primär- und einem Stern (4-Draht-, Mittelerde-Sekundär) verwendet, sodass auf der Versorgungsseite keine Neutralanlage erforderlich ist. Für kleinere Kunden (wie klein variiert nur von Land und Alter der Installation) nur a einzelphase und neutral oder zwei Phasen und neutral werden in das Grundstück gebracht. Für größere Installationen werden alle drei Phasen und neutral in das Hauptverteilungsfeld gebracht. Aus dem Dreiphasen-Hauptfeld können sowohl einsteine ​​als auch dreiphasige Schaltkreise ablaufen. Drei-Draht-Einphasige Systeme mit einem einzigen Transformator mit einem einzigen Mittel, der zwei lebende Dirigenten bietet, ist ein gemeinsames Vertriebsschema für Wohn- und kleine Gewerbegebäude in Nordamerika. Diese Anordnung wird manchmal fälschlicherweise als "zwei Phase" bezeichnet. Eine ähnliche Methode wird aus einem anderen Grund auf Baustellen in Großbritannien verwendet. Kleine Elektrowerkzeuge und Beleuchtung sollen von einem örtlichen Transformator mit zentralem Tapped mit einer Spannung von 55 V zwischen jedem Leistungsleiter und der Erde geliefert werden. Dies verringert das Risiko von erheblich elektrischer Schock Für den Fall, dass einer der Live -Leiter durch einen Gerätefehler freigelegt wird und dennoch eine angemessene Spannung von 110 V zwischen den beiden Leitern zum Ausführen der Werkzeuge zulässt.

A Dritter Draht, genannt Bindung (oder Erd-) Draht, wird häufig zwischen nicht trennenden Metallgehäusen und Erde gemahlen. Dieser Leiter bietet einen Schutz vor Elektroschock aufgrund des versehentlichen Kontakts von Schaltkreisleitern mit dem Metallgehäuse von tragbaren Geräten und Werkzeugen. Die Bindung aller nicht lohnen fahrenden Metallteile in ein komplettes System stellt sicher, dass es immer ein niedriges gibt elektrische Impedanz Weg zu Boden ausreichend, um alle zu tragen Fehler Strom, so lange es dauert, bis das System den Fehler löscht. Dieser Pfad mit geringer Impedanz ermöglicht die maximale Menge an Fehlerstrom, wodurch das Überstromschutzgerät (Breaker, Sicherungen) so schnell wie möglich ausgelöst oder ausbrennt und das elektrische System in einen sicheren Zustand bringt. Alle Anleihedrähte sind im Hauptservice -Panel mit dem neutralen/identifizierten Leiter gebunden, wenn sie vorhanden sind.

Wechselstromversorgungsfrequenzen

Das Frequenz des elektrischen Systems variiert je nach Land und manchmal innerhalb eines Landes; Die meiste elektrische Leistung wird bei 50 oder 60 erzeugtHertz. Einige Länder haben eine Mischung aus 50 Hz- und 60 -Hz -Lieferungen, insbesondere Stromversorgung in Japan. Eine niedrige Frequenz erleichtert das Design von Elektromotoren, insbesondere zum Heben, Zerkleinern und Rollanwendungen sowie zum Kommutatorstyp Traktionsmotoren Für Anwendungen wie z. Eisenbahnen. Niedrige Frequenz führt jedoch auch zu einem fehlerhaften Flackern in Lichtbogenlampen und Glühbirnenlampen. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen lieferte auch den Vorteil niedrigerer Impedanzverluste, die proportional zur Frequenz sind. Die ursprünglichen Niagara Falls -Generatoren wurden gebaut, um 25 -Hz -Strom zu produzieren, als Kompromiss zwischen niedriger Frequenz für Traktion und schweren Induktionsmotoren, während dennoch die Beleuchtung der Glühlampe betrieben werden kann (obwohl mit merklichem Flackern). Die meisten der 25 -Hz -Wohn- und Gewerbekunden für Niagara Falls Power wurden in den späten 1950er Jahren auf 60 Hz umgewandelt, obwohl einige[die?] Zu Beginn des 21. Jahrhunderts existierten noch 25 Hz Industriekunden. 16,7 Hz Macht (ehemals 16 2/3 Hz) wird in einigen europäischen Schienensystemen wie in immer noch verwendet Österreich, Deutschland, Norwegen, Schweden und Schweiz. Offshore-, Militär-, Textilindustrie-, Meeres-, Flugzeug- und Raumfahrzeuge Anwendungen verwenden manchmal 400 Hz, um das Gewicht des Geräts oder höhere Motorgeschwindigkeiten zu nutzen. Computer Mainframe Die Systeme wurden oft um 400 Hz oder 415 Hz für Vorteile von betrieben Ripple Reduktion bei der Verwendung kleinerer interner Wechselstrom- und DC -Konvertierungseinheiten.[3]

Effekte bei hohen Frequenzen

Ein Gleichstrom fließt gleichmäßig während des Querschnitts eines homogenen Querschnitts elektrisch leitend Kabel. Ein abwechselnder Strom jeder Frequenz wird von der Mitte des Drahtes in Richtung seiner äußeren Oberfläche gedrückt. Dies liegt daran, dass ein abwechselnder Strom (was das Ergebnis der Beschleunigung von ist elektrische Ladung) schafft Elektromagnetische Wellen (Ein Phänomen, das als bekannt ist elektromagnetische Strahlung). Elektrische Leiter sind nicht elektromagnetischen Wellen förderlich (a Perfekter elektrischer Leiter verbietet alle elektromagnetischen Wellen innerhalb seiner Grenze), so dass ein Draht, der aus einem nicht perfekten Leiter besteht (ein Leiter mit endlichem und nicht unendlicher, elektrischer Leitfähigkeit) Center. Das Phänomen des abwechselnden Stroms, das von der Mitte des Leiters weggedrängt wird Hauteffektund ein Gleichstrom zeigt diesen Effekt nicht, da ein Gleichstrom keine elektromagnetischen Wellen erzeugt.

Bei sehr hohen Frequenzen fließt der Strom nicht mehr in der Draht, fließt aber effektiv an die Oberfläche des Drahtes innerhalb einer Dicke von wenigen Hauttiefen. Die Hauttiefe ist die Dicke, bei der die Stromdichte um 63% reduziert wird (eine Verringerung von einem Neper). Selbst bei relativ niedrigen Frequenzen, die für die Stromübertragung (50 Hz-60 Hz) verwendet werden, tritt eine ungleichmäßige Verteilung des Stroms immer noch in ausreichend dick Leiter. Beispielsweise beträgt die Hauttiefe eines Kupferleiters bei 60 Hz ungefähr 8,57 mm, sodass hohe Stromleiter normalerweise hohl sind, um ihre Masse und Kosten zu senken. Da der Strom in der Peripherie der Leiter tendenziell fließt, wird der effektive Querschnitt des Leiters verringert. Dies erhöht den effektiven Wechselstrom Widerstand des Leiters, da der Widerstand umgekehrt proportional zum Querschnittsbereich ist. Der Wechselstromwiderstand ist oft um ein Vielfaches höher als der DC -Widerstand, was zu einem viel höheren Energieverlust führt Ohmische Heizung (auch i genannt2R Verlust).

Techniken zur Reduzierung des Wechselstromwiderstands

Bei niedrigen bis mittleren Frequenzen können Leiter in gestrandete Drähte unterteilt werden, die jeweils von den anderen isoliert sind, wobei die relativen Positionen einzelner Stränge speziell im Leiterbündel angeordnet sind. Mit dieser Technik konstruierten Kabel heißt Litz Draht. Diese Maßnahme hilft dabei, den Hauteffekt teilweise zu mildern, indem der gesamte Querschnitt der gestrandeten Leiter gleicher Strom erzwingt. Litz -Draht wird zum Herstellen verwendet High-Q Induktoren, Reduzierung von Verlusten in flexiblen Leitern, die bei niedrigeren Frequenzen sehr hohe Strömungen tragen, und in den Wicklungen von Geräten, die höher tragen Radiofrequenz Strom (bis zu Hunderte von Kilohertz), wie z. B. Switch-Mode Netzteile und Radiofrequenz Transformer.

Techniken zur Reduzierung des Strahlungsverlusts

Wie oben geschrieben, wird ein abwechselnder Strom bestehen elektrische Ladung unter regelmäßig Beschleunigung, was verursacht Strahlung von Elektromagnetische Wellen. Energie, die ausgestrahlt wird, ist verloren. Abhängig von der Frequenz werden unterschiedliche Techniken verwendet, um den Verlust aufgrund von Strahlung zu minimieren.

Verdrehte Paare

Bei Frequenzen von bis zu 1 GHz werden Paare von Drähten in einem Kabel zusammengedreht und bilden a verdrehtes Paar. Dies reduziert die Verluste von elektromagnetische Strahlung und induktive Kopplung. Ein verdrehtes Paar muss mit einem ausgewogenen Signalsystem verwendet werden, so dass die beiden Drähte gleich, aber gegenüberliegende Ströme tragen. Jeder Draht in einem verdrehten Paar strahlt ein Signal aus, wird jedoch effektiv durch Strahlung aus dem anderen Draht abgebaut, was zu fast keinem Strahlungsverlust führt.

Koaxialkabel

Koaxialkabel werden üblicherweise bei verwendet Audiofrequenzen und oben aus Gründen der Bequemlichkeit. Ein Koaxialkabel hat einen leitenden Draht in einem leitenden Rohr, der durch a getrennt ist Dielektrikum Schicht. Der Strom, der auf der Oberfläche des inneren Leiters fließt, ist gleich und entgegengesetzt dem Strom, der auf der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs fließt. Das elektromagnetische Feld ist somit vollständig im Röhrchen enthalten, und (idealerweise) ist keine Energie durch Strahlung oder Kopplung außerhalb des Rohrs verloren. Koaxialkabel haben akzeptabel kleine Verluste für Frequenzen von bis zu 5 GHz. Zum Mikrowelle Frequenzen von mehr als 5 GHz, die Verluste (hauptsächlich aufgrund des Dielektrikums, das die Innen- und Außenrohre als nicht idealer Isolator trennt) werden zu groß und machen Wellenleiter Ein effizienteres Medium zum Übertragen von Energie. Koaxialkabel verwenden häufig eine perforierte dielektrische Schicht, um die inneren und äußeren Leiter zu trennen, um die vom Dielektrikum abgeleitete Leistung zu minimieren.

Wellenleiter

Wellenleiter sind ähnlich wie Koaxialkabel, da beide aus Röhren bestehen, wobei der größte Unterschied darin besteht, dass Wellenleiter keinen inneren Leiter haben. Wellenleiter können einen beliebigen Querschnitt haben, aber rechteckige Querschnitte sind am häufigsten. Da Wellenleiter keinen inneren Leiter haben, der einen Rücklaufstrom trägt, können Wellenleiter nicht mit einem Energie Energie liefern elektrischer Strom, sondern durch a durch a geführt elektromagnetisches Feld. Obwohl Oberflächenströme Fließen Sie an den inneren Wänden der Wellenleiter, diese Oberflächenströme tragen keine Leistung. Die Stromversorgung wird von den geführten elektromagnetischen Feldern getragen. Die Oberflächenströme werden von den geführten elektromagnetischen Feldern eingerichtet und haben den Einfluss, die Felder innerhalb des Wellenleiters zu halten und die Felder auf den Raum außerhalb des Wellenleiters zu verhindern. Wellenleiter haben Abmessungen, die mit dem vergleichbar sind Wellenlänge des zu übertragenden Wechselstroms, sodass sie nur bei Mikrowellenfrequenzen realisierbar sind. Zusätzlich zu dieser mechanischen Machbarkeit,, elektrischer Wiederstand der nicht idealen Metalle, die die Wände der Wellenleiter bilden Dissipation Strom (Oberflächenströme, die verlustfrei fließen Leiter Kraft dissipieren). Bei höheren Frequenzen wird die an dieser Dissipation verlorene Kraft unannehmbar groß.

Glasfaseroptik

Bei Frequenzen von mehr als 200 GHz werden Wellenleiterabmessungen unpraktisch klein und die Ohmische Verluste In den Wellenwänden werden Wände groß. Stattdessen, Glasfaseroptik, die eine Form von dielektrischen Wellenleitern sind, kann verwendet werden. Für solche Frequenzen werden die Konzepte von Spannungen und Strömen nicht mehr verwendet.

Mathematik von Wechselspannungen

Eine sinusförmige Wechselspannung.
  1. Peak, auch Amplitude,
  2. Gipfel zu Gipfel,
  3. Effektiver Wert,
  4. Zeitraum
Eine Sinuswelle über einen Zyklus (360 °). Die gestrichelte Linie repräsentiert die quadratischer Mittelwert (RMS) Wert bei etwa 0,707.

Wechselströme werden durch Wechselspannungen begleitet (oder verursacht). Eine Wechselspannung v kann mathematisch als mathematisch beschrieben werden Funktion Zeit nach der folgenden Gleichung:

,

wo

  • ist die Spitzenspannung (Einheit: Volt),
  • ist der Winkelfrequenz (Einheit: Radiant pro Sekunde).
    Die Winkelfrequenz hängt mit der physikalischen Frequenz zusammen, (Einheit: Hertz), was die Anzahl der Zyklen pro Sekunde durch die Gleichung darstellt .
  • ist die Zeit (Einheit: zweite).

Der Peak-to-Peak-Wert einer Wechselspannung ist definiert als die Differenz zwischen seinem positiven Peak und ihrem negativen Peak. Da der Höchstwert von ist +1 und der Mindestwert beträgt −1, eine Wechselspannung schwingt zwischen und . Die Spitzen-zu-Speak-Spannung, normalerweise geschrieben als oder , ist deshalb .

Leistung

Die Beziehung zwischen der Spannung und der gelieferten Leistung beträgt:

wo repräsentiert einen Lastwiderstand.

Anstatt sofortige Kraft zu verwenden, Es ist praktischer, eine Zeit gemittelt zu verwenden (bei der die Mittelung über jede ganzzahlige Anzahl von Zyklen durchgeführt wird). Daher wird die Wechselspannung oft als quadratischer Mittelwert (RMS) Wert, geschrieben als , Weil

Machtschwingung

Wurzel mittlere Quadratspannung

Unter einem Wechselstromwellenform (ohne Gleichstromkomponente) wird angenommen.

Die RMS -Spannung ist die Quadratwurzel der bedeuten über einen Zyklus des Quadrats der momentanen Spannung.

  • Für eine willkürliche periodische Wellenform der Periode :
  • Für eine sinusförmige Spannung:
    bei dem die Trigonometrische Identität wurde verwendet und der Faktor wird genannt Scheitelfaktor, was für verschiedene Wellenformen variiert.
  • Für ein Dreieckswellenform um Null zentriert
  • Für ein Quadratwellenform um Null zentriert

Beispiele für abwechselnden Strom

Um diese Konzepte zu veranschaulichen, betrachten Sie einen 230 V AC Netz Versorgung verwendet in viele Länder auf der ganzen Welt. Es ist so genannt, weil es ist quadratischer Mittelwert Der Wert beträgt 230 V. Dies bedeutet, dass die gelieferte zeitgemittelte Leistung der Leistung von einer Gleichspannung von 230 V entspricht. Um die Spitzenspannung (Amplitude) zu bestimmen, können wir die obige Gleichung neu anordnen, um:

Für 230 V AC die Spitzenspannung ist deshalb , was ungefähr 325 V ist. Im Verlauf eines Zyklus steigt die Spannung von Null auf 325 V, fällt durch Null auf –325 V und kehrt auf Null zurück.

Informationsübertragung

Wechselstrom wird zum Senden verwendet Information, wie in Fällen von Telefon und Kabelfernsehen. Informationssignale werden über einen weiten Bereich von Wechselstromfrequenzen übertragen. Töpfe Telefonsignale haben eine Häufigkeit von ca. 3 kHz, nahe der Basisband Audiofrequenz. Kabelfernsehen und andere Kabelinformationsströme können sich mit Häufigkeiten von Zehntausenden von Megahertz wechseln. Diese Frequenzen ähneln den elektromagnetischen Wellenfrequenzen, die häufig verwendet werden, um dieselben Informationsarten zu übertragen über der Luft.

Geschichte

Der Erste Generator Wechselstrom zu produzieren war a Dynamo elektrischer Generator basierend auf Michael Faraday's Prinzipien, die vom französischen Instrumentenhersteller konstruiert wurden Hippolyt Pixii 1832.[4] Pixii fügte später a hinzu Kommutator zu seinem Gerät, um die (damals) häufiger verwendeten Gleichstrom zu produzieren. Die früheste aufgezeichnete praktische Anwendung von Wechselstrom ist von Guillaume DuchenneErfinder und Entwickler von Elektrotherapie. 1855 kündigte er an, dass AC überlegen sei Gleichstrom Für elektrotherapeutische Auslösen von Muskelkontraktionen.[5] Der Ungarische Wechselwechsel wurde weiterentwickelt Ganz arbeitet Firma (1870er Jahre) und in den 1880er Jahren: Sebastian Ziani de Ferranti, Lucien Gallard, und Galileo Ferraris.

1876 ​​der russische Ingenieur Pavel yablochkov erfand ein Beleuchtungssystem, bei dem Induktionsspulen entlang einer Hochspannungs -Wechselstromlinie installiert wurden. Anstatt die Spannung zu wechseln, übertragen die primären Wicklungen die Leistung auf die sekundären Wicklungen, die mit einem oder mehreren verbunden waren "Elektrische Kerzen" (Bogenlampen) seines eigenen Designs,[6][7] Wird verwendet, um den Fehler einer Lampe daran zu hindern, den gesamten Stromkreis zu deaktivieren.[6] 1878 die Ganz FactoryBudapest, Ungarn, begann mit der Herstellung von Geräten für elektrische Beleuchtung und hatte bis 1883 über fünfzig Systeme in Österreich-Ungarn installiert. Ihre Wechselstromsysteme verwendeten Lichtbogen- und Glühlampen, Generatoren und andere Geräte.[8]

Transformer

Wechselnde aktuelle Systeme können verwenden Transformer Spannung von niedrig auf hohem und rücken und Erzeugung und Verbrauch bei niedrigen Spannungen, aber die Übertragung, möglicherweise über große Entfernungen, bei hoher Spannung, mit Einsparungen bei den Kosten von Leitern und Energieverlusten ermöglichen. Ein bipolarer offener Kern Leistungstransformator entwickelt von Lucien Gallard und John Dixon Gibbs wurde 1881 in London demonstriert und zog das Interesse von angezogen Westinghouse. Sie zeigten auch die Erfindung in Turin 1884. Diese frühen Induktionsspulen mit offenen Magnetschaltungen sind jedoch bei der Übertragung der Stromversorgung an ineffizient Ladungen. Bis etwa 1880 war das Paradigma für die Wechselstromübertragung von einer Hochspannungsversorgung zu einer niedrigen Spannungslast eine Serienschaltung. Open-Core-Transformatoren mit einem Verhältnis nahe 1: 1 wurden mit ihren Vorwahlen in Reihe verbunden, um die Verwendung einer Hochspannung für die Übertragung zu ermöglichen, während die Lampen eine niedrige Spannung präsentierten. Der inhärente Fehler in dieser Methode war, dass das Ausschalten einer einzelnen Lampe (oder eines anderen elektrischen Geräts) die Spannung beeinflusste, die allen anderen auf demselben Stromkreis geliefert wurde. Viele einstellbare Transformatorkonstruktionen wurden eingeführt, um dieses problematische Merkmal der Serienschaltung zu kompensieren, einschließlich derjenigen, die Methoden zur Anpassung des Kerns oder zur Umgehung des magnetischen Flusss um einen Teil einer Spule verwenden.[9] Die Gleichstromsysteme hatten diese Nachteile nicht und erzielten erhebliche Vorteile gegenüber frühen Wechselstromsystemen.

Pioniere

Das ungarische "ZBD" -Team (Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri), Erfinder der ersten hohen Effizienz, Shunt-Shunt-Verbindung mit geschlossenen Kern Transformator
Der Prototyp des ZBD -Transformators in der Széchenyi István Memorial Exhibition, Nagycenk in Ungarn

Im Herbst 1884, Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy und Miksa Déri (ZBD) drei Ingenieure, die mit dem verbunden sind Ganz arbeitet von Budapest stellte fest, dass Open-Core-Geräte unpraktisch waren, da sie nicht in der Lage waren, die Spannung zuverlässig zu regulieren.[10] In ihrem Gelenk von 1885 Patentanwendungen für neuartige Transformatoren (später als ZBD -Transformatoren genannte) beschrieben sie zwei Konstruktionen mit geschlossenen Magnetschaltungen, bei denen Kupferwicklungen entweder um einen Ringkern von Eisendrähten gewickelt wurden oder sonst von einem Kern von Eisendrähten umgeben waren.[9] In beiden Designs fuhr der magnetische Fluss, der die primären und sekundären Wicklungen verbindet Toroidkerne). Die neuen Transformatoren waren 3,4-mal effizienter als die offenen bipolaren Geräte von Gallard und Gibbs.[11] Die Ganzfabrik im Jahr 1884 versandte die ersten fünf hocheffizienten AC-Transformatoren der Welt.[12] Diese erste Einheit wurde zu den folgenden Spezifikationen hergestellt: 1.400 W, 40 Hz, 120: 72 V, 11,6: 19,4 A, Verhältnis 1,67: 1, Ein-Phasen-, Shell-Form.[12]

Die ZBD -Patente umfassten zwei weitere wichtige miteinander verbundene Innovationen: eine bezüglich der Verwendung von parallel verbundenen anstelle von Serien verbundenen Nutzungsbelastungen, die andere in Bezug V bis 2000 V) als die Spannung der Nutzungsbelastungen (100 V anfangs bevorzugt).[13][14] In parallel angeschlossenen elektrischen Verteilungssystemen machten geschlossene Transformatoren es technisch und wirtschaftlich machbar, die Beleuchtung in Häusern, Unternehmen und öffentlichen Räumen elektrisch zu lohnen.[15][16] Bláthy hatte die Verwendung von geschlossenen Kernen vorgeschlagen, Zipernowsky hatte die Verwendung von vorgeschlagen Parallele Shunt -Verbindungenund Déri hatte die Experimente durchgeführt;[17] Der andere wesentliche Meilenstein war die Einführung von "Spannungsquelle, Spannungsintensiv" (VSVI) Systeme "[18] durch die Erfindung konstanter Spannungsgeneratoren im Jahr 1885.[19] Anfang 1885 beseitigten die drei Ingenieure auch das Problem von Wirbelstrom Verluste mit der Erfindung der Laminierung elektromagnetischer Kerne.[20] Ottó Bláthy erfand auch die erste Klimaanlage Elektrizitätsmesser.[21][22][23][24]

Das Wechselstromsystem wurde nach 1886 schnell entwickelt und übernommen, weil er Strom effizient über große Entfernungen verteilen kann, wodurch die Einschränkungen des Gleichstrom System. Im Jahr 1886 entwarfen die ZBD -Ingenieure den ersten der Welt Kraftwerk Das verwendete Wechselstromgeneratoren, um ein parallelverbundenes gemeinsames elektrisches Netzwerk, das dampfbetriebene Rome-Cerchi-Kraftwerk, mit Strom zu versorgen.[25] Die Zuverlässigkeit der Wechselstromtechnologie erhielt Impulse, nachdem die Ganz -Arbeiten eine große europäische Metropole elektrisierten: Rom 1886.[25]

Westinghouse Frühes Wechselstromsystem 1887
(US -Patent 373035)

Im Vereinigten Königreich, Sebastian de Ferranti, der seit 1882 in London Wechselstromgeneratoren und -Transformatoren entwickelt hatte, hat das Wechselstromsystem 1886 für die London Electric Supply Corporation (LESCO) neu gestaltet, einschließlich Lichtmaschinen seines eigenen Designs und Transformatordesigns ähnlich wie Gauard und Gibbs.[26] 1890 entwarf er ihr Kraftwerk in Deptford[27] und verwandelte die Grosvenor Gallery Station über die Themse in eine Umspannwerk, zeigen den Weg, ältere Pflanzen in ein universelles Wechselstromversorgungssystem zu integrieren.[28]

In den USA., William Stanley, Jr. entwarf eines der ersten praktischen Geräte, um die Wechselstromleistung effizient zwischen isolierten Schaltungen zu übertragen. Verwenden Sie Paare von Spulen, die auf einem gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, sein Design, genannt Induktionsspulewar früh Transformator. Stanley arbeitete auch an europäischen Entwürfen wie Gaulard und Gibbs Transformator für US -Unternehmer George Westinghouse der 1886 mit dem Bau von Wechselstromsystemen begann. Die Ausbreitung von Westinghouse und anderen Wechselstromsystemen löste Ende 1887 einen Vorstoß von einem Vorsprung aus Thomas Edison (Ein Befürworter von Direktstrom), der versuchte, in einer öffentlichen Kampagne namens The "das" Wechseltrieb als zu gefährlich "zu diskreditieren"Kriegskrieg". Im Jahr 1888 erlangten abwechselende Stromsysteme mit Einführung eines funktionalen AC Motor, etwas, das diesen Systemen bis dahin nicht mehr hatten. Das Design, ein Induktionsmotor, wurde unabhängig erfunden von Galileo Ferraris und Nikola Tesla (mit Teslas Design von Westinghouse in den USA lizenziert). Dieses Design wurde weiter zum modernen Praktikum entwickelt Drei Phasen Form von Mikhail Dolivo-dobrovolsky, Charles Eugene Lancelot Brown.[29] und Jonas Wenström.

Das Ames Wasserkraftanlage und die ursprünglichen Niagarafälle Adams Kraftwerk gehörten zu den ersten Wasserkraftwerken für Wasserkraftwerke. Die erste Langstreckenübertragung von einphasiger Strom stammte von einem Wasserkraftwerk in Oregon in Willamette Falls, das 1890 vierzehn Meilen flussabwärts in die Innenstadt von Portland zur Straßenbeleuchtung versandte.[30] Im Jahr 1891 wurde in Telluride Colorado ein zweites Übertragungssystem installiert.[31] Der Generator des San Antonio Canyon war das dritte kommerzielle einphasige Wasserkraftwerk in den USA, um einen Fernstrom bereitzustellen. Es wurde am 31. Dezember 1892 von fertiggestellt Almetarien William Decker der Stadt von Macht versorgen Pomona, Kalifornien, die 14 Meilen entfernt war. 1893 entwarf er den ersten Werbespot Drei Phasen Kraftwerk in den Vereinigten Staaten mit abwechselndem Strom - der Wasserkraft Mill Creek Nr. 1 Wasserkraftwerk nahe Redlands, Kalifornien. Deckers Design hat eine 10-kV-Drei-Phasen-Übertragung integriert und die Standards für das vollständige System der Generation, Übertragung und Motoren festgelegt, die heute verwendet werden. Das Jaruga -Wasserkraftwerk in Kroatien wurde am 28. August 1895 in Betrieb in Betrieb Ganz. Die Übertragungslinie vom Kraftwerk in die Stadt von Šibenik war 11,5 Kilometer lang an Holztürmen, und das kommunale Verteilungsgitter 3000 V/110 V enthielt sechs Transformationsstationen. Im zweiten Teil des 19. und frühen 20. Jahrhunderts entwickelte sich wechselnde Stromkreistheorie. Bemerkenswerte Mitwirkende zur theoretischen Grundlage von Wechselstromberechnungen umfassen Charles Steinmetz, Oliver Heaviside, und viele andere.[32][33] Berechnungen in unausgeglichenen dreiphasigen Systemen wurden durch die vereinfacht Symmetrische Komponenten Methoden diskutiert von Charles Legeyt Fortescue 1918.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ N. N. Bhargava & D. C. Kulshreshtha (1983). Grundlegende Elektronik- und lineare Schaltungen. Tata McGraw-Hill Education. p. 90. ISBN 978-0-07-451965-3.
  2. ^ National Electric Light Association (1915). Handbuch des elektrischen Messgeräts. Kugelpresse. p. 81.
  3. ^ "Die Grundlagen von 400-Hz-Stromversorgungssystemen". Elektrokonstruktion & Wartung (EC & M) Magazin. 1. März 1995.
  4. ^ "Pixii -Maschine erfunden von Hippolyt Pixii, National High Magnet Field Laboratory". Archiviert von das Original am 2008-09-07. Abgerufen 2012-03-23.
  5. ^ Licht, Sidney Herman., "Geschichte der Elektrotherapie", in therapeutischer Elektrizität und ultraviolettem Strahlung, 2. Aufl., Hrsg. Sidney Licht, New Haven: E. Licht, 1967, pp. 1-70.
  6. ^ a b "Stanley Transformator". Los Alamos Nationales Labor; Universität von Florida. Archiviert von das Original am 2009-01-19. Abgerufen 9. Januar, 2009.
  7. ^ De Fonveille, W. (22. Januar 1880). "Gas und Strom in Paris". Natur. 21 (534): 283. Bibcode:1880natur..21..282d. doi:10.1038/021282b0. Abgerufen 9. Januar, 2009.
  8. ^ Hughes, Thomas P. (1993). Stromnetze: Elektrifizierung in der Western Society, 1880–1930. Baltimore: The Johns Hopkins University Press. p. 96. ISBN 0-8018-2873-2. Abgerufen 9. September, 2009.
  9. ^ a b Uppenborn, F. J. (1889). Geschichte des Transformators. London: E. & F. N. Spon. S. 35–41.
  10. ^ Hughes (1993), p. 95.
  11. ^ Jeszenzky, Sándor. "Elektrostatik und Elektrodynamik an der Pest University Mitte des 19. Jahrhunderts" (PDF). Universität von Pavia. Abgerufen 3. März, 2012.
  12. ^ a b Halacsy, A. A.; Von Fuchs, G. H. (April 1961). "Transformer erfunden vor 75 Jahren". IEEE -Transaktionen des American Institute of Electrical Engineers. 80 (3): 121–125. doi:10.1109/aIEepas.1961.4500994. S2CID 51632693.
  13. ^ "Ungarische Erfinder und ihre Erfindungen". Institut für die Entwicklung alternativer Energie in Lateinamerika. Archiviert von das Original Am 2012-03-22. Abgerufen 3. März, 2012.
  14. ^ "Bláthy, Ottó Titusz". Budapest University of Technology and Economics, National Technical Information Center und Bibliothek. Abgerufen 29. Februar, 2012.
  15. ^ "Bláthy, Ottó Titusz (1860–1939)". Ungarisches Patentbüro. Abgerufen 29. Januar, 2004.
  16. ^ Zipernowsky, K.; Déri, ​​M.; Bláthy, O.T. "Induktionsspule" (PDF). US -Patent 352 105, ausgegeben am 2. November 1886. Abgerufen 8. Juli, 2009.
  17. ^ Smil, Vaclav (2005). Schaffung des 20. Jahrhunderts: Technische Innovationen von 1867–1914 und ihre dauerhaften Wirkung. Oxford: Oxford University Press. p.71. ISBN 978-0-19-803774-3. ZBD -Transformator.
  18. ^ Amerikanische Gesellschaft für Ingenieurausbildung. Konferenz - 1995: Jahreskonferenzbereitschaft, Band 2, (Seite: 1848)
  19. ^ Hughes (1993), p. 96.
  20. ^ Electrical Society of Cornell University (1896). Verfahren der Electrical Society der Cornell University. Andrus & Church. p. 39.
  21. ^ Eugenii Katz. "Blathy". People.clarkson.edu. Archiviert von das Original am 25. Juni 2008. Abgerufen 2009-08-04.
  22. ^ Ricks, G.W.D. (März 1896). "Stromversorgungsmesser". Zeitschrift der Institution of Electrical Engineers. 25 (120): 57–77. doi:10.1049/jiee-1.1896.0005. Studentenpapier gelesen am 24. Januar 1896 beim Treffen der Studenten.
  23. ^ Der Elektriker, Band 50. 1923
  24. ^ Offizielle Gazette des US -Patentamtes: Band 50. (1890)
  25. ^ a b "Ottó Bláthy, Miksa Déri, ​​Károly Zipernowsky". IEC Techline. Archiviert von das Original Am 30. September 2007. Abgerufen 16. April, 2010.
  26. ^ Hughes (1993), p. 98.
  27. ^ Ferranti Timeline Archiviert 2015-10-03 bei der Wayback -MaschineMuseum für Wissenschaft und Industrie (Zugriff 22-02-2012)
  28. ^ Hughes (1993), p. 208.
  29. ^ Arnold Heertje, Mark Perlman id=qQMOPjUgWHsC&pg=PA138&lpg=PA138&dq=tesla+motors+sparked+induction+motor&source=bl&ots=d0d_SjX8YX&sig=sA8LhTkGdQtgByBPD_ZDalCBwQA&hl=en&sa=X&ei=XoVSUPnfJo7A9gSwiICYCQ&ved=0CEYQ6AEwBA#v=onepage&q=tesla%20motors%20sparked%20induction%20motor&f=false Evolving Technology and Marktstruktur: Studien zur schumpeterischen Wirtschaft, Seite 138
  30. ^ "Elektrische Übertragung von Strom". General Electric Review. Xviii. 1915.
  31. ^ "Elektrische Übertragung von Strom". General Electric. Xviii. 1915.
  32. ^ Grattan-Guinness, I. (19. September 2003). Begleitzyklopädie der Geschichte und Philosophie der mathematischen Wissenschaften. JHU Press. ISBN 978-0-8018-7397-3 - über Google Books.
  33. ^ Suzuki, Jeff (27. August 2009). Mathematik im historischen Kontext. Maa. ISBN 978-0-88385-570-6 - über Google Books.

Weitere Lektüre

  • Willam A. Meyers, Geschichte und Überlegungen zu den Art und Weise, wie die Dinge waren: Mill Creek Kraftwerk - Geschichte mit AC machen, IEEE Power Engineering Review, Februar 1997, S. 22–24

Externe Links