Wenn wir etwas über Wechselstrom lernen, können wir ihn einfach anhand eines einfachen Wechselstromkreises verstehen.
Bedenken Sie, dass der Wechselstromkreis bei seiner Analyse und Berechnung meist sinusförmige Wellenformen verwendet.
Zuvor müssen wir sicherstellen, dass wir eine klare Vorstellung davon haben, was Wechselstromkreise von Gleichstromkreisen unterscheidet.
Die grundlegende Theorie des Wechselstromkreises
Ein Gleichstromkreis wird durch eine Gleichspannung versorgt, sodass sein Strom nur in eine Richtung fließt, nämlich von der positiven zur negativen Polarität. Dieser Kreis wird von der Konstantspannungsquelle versorgt.
In der Theorie der Wechselstromkreise wird ein Wechselstromkreis durch eine Wechselspannung versorgt, sodass sein Strom von der positiven zur negativen und dann von der negativen zur positiven Polarität fließt, wie wir es bei der sinusförmigen Wellenform verstanden haben.
Die Amplitude des Wechselstromkreises schwankt zwischen positivem Wert, Null und negativem Wert. Diese oszillierende Spannung und Stromstärke wird in einem bestimmten Zeitintervall wiederholt. Es gibt verschiedene Wellenformen in einem Wechselstromkreis, aber wir werden die sinusförmige Wellenform untersuchen, da sie am häufigsten vorkommt.
Jetzt werden wir einen einfachen Wechselstromkreis bauen, der aus einer Wechselspannungsquelle und einem Widerstand besteht. Beachten Sie, dass das folgende Wechselstrom Schaltbild aus einer Wechselspannungsquelle und einem Widerstand besteht.
Die obige Abbildung zeigt die Stromrichtung in einem Wechselstromkreis. Für eine bestimmte Zeit fließt der Strom von der positiven zur negativen Polarität und dann von der negativen zur positiven Polarität. Dies wiederholt sich von Zeit zu Zeit und bildet eine oszillierende Wellenform.
Da die Last nur ohmsch ist, haben Spannung und Strom dieselbe Phase, aber unterschiedliche Amplituden (je nach Last). Anders sieht es aus, wenn der Stromkreis eine induktive und/oder kapazitive Last hat. Dies werden wir später untersuchen.
Normalerweise verwenden wir diese beiden Gleichungen, um Wechselspannung und -strom darzustellen
Die Wellenform wiederholt sich nach einer Periode oder wenn T = 2π/⍵ erreicht wird. Während der Hälfte der Periode (0 – T/2) haben Spannung und Strom positive Werte, während der zweiten Hälfte der Periode (T/2 – T) haben sie negative Werte.
Alternating Current Circuit
Wie oben erwähnt, kann ein Wechselstromkreis rein resistiv, induktiv, kapazitiv oder eine Kombination aus zwei oder drei dieser Elemente sein. Im Gegensatz zu einem Gleichstromkreis, bei dem Induktivität und Kapazitiv die Wellenform nicht beeinflussen, beeinflussen induktive und kapazitive Lasten den Wechselstromkreis.
Der Strom hat möglicherweise nicht dieselbe Phase, Form oder Frequenz wie die Spannung.
Beachten Sie die sinusförmige Wellenform unten, die Wechselstrom darstellt.
Aus der Wellenform oben können wir verschiedene Variablen ableiten, wie:
- Amplitude
- Frequenz (f)
- Periode (T)
- Wellenform
- Zyklus
- Phase
- Usw.
Wenn Spannung und Strom gleichzeitig ihre maximale Amplitude erreichen, können wir daraus schließen, dass Spannung und Strom in Phase sind.
Darüber hinaus verwenden wir bei der Berechnung des Wechselstromkreises zur Vereinfachung den RMS-Wert (Root Mean Square). Dabei kann auch das Ohmsche Gesetz angewendet werden.
Das Ohmsche Gesetz lautet also
Was ist der Unterschied zwischen Widerstand (R) und Impedanz (Z)?
Der Widerstand widersteht sowohl Gleichstrom (DC) als auch Wechselstrom (AC), während die Impedanz nur dem Fluss von Wechselstrom entgegenwirkt. Dies ist der Hauptunterschied zwischen Impedanz und Widerstand.
Jetzt erfahren wir, wie sich induktive und kapazitive Einflüsse auf den Wechselstromkreis auswirken.
Einfacher Wechselstromkreis mit Widerstand (R)
Ein Widerstand ist ein passives elektrisches Bauteil, dessen Hauptfunktion darin besteht, den Stromfluss zu begrenzen. Er wird in Ohm (Ω) gemessen. Bei einem rein resistiven Wechselstromkreis ist die Strom Wellenform im Vergleich zur Spannung nicht verzerrt.
Auch wenn der Leiterdraht als induktiv angesehen werden kann, kann er ignoriert werden, da sein Wert im Vergleich zum Widerstand sehr klein ist. Der Widerstand wird verwendet, um den elektrischen Strom zu steuern, zu regeln und zu kontrollieren.
Der Widerstandswert bleibt unabhängig von der Frequenz konstant, anders als bei Induktor und Kondensator.
Schließlich sind Spannung und Strom in einem rein resistiven Wechselstromkreis in Phase.
Einfacher Wechselstromkreis mit Widerstand und Induktor (RL)
Ein Induktor sorgt für Induktivität. Dabei handelt es sich um eine Komponente, die Elektrizität in Form eines Magnetfeldes speichern und freigeben kann. Bei einem induktiven Wechselstromkreis ist die Strom Wellenform im Vergleich zur Spannung verzerrt.
In einem Wechselstromkreis mit RL-Last wird die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) im Induktor erzeugt (da es sich um eine Spule handelt). Es dauert einige Zeit, bis er vollständig mit einem Magnetfeld aufgeladen ist.
Zwischen induktiver Reaktanz und Induktivität besteht die unten gezeigte Beziehung.
Dabei gilt:
XL = induktiver Blindwiderstand, gemessen in Ohm (Ω)
f = Frequenz, gemessen in Hertz (Hz)
L = Induktivität, gemessen in Henry (H)
Wenn der Stromkreis induktiv ist, eilt die Spannung dem Strom voraus.
Einfacher Wechselstromkreis mit Widerstand und Kondensator (RC)
Ein Kondensator bietet Kapazität. Das ist eine Komponente, die Elektrizität in Form von elektrischen Ladungen speichern und freigeben kann. Bei einem kapazitiven Wechselstromkreis ist die Strom Wellenform im Vergleich zur Spannung verzerrt.
Der Kapazitätswert wird durch die Frequenz beeinflusst. Zwischen kapazitiver Reaktanz und Kapazität besteht die unten gezeigte Beziehung.
Dabei gilt:
XC = kapazitiver Blindwiderstand, gemessen in Ohm (Ω)
f = Frequenz, gemessen in Hertz (Hz)
C = kapazitiv, gemessen in Farad (F)
Wenn der Stromkreis kapazitiv ist, hinkt die Spannung dem Strom hinterher.
Einfacher Wechselstromkreis mit Widerstand, Induktor und Kondensator (RLC)
Dieser Typ von Wechselstromkreis hat ohmsche, induktive und kapazitive Lasten. Diese drei können in Reihe, parallel oder in einer Kombination angeschlossen werden. Durch die Kombination ergeben sich sowohl deren Vor- als auch Nachteile. Bei diesem Wechselstromkreis ist die Strom Wellenform im Vergleich zur Spannung verzerrt.
Dieser Schaltkreis verfügt über einen Widerstand mit Widerstand Eigenschaften, eine Induktivität, die wie eine Spule wirkt, und einen Kondensator, der dem Schaltkreis Kapazität verleiht.
Wechselstromkreis Analyse
Die Wechselstromkreis-Analyse besteht aus Spannung, Strom, Impedanz, Zeiger und Durchschnittsleistung.
Um unsere Analyse zu vereinfachen, können wir die folgenden zusätzlichen Wechselstromkreis Formeln verwenden. Versuchen Sie sich vorerst alle hier aufgeführten Gleichungen zu merken, um später mit Ihren Anwendungen fortzufahren.
Impedanz
Phasenwinkel eines Wechselstromkreises (RLC-Schaltung)
Durchschnittliche Verlustleistung durch Widerstand
Bedenken Sie, dass die Analyse eines Wechselstromkreises nicht so einfach ist wie die Verwendung einer bekannten Formel. Die Berechnung von Spannung und Strom erfordert eine stationäre Analyse, einen Zeiger und einige fortgeschrittene Theorien wie Fourier-Reihen. Dies ist einer der Nachteile von Wechselstrom, denn für die Analyse ist eine fortgeschrittene Technik erforderlich.
Abgesehen davon können wir natürlich kein elektrisches Gerät betreiben, wenn es mit Gleichspannung versorgt werden muss, wie z. B. eine Batterie.
Das werden wir später lernen.