Wechselstrom

Wechselstrom bezeichnet elektrischen Strom, der seine Richtung (Polung) periodisch und in steter Wiederholung ändert.

Weltweit wird die elektrische Energieversorgung am häufigsten mit Wechselstrom vorgenommen. Die Gründe für diese Bevorzugung sind die einfache Erzeugung, die verlustarme Fern-Übertragung hochgespannten Wechselstroms, einfache Motoren mit hohem Wirkungsgrad durch verkettete Dreiphasen-Wechselstrom-Systeme, daneben ist in der Nachrichtentechnik grösstenteils hochfrequenter Wechselstrom unverzichtbar.

Form

Rechteckförmige Wechselspannung mit T für die Periodendauer und U für den Spannungs-Spitzenwert

Die einfachste denkbare Form von Wechselstrom entsteht durch ständig wechselnde Umpolung einer Gleichstromquelle, woraus sich der Verlauf einer Rechteck-Impuls-Wechselstromes ergibt. Um technisch sinnvoll nutzbar zu sein, müsste die Umpolung mit genügend hoher Wiederholungsrate und ohne Unterbrechungslücken beim Umschalten erfolgen.

Die verbreitetste Form des Wechselstromes ist jedoch der „sinusförmige Wechselstrom“. Er hat seinen Namen daher, daß die Momentanwerte über eine vollständige Periode mit einer positiven und einer negativen Halbwelle exakt den Werten der Sinus-Winkelfunktion über einen Vollkreis (0 - 360°) entsprechen, die grafische Darstellung ergibt dabei die typische „Sinuskurve“.

Trotz seines komplizierten Verlaufs ist er technisch weit einfacher herzustellen als Rechteck-Impuls-Wechselstrom. Dreht man eine Leiterschleife mit konstanter Drehbewegung in einem ruhenden Magnetfeld, so durchlaufen die beiden Seiten der Leiterschleife nacheinander jeweils erst von links dann von rechts durch das magnetische Feld, wodurch erst zu-, dann wieder abnehmend ein Stromimpuls erst in die eine, dann in die andere Richtung induziert wird.

Verlauf von Strom und Spannung des sinusförmigen Wechselstroms bei rein ohmscher Belastung

In industriellen Generatoren werden statt einer Leiterschleife Spulen mit vielen Windungen und statt einem Magnetpolpaar mehrere Polpaare verwendet. Damit können hohe Spannungen und genügend hohe Frequenzen des so generierten Wechselstromes erzeugt werden.

Sinusförmiger Wechselstrom kann daneben auch mit computergesteuerter Leistungselektronik aus Gleichstrom erzeugt werden, z.B. in Wechselrichtern bei der Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz.

Mehrphasiger Wechselstrom / Drehstrom

In der Praxis werden statt nur eines Wechselstroms in den Generatoren drei separate Wechselstrom-„Phasen“ erzeugt durch die Anordnung von 3 Spulen, die gleichmässig um den Kreisumfang verteilt sind. In den Spulen entstehen dann einzelne Wechselspannungen, die zeitlich um jeweils eine Drittelperiode (oder 120° bei einem Kreisumlauf) gegenüber den anderen Spulenspannungen versetzt ist. Die einzelnen Phasen des industriellen Wechselstroms lassen sich unabhängig voneinander als Einzelsystem bei Kleinverbrauchern nutzen. Für Motorantriebe bietet jedoch die Nutzung der drei zeitlich gegeneinander verschobenen Phasenströme grosse Vorteile. Leitet man diese Spannungen in einen Motor mit 3 im Kreis versetzten Spulen, so entsteht wieder ein rotierendes Magnetfeld, das einen einfachen Kurzschlußläufer in Rotation versetzt.

Frequenzbereiche

Der normale Netzwechselstrom hat in Deutschland und anderen europäischen Staaten eine Frequenz von 50 Hz, weltweit häufig auch von 60 Hz.

Mehrere europäischen Eisenbahnen, u.a. die [[Deutsche Bahn|Deutsche Bahn AG] nutzen eine (Bahn-)Netzfrequenz von 16,7 Hz (früher genau 16 2/3 Hz), die mit den damals überwiegend verwendeten Kommutatormotoren besser genutzt werden konnte.

Für Funkübertragungen und andere Zwecke werden hochfrequente Wechselströme mit Frequenzen im Kilohertz- oder Megahertz-Bereich benutzt. Hochfrequente Wechselströme (300 - 3.000 kHz) mit sehr geringer Stromstärke werden u. a. in der medizinischen Therapie als Diathermieströme eingesetzt. Sie werden für zur Erwärmung bestimmter tief liegender Gewebeabschnitte verwendet.

Man zählt Ströme bis 20.000 Hz zur Niederfrequenz, die Mittelfrequenz reicht bis 300.000 Hz, die Hochfrequenz bis 300 MHz, anschließend beginnt die Höchstfrequenz.

International wird Wechselstrom häufig auf Englisch mit Alternating Current bzw. dem Kürzel AC bezeichnet.

Siehe auch

• Wechselstrom-Transformator

Literatur

• Klaus Lunze, Theorie der Wechselstromschaltungen, Verlag Technik, 1991, ISBN 3-3410-0984-1
• Paul Vaske, Berechnung von Wechselstromschaltungen, 1985, ISBN 3-5192-0065-1
• Heinz Rieger, Wechselspannung, Wechselstrom, Publicis Corporate Publishing, Oktober 1992, ISBN 3-8009-4036-1

Weblinks

• www.zum.de - Animierte Veranschaulichung von Wechselgrößen
• Versuche und Aufgaben zum Wechselstrom

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