Wechselstrom

Wechselströme bzw. -spannungen ändern regelmäßig ihre Polarität und ihr zeitlicher Mittelwert ist null. Die Zeit für eine Schwingung einer solchen Wechselgröße ist die Periodendauer T. Der Kehrwert dieser Größe ist die Frequenz f, die die Schwingungen pro Sekunde angibt. Es gilt also:

T = 1/f   bzw.   f = 1/T

Das rechts dargestellte Bild zeigt den zeitlichen Verlauf einer sinusförmigen Wechselspannung. Diese Spannungsart wird häufig zur Energieübertragung verwendet, da sie sich mit Hilfe von Transformatoren sehr leicht in kleinere oder größere Spannungen wandeln (transformieren) lässt.

Die Übertragung der elektrischen Energie über große Distanzen erfolgt über hohe Spannungen, weil sich bei konstanter Übertragungsleistung der Strom entsprechend verkleinert. Da die Übertragungsleitungen einen definierten Widerstand besitzen, lässt sich auf diese Weise der Spannungsfall und damit die Verluste auf den Leitungen stark reduzieren. In der Nähe der Haushalte wird diese Spannung dann auf die Spannung von 400 V bzw. 230 V abgesenkt, wodurch dann entsprechend hohe Ströme genutzt werden können und der Aufwand für die Schutzisolierung wesentlich geringer als bei hohen Spannungen ausfällt.

Bei sinusförmigen Wechselspannungen werden in Abhängigkeit der Energiewandler-Arten („Verbraucher“) unterschiedliche Leistungen umgesetzt. So tritt z. B. bei Motoren neben der Wirkleistung, die durch die Wicklungswiderstände und den Wirbelstrom bedingten Eisenverlusten entsteht, auch eine induktive Blindleistung auf. Diese resultiert aus dem permanenten Auf- und Abbau der Magnetfelder. Daneben gibt es die kapazitive Blindleistung, die z. B. auftritt, wenn mit einem kapazitiven Sensor in der Papierproduktion die Dicke der produzierten Papierbahnen kontrolliert wird.

Ein großer Nachteil dieser Blindleistungen ist, dass sie zu einer Phasenverschiebung der Spannung und / oder des Stromes führen und sie periodisch zwischen dem „Verbraucher“ und dem Generator (Kraftwerk) hin- und herpendeln. An den dazwischenliegenden recht langen Verbindungsleitungen entstehen somit nicht unerhebliche Leistungsverluste. Es wird daher angestrebt, diese Blindleistung so gering wie möglich zu halten. Dies erreicht man bei Antriebsmotoren über eine Blindleistungskompensation mit Kondensatoren. Bei kapazitiven Lasten erfolgt die Kompensation mit Hilfe von Induktivitäten (Spulen).

Für die Berechnung der Wechselspannungsgrößen wird die komplexe Rechnung verwendet. Die reine Wirkleistung lässt sich aus der Multiplikation der quadratischen Mittelwerte (RMS, englisch: „Root Mean Square“) der Spannung und des durch den Widerstand fließenden Stromes berechnen. Diese quadratischen Mittelwerte bezeichnet man auch als Effektivwerte von Spannung und Strom. Da die Wirkleistung aufgrund des periodischen Strom- und Spannungsverlaufes mit der doppelten Frequenz (im Vergleich zum Signalverlauf von Strom und Spannung) zwischen Null und einem positiven Maximalwert hin- und herpendelt, hat man keine Möglichkeit die im Widerstand umgesetzte Wärmeleistung als konstante Größe anzugeben. Bestimmt man aber den sich einstellenden Mittelwert der Leistung, ergibt sich eine über die Periode konstante Gleichleistung. Diese entspricht der Leistung, die beim Anlegen einer Gleichspannung im Widerstand die gleiche Wärmeenergie erzeugen würde. Die Gleichspannung und der damit verbundene Gleichstrom sind die o. g. Effektivwerte des periodischen Signals.

Da der Mittelwert der Leistung von der Form der periodischen Spannungen und Ströme abhängig ist, gibt es für die in der Praxis häufig auftretenden sinus-, dreieck-, sägezahn-, trapez- oder rechteckförmigen Signale unterschiedliche Effektivwerte.

Wechselströme bzw. -spannungen werden häufig mit der Abkürzung AC (englisch: „alternating current“) gekennzeichnet.

Überlagert man einer Gleichspannung eine Wechselspannung, erhält man eine periodische Spannung mit Gleichanteil. Diese Überlagerung wird als Mischspannung bezeichnet.

Nachfolgend ist in einer Animation schematisch die Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) durch einen Synchrongenerator zu sehen.