Wisselspanning
Wisselspanning is een periodieke elektrische spanning die met een bepaalde frequentie wisselt tussen positieve en negatieve waarden. Er is meestal een min of meer sinusoïdaal spanningsverloop, maar ook andere vormen zijn mogelijk. Wisselspanning is de tegenhanger van gelijkspanning. Wisselspanning in een gesloten circuit veroorzaakt wisselstroom, de tegenhanger van gelijkstroom.
De elektrische energie die wordt geleverd door het elektriciteitsnet, heeft in Noord-Amerika, delen van Zuid-Amerika en in een aantal Aziatische landen een frequentie van 60 Hz. In de rest van de wereld, waaronder geheel Europa en Afrika, is de frequentie 50 Hz.
Met behulp van een transformator kan wisselspanning omhoog of omlaag getransformeerd worden. Hierdoor kan het vermogen over lange afstanden onder hoogspanning gedistribueerd worden. Dit is het grote voordeel van wisselspanning.
Wisselspanning wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale met drie fasen, die onderling 120 graden in fase verschillen (driefasenspanning of draaistroom).
Een wisselspanning kan onder andere worden opgewekt door een magneetveld in een spoel te bewegen. Dit wordt onder andere toegepast bij dynamo's, generatoren en microfoons.
Sinus
Sinus en cosinus zijn onderling sterk samenhangende goniometrische functies. Zij worden in de wiskunde gebruikt als aanduidingen van de verhouding van lengtes van lijnstukken. Later werden van deze verhoudingen functies afgeleid. Zo is de sinus de functie met als grafiek de bekende golflijn.
Hieronder het effect gezien in de tijd.
Effectieve waarde en piekspanning
De wisselspanning van het energienet is min of meer sinusvormig. Het verloop van de spanning in de tijd is:
Ut = Umax sin(2πft),
waarin:
f de frequentie is (in Europa meestal 50 hertz) en
Umax de piekspanning, de amplitude van de spanning.
De piekspanning is hoger dan effectieve waarde Ueff van de spanning. Het voltage van de netspanning, ca. 230 V, is de effectieve waarde van de spanning. Er geldt:
Umax = √2 × Ueff ≈ 1,4 Veff.
Het piekvoltage van de netspanning is dus:
Umax = √2 × 230 V = 325 V.
De spanning varieert dus tussen -325 V en 325 V.
Een fase wisselspanning
Een fase wisselspanning wordt veel gebruikt om fietsverlichting te voeden met een dynamo.
Voor motoren is deze vorm niet geschikt omdat de motor niet weet welke kant deze moet draaien. Door het plaatsen van een hulp wikkeling welke 90° gedraaid is t.o.v. de hoofdwikkeling en een condensator kan men een draaiveld maken. De motor weet nu welke kant hij moet opdraaien.
Deze eenfase motoren worden o.a. in wasmachines gebruikt.
Drie fase wisselspanning
De in de centrales opgestelde generatoren bevatten drie gescheiden wikkelingen, deel uitmakend van de stator, die ten opzichte van elkaar 120° zijn verschoven, en die drie spanningen opwekken met een netfrequentie van 50 Hertz. Aangezien de wikkelingen ruimtelijk 120° zijn verschoven, of ten opzichte van elkaar een faseverschil hebben van 2/3π, en de rotor van de generator steeds langs deze verschoven wikkelingen draait en ze een voor een passeert, zullen ook de opgewekte spanningen - zoals de afbeelding laat zien - niet gelijktijdig op hun maximum zijn of door nul gaan. Driefasige wisselspanning wordt hierom ook wel draaistroom genoemd.
Schema van een driefasengenerator. De roterende permanente magneet induceert in de spoelen een driefasenspanning in de leidingen L1, L2 en L3.
De drie fase tegelijk weergegeven.
Animatie van een driefasenstroom.
Krachtstroom is de term die wordt gebruikt voor een elektrische aansluiting tussen twee of drie fasen van een driefasenenergiesysteem, in plaats van tussen een fase en het sterpunt. Een driefasenaansluiting heeft tussen de fasen onderling een hogere spanning, in het geval van een laagspanningsaansluiting is dat in Europa meestal 400 volt, terwijl de spanning tussen een fase en het sterpunt 230 volt bedraagt. Vroeger waren deze spanningen in Nederland en België op de meeste plaatsen 380 volt en 220 volt, maar dit is geleidelijk opgevoerd in het kader van de harmonisering van het lichtnet in Europa (in CENELEC-verband).
Een krachtstroomaansluiting heeft drie fase-aansluitingen en een nulaansluiting. De fasen werden vroeger R, S en T genoemd, maar tegenwoordig worden ze L1, L2 en L3 genoemd.
Transformator configuraties
Een en bifaseschakelingen
In een een-fasenet zijn twee opties mogelijk. Een trafo met of zonder midden aftakking.
Het gebruikte systeem in de USA en Canada met middenaftakking.
Driefase schakelingen
Voor driefase netten kan de trafo in ster of driehoek worden geschakeld. Dit is afhankelijk of men een nulleider of een niet zwevend net wil hebben.
Er zijn verschillende systemen voor krachtstroom: 127/220 (verouderd), 220/380 later 230/400 (gebruikelijke spanning voor de aanduiding krachtstroom), en 400/690 (industriespanning). De eerste waarde is de spanning tussen een fase en de nul (fasespanning), de tweede waarde is de spanning tussen 2 fasen (lijnspanning).
De lijnspanning is een factor √3 groter dan de fasespanning. Uit de hoofdeigenschap van een driefasenspanning (de fasen lopen 120° van elkaar uiteen) is verder af te leiden dat de som van de drie spanningen op ieder moment 0 volt is. Dit houdt in dat indien men een symmetrische belasting in ster aansluit op de krachtstroomaansluiting, er door de gemeenschappelijke nulgeleider geen stroom loopt.
Sterschakeling
De drie wikkelingen u1, v1, en w1 van de transformator voeden de fasen L1, L2 en L3. Op het gemeenschappelijke nulpunt N (n) worden de andere einden u2, v2 en w2 van de wikkelingen met elkaar verbonden.
Op elk van de wikkelingen, dus tussen L1 en N, tussen L2 en N en tussen L3 en N is de fasespanning Ufase aanwezig. De spanning tussen L1 en L2, tussen L1 en L3 en tussen L2 en L3 noemt men de lijnspanning Ulijn of de gekoppelde spanning.
Spanningen op een driefase-aansluiting.
Het verband tussen de fasespanning en de lijnspanning is:
Ulijn = √3 × Ufase
Voor de bijbehorende stromen geldt:
Ilijn = Ifase.
Driehoekschakeling
De secundaire wikkelingen van de transformator kunnen ook worden aangesloten volgens onderstaande afbeelding. Deze schakeling wordt aangeduid met driehoekschakeling.
Aangezien hier geen nulpunt aanwezig is, vallen de fasespanning en de lijnspanning samen, dus:
Ulijn = Ufase.
Voor de bijbehorende stromen geldt echter alleen:
Ilijn = √3 × Ifase.
Vermogen
Het elektrisch vermogen Pfase van een fase is:
Pfase = Ufase × Ifase × cosΦ.
Voor de drie fasen gezamenlijk:
P = 3 × Pfase = 3 × Ufase × Ifase × cosΦ.
Daarin is cosΦ de arbeidsfactor.