vekselstrøm – Store norske leksikon (original) (raw)
Sinusformet vekselstrøm.
Faseforskyvning av vekselstrøm: Her ser vi på en seriekobling av en motstand og en kondensator, der i er strømmen, VR er spenningen over motstanden og VC er spenningen over kondensatoren.
Vekselstrøm er elektrisk strøm som skifter retning periodisk, slik at det i gjennomsnitt går like mye strøm i begge retninger langs en leder. Dette er i motsetning til likestrøm, der strømmen flyter i én retning med samme styrke. Vanlig, sinusformet vekselstrøm er vist i figur 1.
Elektrisk energi overføres vanligvis fra kraftverk til forbruker i form av vekselstrøm. Dette gjøres ved å transformere opp spenningen og sende vekselstrøm (se figur 1) til en transformator i forbrukerområdet. Der transformeres spenningen ned til 230 V før den elektriske energien fordeles til forbrukerne.
På engelsk brukes betegnelsen «Alternating current» (AC) om vekselstrøm, i motsetning til «Direct current» (DC), som betyr likestrøm.
Anvendelse
Tidsforløp for spenningen for hver av de tre ledningene i et trefasenett.
Vekselstrøm har store fordeler fremfor likestrøm både ved fremstilling i generatorer, ved overføring i fordelingsnettet og ved bruk for drift av motorer og apparater.
Ved elektrisitetsforsyning kan vekselstrøm transformeres opp til høy spenning for energioverføring over store avstander med små tap, og deretter transformeres ned til lav spenning i lokale fordelingsnett. Man kan dermed sende mye energi med liten strøm.
På verdensbasis er mesteparten av den elektriske energiforsyningen basert på vekselstrøm. I Norge og mange andre land (blant annet de fleste land i Europa) brukes trefase vekselstrøm (se figur 3) med frekvens 50 hertz i det offentlige strømfordelingsnettet. Spenningen i lokalnettet i Norge har en effektivverdi på cirka 230 volt. I USA og en del andre land brukes vekselstrøm med frekvens 60 hertz og spenning cirka 120 volt i lokalnettet.
I Norge skal trefaseinstallasjoner ha en ikke-strømførende jordledning i tillegg til de tre faseledningene. Jordledningen brukes som sikkerhet mot skader ved overledning eller kortslutning i ledningsnettet eller i tilkoblet utstyr. I Norge og de fleste land i Vest-Europa brukes også et femledersystem, der det i tillegg til de tre faseledningene er en strømførende såkalt null-leder (som har tilnærmet jordpotensial) og dessuten en ikke-strømførende jordledning. Se også elektrisitet (elektrisitetsforsyning).
Vekselstrøm med høy frekvens (i megahertz- og gigahertz-området) brukes til induktiv og dielektrisk oppvarming (se induksjonsoppvarming, elektrisk oppvarming), til medisinsk behandling og på en rekke områder innen elektronikk. Vekselstrøm brukes også i telekommunikasjon som radio-, fjernsyns- og radarteknikk.
Energitap ved overføring av elektrisk energi
Ved overføring av elektrisk energi fra for eksempel et kraftverk til en bruker langt unna er det viktig at energitapet ved overføringen blir minst mulig.
Det er nødvendig med minst to strømførende ledninger ved elektrisk energioverføring (i praksis brukes ofte tre). Effektoverføringen avhenger av spenningen mellom de to ledningene, mens effekttapet ved energioverføringen avhenger av spenningstapet langs hver av ledningene. Ved likestrøm er effekttapet gitt ved resistansen ganger kvadratet av strømmen, det vil si at liten strøm gir lite effekttap. Ved vekselstrøm er forholdet mer komplisert, og effekttapet avhenger av impedansen, men fortsatt er det slik at liten strøm gir lavt effekttap.
Den overførte effekten er lik spenning ganger strøm. For en gitt effekt er dermed strømmen mindre jo høyere spenningen er. Spenningen kan transformeres opp ved kraftverket til høyspenning på flere hundre kilovolt, og liten strøm i ledningene med lite tap av energi. Så kan spenningen transformeres ned etter behov på forbrukersiden.
Å minske strømmen ved å transformere opp spenningen kan se ut til å være i konflikt med Ohms lov, som sier at spenningsfallet langs en ledning er lik produktet av ledningens resistans og strømmen. Man skulle da tro at når spenningen transformeres opp, ville det gi økt strøm. Men spenningen det dreier seg om ved elektrisk energioverføring, er mellom to ledninger, ikke langs én ledning.
For en gitt strøm vil energitapet være større for vekselstrøm enn for likestrøm, fordi kapasitans (se kondensator) og induktans (spole) i strømnettet kan føre til ekstra strøm som gir tap i overføringen. Men det er enklere og billigere å transformere spenningen med vekselstrøm enn med likestrøm. Derfor brukes gjerne vekselstrøm ved overføring av elektrisk energi over avstander opp til omtrent 500 km. Ved energioverføring over enda lengre avstander brukes derimot høyspent likestrøm (HVDC – High Voltage Direct Current), siden man i vår tid har utviklet rimeligere metoder for å omforme vekselstrøm til likestrøm og tilbake igjen. I tillegg benyttes likestrøm ved overføring i kabel over en viss avstand (både i bakken og på havbunnen) der kapasitansen er svært høy.
Faseforskyvning mellom spenning og strøm
I en vekselstrømkrets som inneholder både motstander, kondensator og spoler, vil det vanligvis være faseforskyvning mellom strømmen og spenningen, og faseforskyvningen kan ha verdier fra −1/4 til +1/4 periode. Se figur 2. Matematisk angis faseforskyvningen ved en vinkel, som settes slik at en hel periode svarer til en vinkel på 360° eller 2π radianer. Fasevinkelen for en vekselstrømkrets kan da få verdier fra −90° til +90° (fra −π/2 til +π/2 radianer).
I stedet for å angi momentanverdien for en vekselstrøm (altså strømmen på ett bestemt tidspunkt eller som funksjon av tiden), angis ofte effektivverdien. For sinusformet vekselstrøm og spenning er effektivverdien lik 1/√2 ganger maksimalverdien. Middelverdien av effekten som en vekselstrøm avgir til en krets, er lik produktet av effektiv strøm, effektiv spenning og effektfaktoren. For en krets med bare ohmsk motstand er effektfaktoren lik 1.
Når det sendes vekselstrøm gjennom en motstand, vil spenningsfallet over motstanden variere i takt med strømmen, og spenningen er til enhver tid lik produktet av strøm og resistans (ifølge Ohms lov). Da sies spenningen og strømmen å være i fase. Påtrykkes derimot en vekselspenning over en spole, vil strømmen i spolen være faseforskjøvet i forhold til spenningen. Faseforskyvningen for en sinusformet strømforsyning blir en kvart periode. Påtrykkes en vekselspenning over en kondensator, vil strømmen i kondensatoren på tilsvarende vis bli faseforskjøvet men motsatt vei i forhold til en spole (se kondensator).
Historikk
Michael Faraday oppdaget fenomenet elektromagnetisk induksjon i 1831. Den franske instrumentmakeren Hippolyte Pixii utnyttet dette allerede i 1832 til å bygge den første kjente generatoren som produserte vekselstrøm basert på elektromagnetisk induksjon. Den tyske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi var den første som laget en praktisk anvendbar elektrisk motor. Han konstruerte en motor som kunne yte 300 watt. Under en demonstrasjon i St. Petersburg i 1838 brukte han motoren til å drive en båt.
I årene frem til 1866 ble det tatt ut hele 100 patenter på elektriske motorer bare i England. Det ble gjort stadig nye fremskritt for å utvikle en brukbar elektrisk motor, men problemet var den store vekten og kostnadene for batteriene.
I 1878 startet det ungarske Ganz Company å arbeide med énfase vekselstrøm i Budapest.
Midt i 1880-årene arbeidet britiske Sebastian Ziani de Ferranti med å utvikle vekselstrømsteknologi. Dette ble fulgt opp i Torino i Italia, der Lucien Gaulard i 1884 utviklet en transformator og et system for å overføre elektrisk energi. Det ble bygget mellom Lanzo og Turino. Lederen av bedriftens avdeling for utvikling av elektrisk utstyr var Galileo Ferraris. Han konstruerte i 1885 en flerfase vekselstrømsmotor som han presenterte i 1888.
I slutten av 1880-årene skjedde det mye når det gjelder utvikling av nye anvendelser for vekselstrøm. Uavhengig av hverandre bygget Charles Smith Bradley og Friedrich August Haselwander i 1887 de første trefasegeneratorene.
15. mai 1888 presenterte den serbiskamerikanske oppfinneren Nikola Tesla en avhandling for AIEE (nå IEEE) med tre patenter med tofase elektromotorer. Dette førte til at firmaet Westinghouse tok kontakt med Tesla, og han fungerte de kommende årene som konsulent for dette firmaet. I 1895 bygget Westinghouse kraftverket ved Niagarafossen basert på turbiner konstruert av Tesla.
Den første som både konstruerte en trefasemotor og lyktes med å få satt den i produksjon var sveitsiskrusseren Mikhail Dolivo-Dobrovolskij. Han var sjefingeniør ved AEG, og i 1888 fant han opp en trefase asynkronmotor. Han fant også opp en trefasetransformator som han fikk patent på i 1891. Det var først med trefasesystemet at en fikk motorer som ga stor praktisk nytte.
Et gjennombrudd for systemet basert på trefasemotoren kom i den elektrotekniske utstillingen i Frankfurt am Main i 1891, der Dolivo-Dobrovolsky brukte sitt system til å overføre elektrisk energi over en avstand på 176 kilometer med en effektivitet på 75 prosent.