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, wat met geringere verliezen gepaard gaat. Dit is het grote voordeel van wisselspanning.
Wisselspanning wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale met drie fasen, die onderling 120 graden in fase verschillen (driefasespanning of draaistroom).
Een wisselspanning kan onder andere worden opgewekt door een magneetveld in een spoel te bewegen. Dit wordt toegepast bij dynamo's, generatoren, windturbines en microfoons.
Effectieve waarde en piekspanning
De wisselspanning van het energienet is min of meer sinusvormig. Het verloop van de spanning in de tijd is:
waarin de frequentie is (in Europa meestal 50 hertz) en de piekspanning, de amplitude van de spanning. De piekspanning is hoger dan de effectieve waarde van de spanning. De netspanning, ca. 230 V, is de effectieve waarde van de spanning. Er geldt:
De piekspanning van het lichtnet is dus:
De spanning varieert dus tussen –325 V en +325 V.
Driefasige 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 frequentie van 50 hertz. Aangezien de wikkelingen ruimtelijk 120° zijn verschoven, of ten opzichte van elkaar een faseverschil hebben van 2/3 , 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.
De spanning E1 legt in één periode een hoek van 360° af, wat overeenkomt met een hoek van radialen. Dit geldt ook voor de twee andere spanningen E2 en E3. Het enige verschil is, dat E2 een hoek van 120° later hiermee begint en E3 een hoek van 240° later, zodat de onderlinge faseverschuiving 120° is. In het vectordiagram komt deze faseverschuiving verder tot uitdrukking.
Een vector is een lijnstuk met een lengte en een richting. In dit geval roteren de spanningsvectoren met een hoeksnelheid ' (rad s−1) tegen de wijzers van de klok in. Aangezien de drie vectoren met dezelfde hoeksnelheid en in dezelfde richting ronddraaien, zullen ze steeds de onderlinge faseverschuiving van 120° handhaven.
Toepassing
De wisselspanning wordt getransformeerd door een transformator naar hoogspanning (bijvoorbeeld 230 kV) voor de distributie over grote afstanden en daarna weer omlaag getransformeerd (eerst naar bijvoorbeeld 50 kV en/of 10kV en daarna tot 230V) ten behoeve van de gebruiker. In België en Nederland worden dan drie fasen en de nul aan de gebruiker geleverd, met een spanning van 230 volt tussen de nul en elke fase, en 400 volt tussen de fasen, en met een frequentie van 50 Hz. Alleen voor grote belastingen worden de drie fasen gebruikt (met speciale wandcontactdozen), dit wordt ook wel krachtstroom genoemd. De afbeelding toont een stekker met 5 polen: de 3 fasen, een nulgeleider en een (dikke) aardgeleider.
De meeste aansluitpunten bieden alleen één fase en de nuldraad (voor 230 volt) met aardgeleider.
In de Verenigde Staten worden aan de kleinverbruiker alleen een fase en de nul geleverd met een spanning van 110 tot 120 volt en een frequentie van 60 Hz. Ook worden er ten behoeve van airconditioners wel twee fasen met een middelpuntleiding of nulleiding toegepast. In dat geval is de spanning tussen de fasen 230 volt en tussen elke fase en de nulleider afzonderlijk 110 volt, dit alles met een frequentie van 60 Hz.
Bij de grootschalige opwekking en distributie van elektriciteit worden altijd drie fasen gebruikt. Dit is onder andere te zien aan de drie stroomvoerende draden aan hoogspanningsmasten. Meestal is er nog een vierde draad boven de drie hoogspanningsdraden aangebracht, deze is verbonden met de aarde en dient als bliksemafleider.
Op een elektrisch apparaat staat aangegeven op welk elektriciteitsnet het mag worden aangesloten, op welke spanning in volt en op welke frequentie in hertz. Tevens wordt het opgenomen vermogen in watt of voltampère (VA) vermeld of alleen de opgenomen stroom in ampère. Sinds enige tijd is het een Europees voorschrift, door alle EG-landen in hun eigen wetten opgenomen, om op het identificatieplaatje ook de maximale beveiligingsstroomsterkte te vermelden. Dit laatste dient om aan te geven dat er zich in het apparaat componenten bevinden die geen hogere nominale stroom mogen voeren. Denk hierbij aan dunne draden en kleine contacten, met name relaiscontacten.
AC
In Angelsaksische landen is AC de aanduiding voor wisselstroom. De letters zijn de afkorting van de Engelse term alternating current. Op veel elektrische apparaten voor aansluiting op het elektriciteitsnet staat deze aanduiding op het typeplaatje aangegeven.
Het tegendeel, aangeduid met DC, direct current, is een gelijkspanning of batterijvoeding of de uitgangsspanning van de meeste voedingsblokken voor elektronische apparatuur. Op de schema's van elektronische toestellen, zoals radio en tv, wordt de voedingsspanning nog vaak aangegeven met B+, die refereert aan de eerste radio's die op batterijen werkten.
De begrippen spanning en stroom worden vaak door elkaar gebruikt om elektrische energie aan te geven.