Wisselstroom

Wisselstroom stelsels kan transformators gebruik om die spanning te verander om hoë spannings te gebruik vir transmissie met lae energieverliese en lae spannings vir opwekking en verbruik. 'n Bipolêre oopkern transformator is ontwerp deur Lucien Gaulard en John Dixon Gibbs en was gedemonstreer in Londen in in 1881. Hulle het die uitvindsel ook in Turyn uitgestal in 1884. Hierdie vroeë induksiewindings met oop magnetiese stroombane was baie oneffektief met drywingsoordrag. Tot rondom 1880 was die kragoordrag vanaf hoë-spanning transmissielyne na 'n laespanning las 'n serie stroombaan. Oopkern transformators met 'n verhouding naby 1:1 was in serie verbind om 'n hoë spanning toe te laat vir transmissie met 'n lae spanning wat aan gloeilamper voorsien was. Die inherente gebrek aan hierdie metode was dat al die ander toestelle in die stroombaan afgeskakel het wanneer een afgeskakel word, a.g.v. die serie verbinding. Baie verstelbare transformstors was ontwerp om die probleem aan te spreek, insluitende metodes waar die kern verstel word of waar die magneetveld met 'n deel van 'n winding omseil word.[8] Gelykstroom stelsels het nie hierdie probleme gehad nie, wat dit op daardie stadium 'n voordeel gegee het bo wisselstroom.

Die Hongaarse "ZBD" Span (Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri)

Die prototipe van die ZBD transformator uitgestal in die  Széchenyi István gedenkuitstalling in Nagycenk in Hungary

In die herfs van 1884, het Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy en Miksa Déri (ZBD), drie ingenieurs van die Ganzfabriek, vasgestel dat oopkern toestelle onprakties is en nie spanning betroubaar kan reguleer nie.[9] In hulle gesamentlike 1885 patentaansoeke vir nuwe transformators (later bekend as ZBD transformators), het hulle twee ontwerpe beskryf met geslote magnetiese bane, waar koper windings rondom 'n ysterkern gedraai was of deur 'n ysterdraad kern omring was. In albei ontwerpe, het die magneetveld tussen die primêre en sekondêre windings byne heeltemal binne die ysterkern beweeg sonder 'n pad deur lug. Die nuwe transformators was 3.4 keer meer effektief as die opekern bipolêre toestelle van Gaulard en Gibbs.[10]  DIe Ganz fabriek het in 1884 die wêreld se eerste vyf hoë effektiwiteit WS transformators gebou.[11] Hierdie eerste produksie het die volgende spesifikasies gehad:  1 400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, verhouding 1.67:1, enkelfase.[11]

Die ZDB patente het twee groot interafhanklike innovasies bevat: Eerstens om laste in parallel te skakel en tweedens om hoë draaiverhoudings toe te laat sodat hoër spannings in transmissie gebruik kan word (aanvanklik 1400 tot 2000 V) in vergelyking met die lasspanning (aanvanklik 100 V).[12][13] Met die paralelle erlektrisiteitsverspreidingstelsels, was dit eindelik tegnies en ekonomies haalbaar om elektrisiteit aan huise, besighede en fabrieke te voorsien.[14][15][16]

Wisselstroom kragstelsels was baie vinnig aangepas en ontwikkel na 1886 a.g.v. die vermoë om elektrisiteit effektief te versprei oor lang afstande, wat die beperkings van GS stelsels oorkom het. In 1886 het die ZBD ingenieurs die wêreld se eerste kragstasie ontwerp wat WS kragopwekkers gebruik het om krag te voorsien aan 'n paralelle elektriese netwerk. Hierdie was die Rome-Cerchie kragsentrale. Die vertroue in WS tegnologie het toegeneem tot Ganz Works 'n groot deel van Rome van WS elektrisiteit voorsien het in 1886.[17]

Westinghouse vroeë WS stelsel in 1887
(US patent 373035)

In die VK het Sebastian de Ferranti, wie WS generators en transformators in Londen ontwerp het sedert 1882, die WS stelsel by die Grosvenor Gallery kragsentrale herontwerp in 1886 vir die Londen Elektrisiteitsvoorsiening Korporasie (LESCo), insluitende sy eie alternator ontwerpe en transformator ontwerpe soortgelyk aan dié van Gaulard en Gibbs.[18] In 1890 het hy hul kragsentrale by Deptford[19] ontwerp en die Grosvenor Gallery stasie oorkant die Teems in 'n elektriese substasie omskep, wat die weg aangewys het om ouer stasies te integreer in 'n algehele WS stelsel.[20]

In die VSA het William Stanley, Jr. een van die eerste praktiese toestelle ontwerp om WS krag effektief tussen geïsoleerde stroombane oor te dra. Hy het pare windings rondom 'n gemeenskaplike ysterkern gedraai. Hierdie induksiespoel was 'n vroeë transformator. Stanley gewerk aan Europese ontwerpe soos die Gaulard en Gibbs transformator vir die entrepreneur George Westinghouse wie WS stelsels begin bou het in 1886. Die verspreiding van WS stelsels van Westinghouse en ander het teenstand gewek in 1887 van Thomas Edison ('n voorstaander van GS) wie probeer het om WS af te maak as te gevaarlik vir gebruik in 'n publieke veldtog genoem die "Oorlog van Strome". In 1888 het WS stelsels verdere lewensvatbaarheid bereik met die bekendstelling van 'n funksionele WS motor. Hierdie ontwerp, 'n induksiemotor, was onafhanklik ontwerp deur Galileo Ferraris en Nikola Tesla (met Tesla se ontwerp gelisensieerd deur Westinghouse in die VSA). Hierdie ontwerp was verder ontwikkel na die moderne praktiese driefase vorm deur Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en Charles Eugene Lancelot Brown.[21]

Vir lae tot medium frekwensies, kan geleiers verdeel word in baie klein draadjies wat almal van mekaar geïsoleer is en die relatiewe posisies van die draadjies word spesifiek gerangskik in die geleierbondel. Geleiers wat op hierdie manier gemaak word staan bekend as Litzdraad.[23] Dit help om die huideffek te verminder deur meer stroom te forseer om uniform deur die hele dwarssnee van die geleier te laat vloei.

By frekwensies tot by sowat 1 GHz, word pare drade saam gedraai in 'n kabel om 'n gedraaide draadpaar te vorm. Hierdie tegniek verminder die verliese a.g.v. elektromagnetiese straling en induktiewe koppeling. Die gedraaide paar moet gebruik word met 'n gebalanseerde seinstelsel, sodat die twee drade strome dra wat ewe groot is met verskillende rigtings sodat hulle mekaar se straling uitkanselleer.

Koaksiale kabels word algemeen gebruik by klankfrekwensies en hoër. 'n Koaksiale kabel het 'n geleidende draad binne-in 'n geleidende buis wat van mekaar geskei word deur 'n diëlektriese laag.[24] Die stroom wat vloei in die binneste geleier is gelyk maar teenoorgesteld aand die stroom op die binne-oppervlak van die buitenste buis. Die elektromagnetiese veld bly dus binne-in die kabel en daar is baie min energie verlore weens straling of koppeling buite die kabel. Koaksiale kabels het aanvaarbaar min verliese vir frekwensies tot swat 5 GHz. Vir mikrogolf frekwensies hoër as 5 GHz, word die verliese (meestal weens die weerstand van die binneste geleier) te hoog, wat golfleiers 'n meer effektiewe medium maak om energie oor te dra.

By frekwensies hoër as 200 GHz, word die nodige golfleier afmetings onprakties klein en die ohmiese verliese in die golfleier raak te groot. In hierdie geval kan optiese vesel gebruik word.

Die verhouding tussen spanning en die drywing gelewer aan 'n las is:

${\displaystyle p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}}$ ,waar ${\displaystyle R}$. Hierdie drywing is 'n funksie van tyd en stel die oombliklike drywing voor.

Eerder as om die oombliklike drywing ${\displaystyle p(t)}$

${\displaystyle P_{\rm {time~averaged}}={\frac {{V_{\rm {rms}}}^{2}}{R}}.}$

• Vir 'n arbitrêre periodiese golfvorm gesentreer rondom nul, ${\displaystyle v(t)}$ met 'n periode ${\displaystyle T}$:

${\displaystyle V_{\mathrm {rms} }={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.}$

• Vir 'n sinusgolf:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{pk}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{pk}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{pk}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}}$

waar die trigonometriese identiteit ${\displaystyle \sin ^{2}x={\frac {1-\cos 2x}{2}}}$ gebruik is.Die faktor ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ word die kruinfaktor genoem en dit verskil vir verskillende golfvorms.

• Vir 'n driehoeksgolf rondom nul, kan die WGK bereken word as:

${\displaystyle V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {3}}}.}$

• En vir 'n vierkantsgolf:

${\displaystyle \displaystyle V_{\mathrm {rms} }=V_{\mathrm {peak} }.}$

Beskou 'n 230 V WS toevoer, soos in Suid-Afrika gebruik word. Dit word so genoem omdat die WGK 230 V is. Om die piekspanning te bereken kan die volgende vergelyking gebruik word:

${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\ V_{\mathrm {rms} }.}$

Vir 230 V WS, is die piekspanning ${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$ dus ${\displaystyle 230V\times {\sqrt {2}}}$, wat sowat 325 V is. Die golfvorm wissel dus elke periode tussen 325 V en - 325 V.