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Teledyne LeCroy-Applikationsschrift - Power-2 - Grundlagen der Leistungselektronik Teil II (D)
Nachdem wir eine breite Definition von Energie, wie sie erzeugt und verteilt wird und wie Motoren fast die Hälfte der gesamten erzeugten Energie verbrauchen, kommen wir nun zu einer detaillierteren Diskussion darüber, was es ist, was wir "Power" nennen. Wenn wir über "Strom" sprechen, meinen wir typischerweise, was aus einer Steckdose kommt: Wechselstromleitung oder sinusförmige Leistung.
| Wir bezeichnen die sinusförmige AC-Netzspannung unter verschiedenen Namen: Netzspannung, Haushaltsspannung, Stromleitung, Versorgungsspannung, Netz und so weiter. Sie sind alle gleich. Meistens ist der Begriff, den wir hören, "VAC" oder einfach nur V. Was das wirklich bedeutet, ist eine RMS (root mean square) Spannungsangabe. Sie werden hören, dass diese Begriffe im Rahmen der Diskussionen über die Wechselstromnetze austauschbar verwendet werden. Einphasen-Wechselstromsysteme können entweder zwei oder drei Drähte umfassen. Hier in den Vereinigten Staaten trägt das typische 115V-System zwei Drähte, während ein 240V-System zwei heiße Drähte und einen neutralen Draht umfasst. Die Dreiphasenverdrahtung kann entweder aus drei oder vier Leitern bestehen. Mehrphasige Systeme können aus mehr als drei Phasen bestehen; dies ist nicht etwas, das die Versorgungsunternehmen typischerweise bereitstellen, aber es könnte lokal mit einer Form der Leistungsumwandlung erreicht werden. Meistens kommen vier bis sechs Phasen um der Redundanz willen in militärischen/luftfahrttechnischen Anwendungen zum Einsatz, so dass, selbst wenn eine Phase (oder zwei) ausfällt, das System betriebsbereit bleibt. Wenn Ingenieure die sinusförmige Wechselspannung messen, ist es wichtig, einen Referenzpunkt festzulegen. In einem ein- oder zweiphasigen System wird die Messung typischerweise gegen einen Neutralleiter durchgeführt. In einem Dreileitersystem kann die Messung jedoch von Hotline zu Hotline oder von Phase zu Phase erfolgen. Wenn es sich um ein Dreiphasensystem handelt, können die Messungen von Linie zu Neutralleiter oder von Linie zu Linie erfolgen. Denken Sie daran, dass eine Neutralleitung nicht dasselbe ist wie eine Masse, die eine Sicherheitsverbindung vom Chassis zur Erde ist. Beachten Sie auch, dass die Form einer sinusförmigen Wechselspannung nominal eine Sinuswelle ist, aber es ist nie eine reine Sinuswelle. In der realen Welt haben Versorgungsspannungen immer eine gewisse Verzerrung. Wie sollten wir über die Wechselspannung denken? Im Grunde genommen ist es ein einzelner Spannungsvektor mit einer Größe (ausgedrückt in Volt) und einem Phasenwinkel. Ein solches Denken hilft zu verstehen, warum die Spannung mit der Zeit ihre sinusförmige Form annimmt. Typischerweise wird eine einphasige Spannung als "Netzspannung" bezeichnet. Dieser einphasige Spannungsvektor, dargestellt in Abbildung 1, dreht sich mit einer gegebenen Frequenz, die für typische Versorgungsspannungen 50 bis 60 Hz beträgt (manchmal wird sie in Bogenmaß/s angegeben). Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Spannungsgröße: V * sin (α) wobei V = die Größe des Spannungsvektors und α = der Drehwinkel, in Bogenmaß. Wenn sich der Vektor dreht, ändert sich die Größe. Somit ist die Größe zu jedem Zeitpunkt wie oben dargestellt. Der resultierende zeitvariable "rotierende" Spannungsvektor erscheint als sinusförmige Wellenform mit einer festen Frequenz von 50 Hz in Europa (Periode von 20 ms), 60 Hz in den Vereinigten Staaten (Periode von 16,67 ms) und entweder 50 oder 60 Hz in Asien. Möglicherweise sehen Sie andere Frequenzen, die mit Strom aus anderen Quellen als Versorgungsunternehmen verbunden sind, wie z.B. 400 Hz in Anwendungen der US-Marine oder 25 Hz in Bergbau-Szenarien. |
Wenn Sie jemanden "120 VAC" sagen hören, ist das ein Effektivwert. Unter Bezugnahme auf Abbildung 2 ist zu beachten, dass die Wellenform Spitzen- und Spitze-Spitze-Spannungen aufweist, die weit über 120 V liegen. Spitzenspannung (VPEAK) ist:
√2 × VAC
oder, in diesem Fall, etwa 169,7 V. In der Zwischenzeit kann die Spitze-Spitze-Spannung (VPEAK-PEAK) wie folgt berechnet werden:
2 × VPEAK
was im vorliegenden Fall 339,4 V beträgt. Wenn diese Wechselspannung gleichgerichtet und gefiltert werden würde, wäre es das:
VDC = √2 × VAC = VPEAK oder, noch einmal, etwa 169,7 VDC.
Wenn wir gerade beim Thema RMS-Werte sind, werden Sie manchmal Hinweise auf "echte RMS-Spannungen" sehen. "True RMS" ist in der Tat keine ingenieurwissenschaftliche Definition, sondern etwas, mit dem einige Marketingabteilungen eine mathematisch korrekte RMS-Berechnung beschreiben, im Vergleich zu einem RMS-Wert von preiswerten Instrumenten, die von einem Sinus-Signal ausgehen.
Ein Budget-Multimeter kann beispielsweise den RMS-Wert mit VPEAK-PEAK / √2 berechnen. Das Ergebnis einer solchen Berechnung sollte eigentlich als "falscher RMS" bezeichnet werden, da es sich nur um eine gültige Berechnung für eine reine Sinuswelle handelt, von der selten angenommen werden kann, dass sie vorhanden ist.
Jede Datenerfassung durch Abtastung, wie Sie sie in Digitaloszilloskopen oder Leistungsanalysatoren durchgeführt wird, berechnet VRMS oder IRMS korrekt. Allerdings werden Sie die Hersteller dieser Instrumente nicht finden, die ihre VRMS-Berechnung als "TrueRMS" vermarkten.
Beim nächsten Mal werden wir die Grundlagen der dreiphasigen sinusförmigen Wechselspannung untersuchen.
Das ist eine Applikationsschrift von Teledyne LeCroy
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