Wechselspannungen – die häufigsten Fragen und Antworten

Was ist der Unterschied zwischen einer Wechselspannung und einer Gleichspannung?

• Bei einer Gleichspannung ändert sich die Polarität nicht. Der Strom fliesst also in einem Stromkreis immer in die gleiche Richtung. Handelt es sich um reine Gleichspannung, ist die Spannung immer konstant, was in einem Zeit-Spannungs-Diagramm einer Geraden entspricht.
• Es gibt aber auch pulsierende Gleichströme. Bei diesen ändert sich die Spannung im zeitlichen Verlauf periodisch, ohne jedoch dabei die Polarität zu wechseln.
• Bei einer Wechselspannung ändert sich die Polarität in regelmässigen Abständen, weshalb sich auch der Stromfluss umkehrt.
• Definitionsgemäss ist dabei der Mittelwert der Spannung null, sonst würde es sich um eine Mischspannung handeln.

In vielen Anwendungsfällen hat man es mit sinusförmigen Spannungsverläufen zu tun, so etwa bei der Energieübertragung. In der Steuerungstechnik trifft man aber auch auf rechteckige oder dreieckige Spannungsverläufe.

Was sind Periode und Frequenz einer Wechselspannung?

Zwischen diesen beiden Grössen besteht ein enger Zusammenhang. Die Periode ist die kleinste Zeiteinheit einer Schwingung. Sie umfasst den positiven als auch den negativen Schwingungsanteil. Genau in der Mitte der Periode, also nach der ersten Halbwelle, wechselt die Polarität. Während der Schwingung ändert sich bei einer sinusförmigen Wechselspannung zudem stetig der Augenblickswert. Er steigt während der ersten Viertelwelle, hat im Scheitelpunkt seinen Maximalwert und fällt dann während der zweiten Viertelwelle stetig ab bis auf null. Während der zweiten Halbwelle geschieht dies im negativen Bereich des Spannungs-Zeit-Diagramms. Die Frequenz gibt nun an, wie oft in der Sekunde eine ganze Schwingung stattfindet. Bei einer Periodendauer von 20 Millisekunden wären das 50 Mal in der Sekunde, also 50 Hertz. Das ist auch die Frequenz in unserem Stromnetz.

Was ist eine Mischspannung?

Eine Mischspannung ist eine von einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung. Ihr zeitlicher Mittelwert ist daher nicht null wie bei einer reinen Wechselspannung. Man erzeugt eine Mischspannung durch die Zusammenschaltung einer Gleich- mit einer Wechselspannungsquelle.

Warum kommt Wechselstrom und kein Gleichstrom aus der Steckdose?

Das hat vor allem historische Gründe. Das Hauptproblem beim Energietransport über weite Strecken ist der Verlust auf den Stromkabeln. Hohe Stromstärken würden auf der Leitung einen Spannungsabfall und Wärmeverluste entstehen lassen. Für den Transport des Stroms vom Kraftwerk zu den Verbrauchern muss die Spannung daher auf viele tausend Volt hochtransformiert werden. So lässt sich eine grosse Leistung mit geringer Stromstärke übertragen. Als Anfang des 20. Jahrhunderts die ersten Stromnetze gebaut wurden, hatte man nur die Möglichkeit, Hochspannungen mit Transformatoren zu erzeugen, und dafür benötigte man Wechselstrom. Aufgrund der technischen Entwicklung ist es heute jedoch auch möglich, hohe Gleichspannungen zu erzeugen. Da die Verluste auf der Leitung mit Gleichspannung geringer sind, stellt diese Technik heutzutage eine Alternative bei der Energieübertragung auf grossen Entfernungen dar.

Was ist der Unterschied zwischen Mittelwert und Gleichrichtwert?

Bei Wechselspannungen ist der Mittelwert null und somit ohne Aussagekraft. Eine bessere Beschreibung von Wechselspannungen ermöglicht hingegen der Gleichrichtwert. Er gibt an, welche Gleichspannung im zeitlichen Mittel die gleiche Ladungsmenge (aber nicht die gleiche Leistung!) überträgt. Geometrisch betrachtet klappt man dabei gedanklich die negative Halbwelle nach oben in den positiven Bereich. Der Flächeninhalt unter den beiden Kurven entspricht dann dem Gleichrichtwert. Formal bildet man das Integral des Betrages der Spannungsfunktion über eine Periode. Bei Sinusspannungen kann man den Gleichrichtwert leicht errechnen, indem man den Scheitelwert mit dem Faktor 2/Pi (oder 0,6366) multipliziert.

Was ist der Effektivwert?

Interessieren wir uns für die übertragene Leistung von Wechselspannungen, benötigen wir deren Effektivwert. Dieser gibt den Äquivalenzwert zu einer Gleichspannung an, bei der ein ohmscher Widerstand genauso viel Leistung umsetzt (also Wärme abgibt). Mathematisch gesehen, handelt es sich dabei um den quadratischen Mittelwert der Augenblicksspannungen. Bei sinusförmigen Spannungen ist der Effektivwert um den Faktor 1,414 (Wurzel aus 2) kleiner als der Scheitelwert. Bei 230 Volt Netzspannung beträgt der Scheitelwert somit etwa 325 Volt.

Was ist Drehstrom?

Drehstrom, oder auch Dreiphasen-Wechselstrom, ist die häufigste Art der Energieübertragung in Stromnetzen. Statt einem stromführenden Leiter gibt es drei, deren Spannungsverläufe untereinander um 120 Grad (also dem Drittel einer Periode) phasenverschoben sind. Die Summe der drei Wechselspannungen ist auf diese Weise null. Die Bezeichnung Drehstrom kommt daher, dass der Strom von einem Drehstromgenerator im Kraftwerk erzeugt wird und man das Drehfeld für den Antrieb von Motoren nutzen kann. Verbraucher können sowohl in Stern- als auch in Dreieckschaltung betrieben werden, wodurch sich dann die in unserem Stromnetz üblichen Spannungen von 230 Volt (normale Steckdose) und 400 Volt (Motor, Elektroherd) ergeben.