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AC/DC-Wandler 03:17 min

Textversion des Videos

Transkript AC/DC-Wandler

Das Zusammenspiel zwischen Spannung, Stromstärke und elektrischer Leistung ist entscheidend für unsere gesamte Elektrizitätsversorgung. Je höher die Spannung bzw. die Stromstärke, desto höher ist auch die vorhandene Leistung. Als man Ende des 19. Jahrhunderts mit der kommerziellen Elektrizitätsversorgung begann, floss der Strom zunächst in eine Fließrichtung. Diese Stromart nennt man Gleichstrom oder DC. Um mithilfe des Gleichstroms mehr Leistung produzieren zu können, erhöhte man die Stromstärken. Höhere Stromstärken führen aber durch die entstehende Wärme zu einem riesigen Leistungsverlust in den Stromleitungen, daher kann man elektrische Energie über große Entfernungen nicht mit Gleichstrom übertragen. Es musste also eine andere, geniale Lösung gefunden werden. Einen Strom, bei dem sich die Fließrichtung ständig umkehrt, nennt man Wechselstrom oder AC. Mit der Umkehrung der Fließrichtung ist auch eine Umpolung der Spannung verbunden. Diese Eigenschaft der Wechselspannung ermöglichte es Ingenieuren, Methoden zur Erhöhung der Spannung in Stromleitungen zu entwickeln. Damit kann bei der Übertragung der gleichen Leistung die Stromstärke herabgesetzt werden und so elektrische Energie ohne großen Verlust über lange Strecken transportiert werden. Die Spannung in den Stromleitungen wird durch Transformatoren verändert. Im Wesentlichen besteht ein Transformator aus einem ringförmigen Metallkern, auf dem sich zwei Metallspulen befinden. Die eine Spule hat nur wenige Windungen. Die zweite Spule hat dagegen sehr viele Windungen. Die Wechselspannung in der ersten Spule erzeugt im Eisenkern ein sich änderndes Magnetfeld, das in der zweiten Spule eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung in der Sekundärspule ist wegen der größeren Windungszahl höher. Da aber die Leistung konstant bleibt und die Spannung erhöht wird, muss die Stromstärke sinken. Um den Energietransport mit kleinen Stromstärken durchzuführen, wird die Spannung in Überlandleitungsnetzen auf 400.000 Volt hochtransformiert. So hält man die Verluste selbst bei weiten Strecken gering. Aber hochtransformierte Elektrizität ist in dieser Form nicht nutzbar. Die Spannung ist lebensgefährlich hoch und die Stromstärke ist viel zu klein. Um die übertragene elektrische Energie verwenden zu können, wird sie nochmals transformiert, diesmal abwärts. Abspanntransformatoren wandeln die Spannung in brauchbare Voltzahlen um und erreichen damit eine genügend hohe Stromstärke für den Betrieb elektrischer Geräte. Daher sind Transformatoren unverzichtbar, um hohe Spannungswerte für die verlustarme Energieübertragung zu erzeugen und um die hohe Wechselspannung wieder für den Haushaltsbereich nutzbar zu machen.

AC/DC-Wandler Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video AC/DC-Wandler kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Unterschiede von Gleichstrom und Wechselstrom.

    Tipps

    Um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln nutzt man hohe Widerstände.

    Die Verluste hängen zwar von der Stromstärke, aber nicht von der Stromrichtung ab.

    Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Bauteil, das das Gegenteil von dem tut, was ein Gleichrichter macht.

    Lösung

    Die Energieverluste, die beim Transport von elektrischer Energie in Kabeln auftreten sind größtenteils Wärmeverluste. Diese Verluste sind umso größer, je höher der Widerstand des Kabels ist und je höher die Stromstärke ist. Die Verlustleistung ist das Produkt aus dem Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke ($P_{Verlust}=R\cdot I^2$). Deshalb kann man die Verluste sehr stark verringern, wenn man die Stromstärke gering hält und die Spannung erhöht. Bei gleicher übertragener Leistung ($P_{el}=U\cdot I$) sind dann die Verluste kleiner.

    Der große Vorteil der Wechselstrom ist, dass man die Spannung mithilfe von Transformatoren anpassen kann. Um eine hohe Leistung ohne große Verluste zu übermitteln kann man dann sehr hohe Spannungen erzeugen und die Stromstärke vergleichsweise gering halten. Beim Gleichstrom kann man die Spannung nicht so leicht anpassen. Wenn die Stromstärke gleich ist, sind die Verluste bei Wechselstom aber sogar etwas höher.

    Mit einem Gleichrichter oder einem Wechselrichter lässt sich Wechselstrom in Gleichstrom umformen und umgekehrt.

  • Bestimme die Anzahl der Windungen.

    Tipps

    Bei einem Transformator entspricht das Verhältnis der Windungszahlen dem Verhältnis der Spannungen.

    Die Primärseite des Transformators ist die Seite der Stromquelle, also hier die Seite mit 1000 Volt.

    Lösung

    Bei einem Transformator ist das Verhältnis der Windungszahlen gleich dem Verhältnis der Spannungen. Es gilt also $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$. Die Windungszahl $N_2$ auf der Sekundärseite ergibt sich, indem man diese Formel nach $N_2$ auflöst. Das ergibt $N_2=\frac{U_2}{U_1}\cdot N_1=\frac{100 000\text{ Volt}}{500\text{ Volt}}\cdot 10=2000$. Die Sekundärspule benötigt also 2000 Windungen.

  • Berechne die Energieverluste.

    Tipps

    Bestimme zunächst die nutzbare Leistung, anschließen kannst du dir die nötige Stromstärke bei 230 Volt ausrechnen.

    $1\text{ Watt}= 1\text{ Ampere}\cdot1\text{ Volt}$

    $1\text{ Ohm}= \frac{1\text{ Volt}}{1\text{ Ampere}}$

    Lösung

    Die elektrische Leistung des Hochspannungskabels beträgt $P=U\cdot I=100 \text{ kV}\cdot\text{A}=100\text{ kW}$. Die zugehörige Verlustleistung beträgt

    $P_{Verlust}=R\cdot I^2=0,03\frac{\Omega}{\text{km}}\cdot 100\text{km}\cdot 1\text{ A}^2= 3\text{ A}^2\Omega=3\text{ W}$.

    Die Verlustleistung beträgt demnach nur 0,03 Promille der nutzbaren Leistung.

    Um die Verlustleistung bei Netzspannung zu berechnen, müssen wir zunächst die entsprechende Stromstärke bestimmen, indem wir die Formel für die Leistung nach der Stomstärke umstellen und die passenden Werte einsetzen. Es ergibt sich $I=\frac{P}{U}=\frac{100\text{ kW}}{230\text{ V}}=434,78\frac{\text{W}}{\text{V}}=434,78\text{ A}$.

    Diese Stromstärke können wir nun in die Formel für die Verlustleistung einsetzen und erhalten $P_{Verlust}=R\cdot I^2=3\Omega\cdot 434,78^2\text{ A}^2=567.101 \text{ W}=567,1\text{ kW}$.

    Die verlorene Leistung würde in diesem Fall also mehr als das Fünffache der nutzbaren Leistung betragen.

  • Beschreibe die Funktionsweise des Transformators.

    Tipps

    Die Frequenz beschreibt, wie schnell sich die Stromrichtung bei einem Wechselstrom ändert.

    $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$

    Lösung

    Ein Transformator besteht aus einem Eisenkern, der mit zwei Spulen umwickelt ist. Auf der Primärseite des Transformators ist die Stromquelle angeschlossen. Wenn durch die Primärspule nun ein Wechselstrom fließt, dann erzeugt dieser ein Magnetfeld in dem Eisenkern, dass sich auch auf die Sekundärspule überträgt und hier einen Stromfluss induziert. Der Sekundärstrom hat die gleiche Frequenz wie der Primärstrom und überträgt auch die gleiche Leistung. Durch den Transformator ändert sich jedoch die Spannung und die Stromstärke. Dabei entspricht das Verhältnis der Spannungen dem Verhältnis der Anzahl an Windungen auf den zwei Spulen. Es gilt also $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$. Für die Stromstärken gilt das umgekehrte Verhältnis $\frac{I_1}{I_2}=\frac{N_2}{N_1}$.

  • Wähle den richtigen Transformator.

    Tipps

    Bestimme zunächst das Verhältnis der beiden Spannungen.

    Lösung

    Das Verhältnis der Netzspannung zur gewünschten Spannung beträgt $\frac{230\text{ V}}{92\text{ V}}=2,5$. Der Transformator muss auf der linken Seite also 2,5-mal so viele Windungen haben wie auf der rechten Seite. Rechts werden also $\frac{15}{2,5}=6$ Windungen benötigt.

  • Erkläre die Energieversorgung.

    Tipps

    Die Höchstspannung hat die geringsten Verluste.

    In einem geschlossenen Ort wird die elektrische Energie im Niederspannungsnetz verteilt.

    Lösung

    Das Stromnetz in Deutschland unterteilt sich in vier Netzebenen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus. Es gibt die Höchstspannung mit bis zu 400 Kilovolt, die für die Fernübertragung des elektrischen Stroms genutzt wird, also um die elektrische Energie mit geringen Verlusten über weite Strecken zu transportieren.

    Die nächste Netzebene, die Hochspannung, die meist etwa 110 Kilovolt beträgt, wird für die Grobverteilung des elektrischen Stroms im Land verwendet. Zudem wird sie von großen Fabriken oder der Deutschen Bahn genutzt. Die regionale Verteilung geschieht dann im Mittelspannungsnetz bei 1 bis 50 Kilovolt und innerorts wird der Strom schließlich im Niederspannungsbereich verteilt. Dabei beträgt die Spannung normalerweise 230 Volt.