Växelström

Växelström, AC (eng. alternating current), är en elektrisk ström vars riktning växlar. Om strömmen vid en viss tidpunkt har en viss riktning kommer den vid en senare tidpunkt att ha motsatt riktning. Kraftverksproducerade växelströmmar och växelspänningar är periodiska och följer med tämligen stor noggrannhet en sinuskurva.

Framförallt är det möjligheten att enkelt och med små förluster transformera växelströmmen som gjort den till standard i de allmänna elnäten. Kraftöverföring över stora avstånd kan ske med högspänningsledningar vilka ger relativt små överföringsförluster, samtidigt som det är enkelt att åstadkomma anpassade spänningar för anslutna apparater och maskiner.

Radiosignaler, och TV-signaler som transporteras med elledningar är också exempel på växelström. Dessa typer av växelströmmar bär information genom modulering av AC-signalen (bärvågen), såsom ljud (audio) eller bilder (video). Dessa strömmar använder mycket högre frekvenser än de som används vid kraftöverföring.
Om två olika frekvenser av växelström passerar genom en olinjärt komponent bildas nya frekvenser. Se mixer

Sinusformad växelström

Av grundläggande betydelse är växelströmmar och växelspänningar som varierar sinusformigt med tiden.
En allmän sinusformad växelstorhet kan skrivas

där
{|border="0" cellspacing="4" cellpadding="0"
|- valign="middle"
|
|ögonblicksvärdet (momentanvärdet)
|- valign="middle"
|
| toppvärdet (maximivärdet, amplituden)
|- valign="middle"
|
| vinkelfrekvensen i radianer per sekund
|- valign="middle"
|
|tiden
|- valign="middle"
|
|fasvinkeln
|- valign="top"
|
|effektivvärdet
|}
Tiden för en period, perioden eller periodtiden är

Antalet perioder per sekund, periodtalet eller frekvensen

Enheten för frekvens är hertz (Hz).

För en sinusformad växelstorhet är

Elektrisk tvåpol 

En tvåpol är en elektrisk krets med endast två anslutningspunkter (se Thévenins teorem, Nortons teorem).

Allmän passiv tvåpol 
En passiv  tvåpol  (som inte innehåller transistorer, ström/spänningskällor eller andra "aktiva" element) kan abstraheras till en tvåpol med konstanta egenskaper. Beroende på dess uppbyggnad kommer tvåpolen att ha en kapacitiv eller induktiv karaktär, vilket bestämmer dess fasförskjutande förmåga och hur den behandlar mottagen/avgiven effekt.

För en induktiv eller kapacitiv tvåpol, ger periodiska växelströmmar upphov till en energilagrande förmåga. Energi lagras i elektromagnetiska fält (laddningskonfigurationer) under en del av växelströmsperioden. Denna effektdel, som kallas reaktiv effekt, kommer att sändas tillbaka till växeleffektkällan under en annan del av växelströmsperioden. De ledningsströmmar som ger upphov till reaktiv effekt innebär kostnader (ledningsförluster) för både förbrukare och producenter. Därför används olika tekniker för faskompensering som kan implementeras på både förbrukar- och producentsidan. 

Förhållandet mellan växelspänning och växelström för en tvåpol är enligt Ohms lag

där Z är kretsens impedans, vilken i det allmänna fallet är sammansatt av resistans och reaktans.

Fasförskjutning

Induktiva och kapacitiva kretsar orsakar fasförskjutning mellan spänning och ström.

Induktiv fasförskjutning (ideal induktor)
Om växelström leds genom en förlustfri spole uppstår en spänning över spolen som är proportionell mot den magnetiska flödesändringen per tidsenhet:

Om växelströmmen varierar enligt sin(ωt) blir spänningen över kretsen

och spänningen kan således sägas ligga 90° före strömmen.

Kapacitiv fasförskjutning (ideal kondensator)
En växelspänning över en kondensator orsakar en upp- och urladdnining av kondensatorn enligt

Om spänningen varierar som sin(ωt) blir strömmen genom kondensatorn

det vill säga, strömmen kan anses ligga 90° före spänningen.

Kretsar med förluster
Om tvåpolen har förluster (resistiva förluster, värmeutveckling) kommer fasförskjutningarna att variera mellan 0 och ±90°.

Till exempel kan den resulterande fasförskjutningen för en seriekoppling av tre komponenter med resistans, induktans respektive kapacitans, beräknas som (visaren för R används som riktfas)

enligt visardiagrammet till höger.

Effekt i växelströmskretsar

Sinusformade spänningar och strömmar
Vid behandling av effektutveckling i växelströmskretsar är det viktigt att skilja mellan momentaneffekt och medeleffekt.

Momentaneffekten är definitionsmässigt p = ui, det vill säga produkten av spänningens och strömmens momentanvärden (ögonblicksvärden). I det allmänna fallet varierar både u och i med tiden och således även p. För momentaneffekten är det också nödvändigt att ange om p står för mottagen eller avgiven effekt.

Tvåpolen i figur 1 har motoriskt referensval, vilket innebär att momentaneffekten referensmässigt står för mottagen effekt sett från tvåpolen. Om effekten är mottagen eller avgiven anges av p:s tecken.

Spänning och ström antas vara sinusformade:

Den mottagna effekten kan då skrivas

vilket kan skrivas om till

där U är spänningens effektivvärde och I är strömmens effektivvärde.
Om φ definieras som

det vill säga, som faskillnaden mellan spänning och ström, kan effekten skrivas som

Den momentana effekten kan således anses bestå av två delar:
 En konstant del 

som om φ < 90° (motsvarar en passiv tvåpol) alltid är ≥ 0

 En med dubbla frekvensen varierande del

Aktiv effekt

Den av tvåpolen förbrukade effekten (medeleffekten) är den konstanta delen

vilken också kallas aktiv effekt och har enheten watt.

Reaktiv effekt
Om 
, 
det vill säga om ström och spänning är fasförskjutna, förekommer reaktiv effekt, vilken har enheten voltampere reaktiv (var).

Över en period är summan av de reaktiva effektbidragen noll. Den reaktiva effekten mottages och avges endast och förbrukas således inte av tvåpolen. Den reaktiva effekten är

Referensmässigt räknas effekten som positiv om Q är av induktiv karaktär.

Skenbar effekt
Skenbar effekt är produkten av strömmens och spänningens effektivvärden:

Skenbar effekt har enheten voltampere (VA) och är den effekt som anges som förbrukning för produkter som kopplas till elnätet.
Vi ser av visardiagrammet att den skenbara effektens belopp ges av

Den skenbara effektens tecken bestäms av tecknet för den reaktiva effekten.

Effektfaktor
Faktorn  är av stor betydelse vid sinusformigt varierande spänning och ström och benämns effektfaktorn. Dess värde beror på tvåpolens uppbyggnad eftersom denna är avgörande för φ:s belopp och tecken.
Effektfaktorn kan också skrivas som

Effekt vid icke sinusformade spänningar och strömmar 	
Medeleffekten definieras som

Tvåpolens spänning och ström antas vara uppdelade i fourierkomponenter enligt

där  är likspänningskomponenten och  är likströmskomponenten. Efter multiplikation och integrering kan medeleffekten skrivas som

där .

Detta innebär att 
Endast termer med samma frekvenskomponenter (samma multipler av ) ger bidrag till medeleffekten.

Om exempelvis en sinusformad spänning påtrycks en icke-linjär tvåpol, med en icke sinusformad ström som följd, kommer vid beräkningen av tvåpolens medeleffekt endast strömmens grundton (som har samma frekvens som spänningen) att ha betydelse.

Skenbar effekt ges liksom vid sinusformad spänning och ström av strömmens och spänningens effektivvärden som

Effektfaktorn ges som i det sinusformade fallet av

men effektfaktorn är inte längre cosinus för en vinkel mellan spänning och ström.

Reaktiv effekt är odefinierad för icke sinusformad spänning och ström. I praktiken används ibland 

eller i analogi med det sinusformade fallet

Om övertonshalten är låg blir resultaten i praktiken lika, men vid stora övertonshalter kan skillnaden bli betydande och med det förra värdet alltid större än det senare.

Analytisk behandling av stationära växelströmsförlopp
För analytisk behandling av stationära sinusformade växelströmsförlopp kan jω-metoden användas där varje impedans och växelstorhet representeras av ett komplext tal. Metoden ger vanligen betydande förenklingar då reglerna för likströmskretsar kan tillämpas på växelströmskretsar.

Enkla växelströmskretsar

Historik 
Nikola Tesla var en av pionjärerna inom utvecklingen av växelströmssystem. Tesla gjorde växelströmmen mer allmänt användbar genom att konstruera den första växelströmsmotorn 1882 samt utvecklade transformatorn på ett sätt som möjliggjorde uppbyggnaden av dagens eldistributionsnät. Den första växelströmsgeneratorn var baserad på Michael Faradays principer och konstruerades av den franske instrumentmakaren Hippolyte Pixii 1832. Den första kommersiella tillämpningen av elektrisk energi - glödlampan - utnyttjade likström (likspänning). Likström som strömart kom därefter att utnyttjas under åtskilliga år. På grund av fördelar vid generering och distribution produceras elektrisk energi idag nästan enbart som växelströmsenergi. Efter konstruktionen av växelströmstransformatorn, en enkel och effektiv apparat utan rörliga delar, kunde det föregående likströmssystemet ej längre konkurrera. Dessutom konstruerades den robustaste och tillförlitligaste elmotorn av alla – den kortslutna asynkronmotorn – för växelströmsdrift.

Att växelströmmen kommit att bli den dominerande strömarten innebär inte att likströmmen är betydelselös. Exempelvis sker ofta överföringen av mycket stora effekter över långa avstånd med högspänd likström (HVDC = high voltage direct current). I generatorstationerna omvandlas växeleffekten till likströmseffekt. Likströmsegenskaperna (låga förluster) utnyttjas sedan under själva överföringen och energin omvandlas på mottagarsidan tillbaka till växelströmsenergi. Ytterligare exempel där likström är en attraktiv strömart är vid motordrift med högt ställda krav på möjligheterna att exempelvis styra och kontrollera startförlopp och varvtal. I vissa fall är likström den enda möjliga strömarten, till exempel för elektrokemiska processer.

Se även 
 Trefassystem
 Tvåfassystem
 Enfassystem
 jω-metoden
 Faskompensering
 Likström
 Växelspänning
 Nätverksanalysator
 Hällsjön, Smedjebackens kommun, världens första kommersiella kraftöverföring för växelström, invigd 1893.

Referenser
 Klaus Lunze: Theorie der Wechselstromschaltungen, Verlag Technik, Berlin 1991,

Noter

Externa länkar 

Elektricitet