Gelijkstroom of wisselstroom
de oorlog der stromen
AC/DC
Root server » TechTalk » Electriciteit » Gelijkstroom of wisselstroom
Bij het begin van de electrificatie gebruikte men gelijkstroom, die gemakkelijker inzetbaar was. Maar met de schaalvergroting werd gelijkstroom minder en minder interessant.

Gelijkstroom of wisselstroom?


Miniatuur stoommachine


Tesla en Edison


Eerst hadden bepaalde steden hun eigen electriciteitsnet. Dit was meestal een gelijksspanningsnet die gemakkelijker te implementeren was.

Om grotere gebieden van stroom te voorzien was men verplicht over te schakelen op wisselspanning.

Van zodra men de standsnetten aan elkaar ging koppelen moest men een systeem vinden om de alternatoren te synchroniseren.


De dynamo heeft een brede collector en dikke koolborstels, want al het vermogen dat geleverd wordt moet door de collector. De koolbostels veroorzaken verlies (zowel electrisch als mechanisch) en moeten regelmatig vervangen worden.


Dit is de originele generator die gebruikt werd aan boord van de Abraham Crijnssen, een Nederlandse mijnenveger uit 1936. Hoewel er reeds dieselmotoren en alternatoren bestonden, werd hier gekozen voor een stoommachine en een dynamo (110V, 80A bij 350 omwentelingen/minuut). Het duurde 4 uur om de ketels op temperatuur te brengen.


Als men een zeer hoge stroom nodig heeft bij een lage spanning, dan nemen de koolborstels meer plaats in dan de spoelen zelf. Het betreft hier een dynamo die voor galvanoplastie gebruikt werd.


Maar zelfs met de eerste alternatoren is men niet verlost van de dynamo: de dynamo is namelijk nodig om de gelijkspanning te leveren aan de hoofdveldwikkeling (rotor in het rood de rotor). De opwekkingsdynamo wordt hier besproken.

In het begin van de electrificatie had gelijkstroom een groot voordeel: gelijkstroom kon gemakkelijker ingezet worden. Men kon gewoon dynamo's bijplaatsen als men meer stroom wou produceren. De generatoren hoefden niet synchroon te lopen, want er was geen netfrekwentie. Men regelde het vermogen van een dynamo door het toerental van de stoommachine bij te stellen. Het bijschakelen van extra generatoren was relatief gemakkelijk.

De traagdraaiende stoommachine was ideaal in combinatie met een dynamo omdat de koolborstels minder snel verslijten als het anker trager draait. Een stoommachine met dynamo draaide aan een snelheid van ongeveer 100 toeren per minuut. Toen de eerste alternatoren werden gebruikt, was er een speciale constructie nodig (op het vliegwiel) om met een traagdraaiende stoommachine toch een voldoende hoge frekwentie te bekomen om het flikkeren van de lichten te vermijden.

De oorlog der stromen was vooral een amerikaanse bedoening. Edison had talrijke patenten, maar die golden enkel voor gelijkstroom. Hij moest dus gelijkstroom netten bouwen om inkomsten te kunnen halen uit zijn uitvindingen. De oorlog tussen Edison en Tesla heeft het Nobelprijscomité doen besluiten hen geen gezamelijke Nobelprijs te geven.

Edison was eigenlijk geen voorstander van de doodstraf, maar heeft niet geaarzeld om de doodstraf door middel van elektriciteit te promoten (wisselspanning, natuurlijk) om aan te tonen hoe gevaarlijk wisselspanning wel was. Onderzoek met betrekking tot de electrische stoel werd in het geheim betaald door Edison. Alle middelen waren goed om wisselspanning in een "gevaarlijk" daglicht te plaatsen, zie bijvoorbeeld het verhaal over Topsy. In feite is gelijkspanning gevaarlijker omdat men bij aanraking van een stroomvoerende draad aan de geleider blijft plakken.

In het begin konden de mensen trouwens niets aanvangen met wisselspanning, er waren geen motoren die op wisselspanning konden draaien. Met gelijkspanning kon men bufferbatterijen direct op het net laden. Deze konden dan stroom leveren als de dynamo stilgelegd werd. Later, als de vraag naar electriciteit steeg, werd de dynamo niet meer stilgelegd, maar werden de bufferbatterijen opgeladen tijden de daluren.

Maar uiteindelijk zag men de nadelen van gelijkspanning in. De eerste transformatoren met een aanvaardbaar rendement werden gebouwd, er ontstonden motoren die zowel op gelijkstroom als op wisselstroom konden werken. De nadelen van wisselspanning vielen één voor één weg, terwijl de nadelen van gelijkspanning meer en meer opvielen met de schaalvergroting:

  • Er was een centrale om de 4km nodig om niet te moeten werken met te dikke kabels
  • Een dynamo heeft een lager rendement dan een alternator, en het verschil in rendement stijgt met het vermogen.
  • Gelijkstroom kan niet getransformeerd worden, wat bepaalde toepassingen (toen) onmogelijk maakte, bijvoorbeeld de neon-reklame.
  • De spanning die een dynamo levert kan niet hoger dan een paar duizend volt zijn (om vonkoverslag in de collector te vermijden)
De enige manier om gelijkspanning te transformeren naar een lager of hoger voltage was door middel van een niet echt efficiente roterende omvormer.

Om stroom te kunnen produceren heeft men een wisselend magnetisch veld nodig (bijvoorbeeld een roterende spoel in een vast magnetisch veld). De aldus geproduceerde stroom is ook wisselend en er is een schakelsysteem nodig om de wisselspanning om te zetten naar gelijkspanning: dat zijn de collector en de koolborstels van de dynamo. De volledige stroom moet noodzakelijkerwijze via de koolborstels lopen, die dus dikker en dikker moeten worden als de stroom verhoogd wordt.

Om meer vermogen te kunnen leveren aan de gebruikers werkte men met een electriciteitsnet met drie geleiders: +110V, -110V en de massa. De gebruikers werden verdeeld tussen de +110V of de -110V en de massa. Na de tweede wereldoorlog waren alle gelijkstroomnetten nagenoeg verdwenen, behalve op schepen, waar het boordnet nog altijd gelijkspanning was.

Eenmaal dat men op wisselspanning overgestapt is, heeft men alternatoren kunnen bouwen die een hoger rendement haalden en die de nadelen van de dynamo's niet meer hadden: de generatorspanning kon vrij gekozen worden (de eerste grote generatoren hadden allemaal een spanning van 10kV) want men zat niet meer vast aan de netspanning.

Een alternator is omgekeerd gebouwd in vergelijking met een dynamo: de veldwikkeling is nu een draaiende wikkeling (die dus een wisselend magnetisch veld produceert), terwijl de stroomwikkeling vast is. Dit is beter voor de koeling van de stroomwikkeling, maar het heeft ook als voordeel dat er geen hoge stroom meer door de borstels moet lopen. De veldwikkeling heeft enkel een relatief lage bekrachtigingsstroom nodig, en die kan aangevoerd worden door glijcontacten in plaats van koolborstels. In de latere versies kan men zelfs de contacten volledig elimineren (dubbeltraps alternator).

Men gaat opnieuw gelijkstroom gebruiken bij het vervoeren van energie over een relatief grote afstand (kabels op de zeebodem), dit is bijvoorbeeld het geval met windmolens. Windmolens zijn nooit synchroon met het electriciteitsnet: een omzetting is in ieder geval noodzakelijk. Men werkt hier graag met gelijkspanning omdat de crest factor bij gelijkspanning gunstiger is: de stroom is constant, waardoor de geleider optimaal benut wordt. Bij het transporteren van wisselspanning heeft men kabels die 1.4× dikker zijn (en met 3 geleiders voor triphasé in plaats van 2 voor gelijkstroom).

De magneto
De magneto is de eerste machine om electriciteit te maken op industriële schaal. De magneto leverde wisselspanning (meestal voor de verlichting, want men kon toen niet veel doen met wisselspanning).

De dynamo (indexpagina)
De dynamo die een veldwikkeling gebruikte in plaats van een reeks magneten kon een hogere stroom leveren. De dynamo produceerde gelijkspanning.
Grote dynamo's hebben compensatiewikkelingen en/of commutatiepolen nodig.
De automobieldynamo werd tot in de jaren 1960 gebruikt.
De dynamo ligt aan de basis van de magnetische versterker zoals de amplidyne.
De omschakeling van gelijkspanning naar wisselspanning gebeurde geleidelijk en de alternator van Izegem was gekoppeld aan een dynamo om gelijkspanning te blijven leveren aan het oude deel van de stad.

De trams en treinen
De eerste trams werden met gelijkspanning gevoed. Nu nog altijd worden de kusttrams met gelijkspanning gevoed.

De eerste electriciteitscentrales
De eerste electriciteitscentrales produceerden gelijkstroom. Dit leek toen vanzelfsprekend: men kon er batterijen mee opladen, motoren draaiden beter op gelijkstroom,... Maar een paar jaar later begonnen alle producenten over te schakelen op wisselspanning. Met een bezoek aan “Stoom en Stroom” in Izegem.

Het Musée de la métallurgie et de l'industrie heeft een zaal die voorzien is voor de ontwikkeling van de electriciteitsproductie.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's