Informations- und Kommunikationstechnik

Prinzip des Gleich-, Wechsel- und Drehstromgenerators

Gleichstromgenerator

In einem konstanten Magnetfeld, dem Stator, dreht sich eine Spule, auch Anker oder Rotor genannt. Die Spulenenden sind mit einem Kollektor verbunden. Es handelt sich um Schleifringe, von denen die Spannung durch federnd anliegenden Stromabnehmer, den Kohlebürsten, abgeleitet wird. Das Magnetfeld kann von einem Permanentmagnet bereitgestellt werden. In großen Generatoren erzeugen Elektromagnete das Feld, wobei die Statorspulen mit Gleichstrom versorgt werden. Der Anker mit seinen Spulen dreht sich innerhalb der Polschuhe. Er wird in den Kraftwerken von Gas- oder Dampfturbinen angetrieben. Beim Fahrraddynamo ist es die Drehbewegung des Rades, die den Anker antreibt.

Der prinzipielle Aufbau eines Gleich- und Wechselspannungsgenerator unterscheidet sich nur in der Art des Kollektors. In der Gleichspannungsmaschine gibt es einen Schleifring, der pro Spule aus zwei gegeneinander isolierten Halbringen besteht. Die Spulenenden sind mit je einem Halbring verbunden. Dadurch ergibt sich ein Umschalter, Kommutator genannt, der beim Wechsel die Enden der Spule bezogen auf den Stromabnehmer umpolt. Im Stromkreis fließt der Strom dann immer in die gleiche Richtung und der Generator erzeugt eine pulsierende Gleichspannung.

In der interaktiven Simulation soll die rechte Leiterschleife betrachtet werden, die in einem statischen Magnetfeld von 0° nach 180° links herum gedreht wird. Der Strom fließt durch sie nach vorne über die obere Schleifringhälfte. Nach 180° liegt die obere Kohlebürste, der Stromabnehmer, nicht mehr an diesem Schleifring an, sondern ist für die folgenden 180° mit der vormals linken Leiterschleife verbunden. Der Kommutator hat auf die andere Hälfte der Leiterschleife umgeschaltet, sodass die Stromrichtung für den oberen Abnehmer unverändert bleibt.

Die Stromrichtung kann mithilfe der Rechten-Hand-Regel ermittelt werden. Die Hand ist so zu halten, dass die Magnetfeldlinien von Nord nach Süd in die offene Handfläche eintreten. Der abgespreizte Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung der Ankerspule. Die Fingerspitzen geben die Richtung des induzierten Stromes an.

Eine gleichwertige Methode benutzt Daumen, Zeige- und Mittelfinger der rechten Hand, die zueinander senkrecht stehend abgespreizt werden. Sie wird auch UVW- oder Generatorregel genannt. Der Daumen für die Ursache zeigt in die Bewegungsrichtung der Spule. Der Zeigefinger für die Vermittlung weist in die Richtung der Magnetfeldlinien. Der Mittelfinger für die Wirkung zeigt die Stromrichtung an.

Zweiphasenwechselspannung – Wechselstromgenerator

Auch bei dieser Generatormaschine dreht sich in einem konstanten Magnetfeld eine Spule. Ihre Enden sind im Kollektor mit je einem eigenen ungeteilten Schleifring verbunden. Die Spule liefert an ihren Enden eine sinusförmige Wechselspannung. Die Leiterschleife wird nicht mehr umgeschaltet, wenn sie nach dem Verlassen des Nordpolbereichs in den Südpolbereich eintritt.

Die Animation verdeutlicht das Prinzip des Wechselspannungsgenerators und kann auch hier mit der Steuerleiste in 15°-Schritten individuell geschaltet werden. Dreht sich der rechte Schenkel der Leiterschleife entgegen dem Uhrzeigersinn von 0° über 90° nach 180°, so fließt der Strom im oberen Leiterteil von hinten nach vorne. Während dieser Zeit hat der äußere Ring hat das positivere Potenzial. Für die folgenden 180° dreht sich dieser am Südpol vorbei, während die andere Schenkelhälfte jetzt den Weg oben herum nimmt. Der Strom fließt durch diesen jetzt von rechts nach links drehenden Spulenabschnitt von hinten nach vorne zum innen gezeichneten Schleiferring, der nunmehr positives Potenzial erhält. Auf die Stromabnehmer bezogen hat sich die Stromrichtung umgekehrt und bei gleichmäßiger Rotation folgen Strom und Spannung einer Sinuskurve.

Beide Generatortypen können durch Anlegen der richtigen Spannungsart an den Anker auch als Motor betrieben werden.

Dreiphasenwechselspannung – Drehstromgenerator

Die Elektrizitätswerke stellen uns elektrische Energie als Wechselspannung zur Verfügung. Im Kraftwerk werden Spannung und Strom nach dem Dynamoprinzip erzeugt. Der Wechselspannungsgenerator besteht vereinfacht aus drei zueinander um 120° versetzten feststehenden Spulen, den Feldwicklungen. Im Zentrum der Anordnung rotiert eine Gleichstromspule, der Magnetanker. Diese Bauweise hat zwei Vorteile. Das Magnetfeld ist regelbar und die Stromzuführung der Ankerspule kommt mit zwei ungeteilten, somit verschleißarmen Schleifringen aus. Die Abnahme der Wechselspannung erfolgt direkt an den Feldwicklungen.

Nicola Tesla befasste sich ab 1882 mit der Erzeugung von Wechselspannung. In Amerika baute er 1887 patentgeschützt eine Zweiphasen-Wechselstrommaschine. Auf diesen Grundlagen baute 1887 in Deutschland Friedrich August Haselwander den Dreiphasengenerator. Die von ihm eingereichten Patentanträge wurden jedoch nicht zeitgerecht bearbeitet und damit ging die Nutzung 1889 an die AEG, wo zur gleichen Zeit M. O. Doliwo-Dobrowolski an der Erzeugung des Dreiphasenwechselstroms arbeitete. Die technisch anwendbaren Lösungen standen um 1890 in mehreren Ländern gleichzeitig zur Verfügung. In Deutschland bei der AEG, in Amerika von N. Tesla, in der Schweiz entwickelte Charles E. L. Brown und in Schweden Jonas Wenström praktische Lösungen.

Der folgende interaktive Simulation zeigt das Prinzip des Dreiphasenwechselspannungsgenerators. Die Amplitudenwerte entsprechen unseren verbraucherseitigen Netzspannungen. Die Zeitdiagramme der einzelnen Strangspannungen lassen sich zu- und abschalten. In den Kraftwerken sind die Spulensätze der Generatoren immer in einer Sternschaltung zusammengefasst. Gegen den gemeinsamen Sternpunkt oder Neutralleiter N stehen somit an den Spulenenden oder Außenleitern die drei um 120° phasenverschobenen Strangspannungen L1, L2 und L3 zur Verfügung. Die auf der Netzseite noch gültigen alten Leiterbezeichnungen lauten R, S, T. Neben den Strangspannungen der Sternschaltung können noch die Spannungsverläufe zwischen den Außenleitern für die zweite mögliche Schaltungsart, der Dreieckschaltung zugeschaltet werden.

Die Sternschaltung

Wie im Film zu sehen ist, erzeugt der Generator mit jedem gleichfarbigen Spulensatz eine sinusförmige Strangspannung. Damit lassen sich drei unabhängige Verbraucherkreise versorgen. Zur Energieweiterleitung werden drei Doppelleitungen benötigt. Bei gleicher Belastung der drei Stränge hat die Stromsumme auf den Rückleitungen zu jedem Zeitpunkt den Wert null. Die Rückleitungen können im Sternpunkt zu einer Leitung, dem Neutralleiter zusammengefasst werden. Das Ergebnis ist die Verkettung der Stränge zur Sternschaltung.

Sternschaltung

Das Bild zeigt die Zeigerdiagramme der Sternschaltung für Ströme und Spannungen. Die drei Leiterströme im Verbraucherkreis entsprechen den drei Strangströmen I1 ... I3. Bei symmetrischer Strangbelastung ist die Summe zweier Strangströme, wie im gelben Zeigerdreieck der Ströme zu erkennen, gleich dem negativen Wert des dritten Strangstroms. Im Sternpunkt heben sich die Ströme gegenseitig auf.

Die Strangspannungen U1 ... U3 bilden mit den benachbarten Spannungen der Außenleiter ULL das gelbe gleichschenklige Dreieck. Die eingezeichnete Höhe teilt die Leiterspannung U12 mittig. Der Winkel φ im rechtwinkligen Dreieck beträgt 30°. Das ergibt einen Verkettungsfaktor von √3 für die Leiterspannungen im Vergleich zu den Strangspannungen.

In der Sternschaltung sind die Ströme der Außenleiter und Strangströme gleich groß.
Die Leiterspannungen zueinander sind um den Verkettungsfaktor √3 größer als die Strangspannungen.
Auf den Sternpunkt bezogen sind die Spannungen der Außenleiter gleich den Strangspannungen.

Die Dreieckschaltung

Ohne den Neutralleiter einzubeziehen, können drei Verbraucherkreise direkt zwischen den Strängen geschaltet werden. Diese Verkettung bildet die Dreieckschaltung des Drehstromsystems. Der Flashfilm zeigt, dass die Nutzspannung zwischen zwei Strängen ebenfalls sinusförmig ist. Sie ist aber um den Spannungsverkettungsfaktor √3 größer als in der Sternschaltung. Die Kraftwerksgeneratoren arbeiten in Sternschaltung. Die Energieverteilung zwischen den Umspannwerken erfolgt im Umspannwerk durch Transformatoren in Dreieckschaltung. Das Energieverteilnetz benötigt dadurch nur drei Leitungen.

Dreieckschaltung

Im linken Teilbild ist erkennbar, dass in der Dreieckschaltung die Außenleiter- und Strangspannungen gleich groß sind. Verschiebt man die bei symmetrischer Belastung gleich großen Strangströme IS1 ... IS3 so, dass sie im Punkt 0 beginnen, dann erhält man nach einer Drehung das dargestellte Zeigerdiagramm der Ströme. Die Summe der drei zueinander um 120° phasenverschobenen Strangströme ergibt den Wert null. Der Außenleiterstrom ILL bildet mit jeweils 2 Strangströmen ein gleichschenkliges Dreieck. Die eingezeichnete Höhe halbiert den Zeiger ILL. Die Zeigerlänge kann im rechtwinkligen, gelben Dreieck mit cos(φ) aus dem Strangstrom errechnet werden. In der Dreieckschaltung hat der Stromverkettungsfaktor den Wert √3.

In der Dreieckschaltung sind die Spannungen der Außenleiter und die Strangspannungen gleich groß.
Die Leiterströme zueinander sind um den Verkettungsfaktor √3 größer als die Strangströme.

Leistungsbilanz

Die Leistung eines Drehstromsystems bei symmetrischer Belastung ist für die Stern- und Dreieckschaltung gleich. Sie errechnet sich aus der Summe der drei Strangleistungen. Für die gewählte Schaltung kann sie durch Messung der Leiterspannung und des Leiterstroms messtechnisch ermittelt werden.

Drehstromleistungen

Wird die Leistungsaufnahme eines Verbrauchers in Sternschaltung mit der in Dreieckschaltung verglichen, so kann er in der Dreieckschaltung die dreifache Leistung erbringen. Viele Antriebsmaschinen im Drehstromnetz lassen sich zwischen Stern und Dreieck umschalten. Der Anlauf der Maschinen erfolgt bei verminderter Belastung in Sternschaltung. Im Vergleich zum Volllastbetrieb wird hierbei nur ein Drittel der Leistung umgesetzt. Nach dem Erreichen der maximalen Drehzahl der Motoren wird in die Dreieckschaltung umgeschaltet, sodass die volle Leistung zur Verfügung steht.

Ein anderes Kapitel befasst sich mit den wichtigsten Netzformen. Dort geht es um den Anschluss der Endverbraucher an das Versorgernetz ohne Berücksichtigung der dazwischen geschalteten Energieübertragungsnetze.