Informations- und Kommunikationstechnik

Prinzip elektrischer Generatoren

Gleichstromgenerator

In einem konstanten Magnetfeld, dem Statorfeld soll sich eine Spule drehen. Sie wird auch als Anker oder Rotor bezeichnet. Die Spulenenden sind leitend mit einem Kollektor verbunden. Es handelt sich um Schleifringe mit daran federnd anliegenden Stromabnehmer, auch Kohlebürsten genannt. Das Magnetfeld kann von einem Permanentmagnet bereitgestellt werden. In großen Generatoren erzeugen mit Gleichstrom betriebene Elektromagnete das Magnetfeld. Die Ankerspulen drehen sich innerhalb der Polschuhe des Magneten. In Kraftwerken werden die Generatoren durch Wasserkraft, Gas- oder Dampfturbinen angetrieben. Beim Fahrraddynamo ist es die Drehbewegung des Rades, die den Anker antreibt. Das Generatorprinzip funktioniert ebenso, wenn das Magnetfeld rotiert und die Spannung in feststehenden Feld-(Stator)-Wicklungen induziert wird.

Ob der Generator Gleich- oder Wechselspannung erzeugt wird vom Aufbau des Kollektors bestimmt. In der Gleichspannungsmaschine gibt es einen Schleifring, der pro Spule aus zwei gegeneinander isolierten Halbringen besteht. Die Spulenenden sind mit je einem Halbring verbunden. Das ergibt einen 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.

Im folgenden Videoclip soll die rechte Leiterschleife betrachtet werden. Sie dreht sich im statischen Magnetfeld von 0° nach 180° links herum. 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. Für die folgenden 180° ist er jetzt 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.

Wechselstromgenerator

Bei diesem Generator dreht sich im konstanten Magnetfeld ebenfalls eine Ankerwicklung. Ihre Enden sind im Kollektor mit je einem eigenen ungeteilten Schleifring verbunden. Die Leiterschleife wird nicht mehr umgeschaltet, wenn sie nach dem Verlassen des Nordpolbereichs in den Südpolbereich eintritt. Die Wicklung liefert an ihren Enden eine sinusförmige Wechselspannung.

Der Videoclip verdeutlicht das Prinzip des Wechselspannungsgenerators. Die Drehung erfolgt für eine Periode in 15°-Schritten und danach kontinuierlich. 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 das positivere Potenzial. Für die folgenden 180° dreht sich dieser am Südpol vorbei, während die andere Leiterhälfte den Weg oben herum nimmt. Der Strom fließt jetzt durch diesen sich 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 Videoclip 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 zur Sternschaltung zusammengefasst. Gegen den gemeinsamen Sternpunkt oder Neutralleiter N stehen somit an den Spulenenden oder Außenleitern die drei um 120° phasenversetzten Strangspannungen L1, L2 und L3 zur Verfügung. Die auf der Netzseite noch gültigen alten Leiterbezeichnungen lauten R, S, T. Das Drehstromnetz kann in zwei möglichen Schaltungsarten betrieben werden. In der Sternschaltung sind mit jeweils einem Leiter gegen den Neutralleiter drei unabhängige Stromkreise möglich. In der Dreieckschaltung nutzt die angeschlossene Last gleichzeitig die drei Außenleiterspannungen ohne den Neutralleiter.

Die Sternschaltung

Wie im Video zu sehen ist, erzeugt der Generator mit jedem gleichfarbigen Spulensatz eine sinusförmige Strangspannung. Damit lassen sich drei unabhängige Verbraucherkreise versorgen. Zur Weiterleitung und Verteilung der Energie 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 N zusammengefasst werden. Das Ergebnis ist die Verkettung der Stränge zur Sternschaltung.

Sternschaltung

Das Grafik 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 untereinander verglichen mit den Strangspannungen L gegen N.

In der Sternschaltung sind die Ströme der Außenleiter und Strangströme gleich groß.
Die Leiterspannungen L12, L23 und L31 sind zueinander um den Verkettungsfaktor √3 größer als die Strangspannungen.
Auf den Sternpunkt N bezogen sind die Spannungen der Außenleiter L1N, L2N und L3N gleich den Strangspannungen.

Die Dreieckschaltung

Drei Verbraucherkreise können ohne den Neutralleiter einzubeziehen jeweils zwischen zwei Außenleiter geschaltet werden. Diese Verkettung mit den Stromkreisen zwischen L1-L2, L2-L3 und L3-L1 bildet die Dreieckschaltung des Drehstromsystems. Das Video-Lehrprojekt zeigt, dass die Nutzspannung zwischen zwei Strängen ebenfalls sinusförmig ist. Sie ist um den Verkettungsfaktor √3 größer als die einzelne Leiterspannung in der Sternschaltung. Die Kraftwerksgeneratoren arbeiten in Sternschaltung. Die Energieverteilung zwischen den Umspannwerken erfolgt durch Transformatoren in Dreieckschaltung. Das Energieverteilnetz benötigt dadurch nur drei Leitungen.

Dreieckschaltung

Im linken Teil der Grafik ist erkennbar, dass in der Dreieckschaltung die Außenleiter- und Strangspannungen gleich groß sind. Bei symmetrischer Belastung sind die Strangströme gleich groß. Im rechten Teil der Grafik sind die Stromzeiger IS1 ... IS3 so verschoben, dass sie im Punkt 0 beginnen. Die Phasenwinkel von je 120° zwischen den Strangströmen bleiben erhalten, sodass zu jedem Zeitpunkt die Summe der Strangströme null ergibt. Der Außenleiterstrom ILL bildet mit 2 Strangströmen das gleichschenklige Dreieck 0-L2-L3. Das Lot vom Punkt 0 auf ILL halbiert als Höhe den Außenstromzeiger. Es bilden sich zwei rechtwinklige Dreiecke. Die Höhe halbiert den 120° Winkel zwischen den Schenkeln, folglich gilt für den Winkel φ = 30°. Mithilfe des gelben Dreiecks kann der mathematische Zusammenhang zwischen dem Strangstrom und dem Außenleiterstrom hergeleitet 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 jeder Wicklung.

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 dazwischen geschalteter Energieübertragungsnetze.