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Drehstromgenerator
Der Drehstromgenerator ist eine besondere Form des elektrischen Generators, der drei voneinander unabhängige Wechselspannungen in die um 120° versetzten …
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Grundprinzip
Ein Drehstromgenerator ist eine besondere Form des elektrischen Generators. Er erzeugt drei voneinander unabhängige Wechselspannungen in den um 120° versetzten Strängen seiner Ständerwicklung. Die Ständerwicklung ist der ruhende Teil der Maschine; in ihr wird durch Induktion elektrische Spannung erzeugt. Das Prinzip wird am einfachen Modell deutlich: Ein rotierender Dauermagnet erzeugt in den Spulen ein Dreiphasensystem mit den Außenleiterspannungen L1, L2 und L3.
Die drei Wechselspannungen bilden zusammen eine Dreiphasenwechselspannung. Sie haben die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude, sind aber jeweils um 120° gegeneinander phasenverschoben. Eine Phasenverschiebung bedeutet, dass die Spannungen ihre Maximal- und Nullwerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreichen. Dadurch entsteht ein verkettetes System aus drei Strängen.
Verschaltung und Neutralleiter
Die drei Stränge der Ständerwicklung können in Stern oder Dreieck verschaltet sein. Bei der Sternschaltung sind die Stränge an einem gemeinsamen Punkt verbunden. Diese Schaltung wird verwendet, wenn ein Mittelpunktleiter, also ein Neutralleiter, benötigt wird. Bei einem verketteten Generatorstern können Spannungen sowohl gegen den Neutralleiter N als auch verkettet zwischen den Außenleitern betrachtet werden.
Als Erfinder des Drehstromgenerators wird Friedrich August Haselwander genannt. Eine originale Drehstrommaschine von August Haselwander befindet sich im Deutschen Museum in München.
Wichtige Bauarten und Einsatz
Typische Vertreter der Drehstromgeneratoren sind der Drehstrom-Synchrongenerator und der Drehstrom-Asynchrongenerator. Ein Synchrongenerator arbeitet so, dass sein Magnetfeld synchron zur Netzfrequenz läuft; ein Asynchrongenerator arbeitet nicht exakt synchron.
Drehstrom-Synchrongeneratoren sind für die großtechnische Energieerzeugung sehr wichtig. Sie werden zum Beispiel in Dampfkraftwerken und Wasserkraftwerken eingesetzt. Für das finnische Kernkraftwerk Olkiluoto fertigte Siemens den zurzeit, Stand 2010, größten Generator: einen Drehstrom-Synchrongenerator mit 1.992 MVA Nennscheinleistung. Die Nennscheinleistung gibt die für den Generator angegebene elektrische Scheinleistung an.
Drehstrom-Asynchrongeneratoren werden eher im kleineren Leistungsbereich eingesetzt, zum Beispiel in Windkraftanlagen und Notstromaggregaten.
Induzierte Spannung
Die induzierte Spannung ist die Spannung, die durch die Bewegung im Magnetfeld entsteht. Für die Geschwindigkeit gilt:
v = π · d · n = π · d · f / p
Dabei ist v die Geschwindigkeit, π die Kreiszahl, d der Läuferdurchmesser, n die Umdrehungsfrequenz, f die Frequenz und p die Polpaarzahl. Für eine einzelne induzierte Spannung gilt außerdem:
u_ind = B · l · v · z
Dabei ist B die magnetische Flussdichte, l die Läuferlänge und z die Leiteranzahl.
Formel der Strangleerlaufspannung
Aus den angegebenen Beziehungen folgt für die Induktionsspannung, genauer die induzierte Strangleerlaufspannung:
U_Str,0 = 2 · B · l · v · N_S = 2 · B · l · π · d · f / p · N_S
N_S bezeichnet die Spulenwindungszahl. Das Produkt B · l · π · d · f / p · N_S wird verdoppelt, weil beim 3-Phasen-Wechselstrom, also beim Drehstrom, im Generator jeweils Hin- und Rückleiter vorhanden sind. Die Formel zeigt, dass die induzierte Strangleerlaufspannung unter anderem von der magnetischen Flussdichte, den Abmessungen des Läufers, der Frequenz, der Polpaarzahl und der Spulenwindungszahl abhängt.
