Elektrischer Generator

Grundprinzip und Energieumwandlung

Ein elektrischer Generator ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt. Er ist das Gegenstück zum Elektromotor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Generatoren beruhen auf dem 1831 von Michael Faraday entdeckten Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Bei Induktionsgeneratoren wird mechanische Leistung meist als Drehung einer Welle zugeführt. Entscheidend ist die Lorentzkraft: Bewegt sich ein Leiter quer, also senkrecht, zu einem Magnetfeld, wirkt auf seine elektrischen Ladungen eine Kraft entlang des Leiters. Die Ladungen werden verschoben; dadurch entsteht zwischen den Leiterenden eine Potentialdifferenz und damit elektrische Spannung. Je größer die Flächenänderung pro Zeitänderung beziehungsweise die durchlaufene Strecke des Leiters ist, desto höher ist die Spannung. Mehrere zu einer Spule in Reihe geschaltete Leiter erhöhen die Spannung.

Davon unterscheiden sich elektrostatische Generatoren: Bei ihnen trennt ein elektrisches, nicht ein magnetisches Feld die Ladungen.

Rotor, Stator und Leistung

Ein Generator besteht hauptsächlich aus dem feststehenden Stator, auch Ständer, und dem beweglichen Rotor, auch Läufer. Auf der Antriebswelle des Rotors sitzt ein Magnet, der durch zugeführte mechanische Energie gedreht wird. Im Stator befinden sich mehrere Spulen mit Eisenkern.

Im Inneren dreht sich der Rotor gegenüber dem Stator. Sein Dauermagnet oder Elektromagnet erzeugt ein umlaufendes magnetisches Gleichfeld. Die Feldspule eines Elektromagneten heißt auch Erregerwicklung. In den Leitern oder Leiterwicklungen des Stators wird dadurch elektrische Spannung induziert. Bei Gleichstromgeneratoren ist es umgekehrt: Der Strom wird im Rotor induziert, während Feldspule oder Dauermagnet außen liegen.

Die erzeugte elektrische Leistung ist die zugeführte mechanische Leistung abzüglich der Verluste:

Pₑₗ = Pₘₑch − Pᵥ

Pₑₗ ist die erzeugte elektrische Leistung, Pₘₑch die zugeführte mechanische Leistung und Pᵥ die Verlustleistung. Verluste entstehen durch mechanische Reibung, Kupferverluste und Eisenverluste. Bei elektrischer Erregung kann die entnommene Spannung über die Stärke des Erregerfelds gesteuert werden. Dies wird in Kraftwerken und beispielsweise durch Lichtmaschinenregler in Kraftfahrzeugen verwendet.

Wechselstrom-, Gleichstrom- und Lineargeneratoren

Ein Wechselstrom- oder Drehstrom-Synchrongenerator benötigt für eine sinusförmige Spannung ein möglichst homogenes Magnetfeld des Rotors. Die Polzahl, mindestens zwei und ansonsten weitere gerade Zahlen, bestimmt bei gegebener Drehzahl die Frequenz der abgegebenen Spannung.

Asynchrongeneratoren sind wie Asynchronmotoren aufgebaut. Sie besitzen weder Feldspule noch Schleifringe, sondern einen Kurzschlussläufer. Das Magnetfeld entsteht durch den Strom in den Generatorwicklungen selbst. Deshalb liefern sie nur Strom, wenn sie an Wechselspannung angeschlossen sind oder bereits Strom erzeugen. Für Inselbetrieb werden sie mit Kondensatoren belastet; zum Start besitzen sie oft einen kleinen Dauermagneten im Rotor, wobei häufig auch die Restmagnetisierung genügt. Synchrongeneratoren können im Leistungsfaktor-Bereich cos phi von 0,8 induktiv bis 0,9 kapazitiv Wirk- und Blindleistung erzeugen. Im Phasenschieberbetrieb erzeugen sie ausschließlich Blindleistung. Kleinere Synchrongeneratoren kommen auch in Uhren und als Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor vor. Asynchrongeneratoren haben in Großkraftwerken ab etwa 0,1 MW keine Bedeutung, werden aber für Dieselgeneratoren, Kleinwasserkraftwerke und Windkraftanlagen eingesetzt; weltweit entfallen 90 % der Windkraftanlagen auf sie. Sie sind prinzipiell eine induktive Blindlast.

Gleichstromgeneratoren nehmen die im Läufer erzeugte Spannung über einen Kommutator, also Stromwender, ab und richten sie gleich. Weil die gesamte erzeugte elektrische Leistung über den Kommutator übertragen werden muss, sind sie heute nicht mehr gebräuchlich.

Ein Lineargenerator wandelt geradlinige statt an einer Drehachse anfallende Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Beim Induktions- oder Schüttel-Generator taucht ein Magnet durch Bewegung in Spulen auf beiden Seiten ein. Seine Wechselspannungsfrequenz hängt von der mechanischen Schwingung ab und schwankt mit der Last. In Schüttel-Taschenlampen bewegt sich ein starker Neodym-Magnet durch eine Spule. Die Leistung kann einen Doppelschicht-Kondensator mit 1 bis 2 F bei 3 bis 4 V laden, der LED-Leuchtmittel versorgt. Auch mobile Ladegeräte für kleinere Akkumulatoren im AA- oder AAA-Format nutzen diese Bauform.

Frühe Induktionsgeneratoren und Dynamomaschinen

Der erste bekannt gewordene Wechselstromerzeuger wurde 1832 von Hippolyte Pixii auf Anregung von Ampère gebaut. Das Modell bestand aus zwei Spulen, unter denen ein Hufeisenmagnet kreiste; ein Kommutator richtete den Strom noch in der Maschine gleich. Ebenfalls 1832 baute Michael Faraday eine Unipolarmaschine. Bei der Rotation eines zylindrischen Permanentmagneten auf der Drehachse erzeugte sie durch Unipolarinduktion Gleichstrom. Salvatore Dal Negro konstruierte im selben Jahr einen schwingenden Apparat zur Stromerzeugung; Carl Friedrich Gauß und andere bauten weitere nichtrotierende Stromerzeuger.

1849 entstand auf Anregung von Floris Nollet in Brüssel der Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance. Er war der erste Generator mit nennenswertem industriellem Einsatz. Die Maschinen sollten Wasser elektrochemisch zerlegen, um Leuchtgas für Beleuchtung zu gewinnen. Tatsächlich betrieben die meisten ohne Kommutator Bogenlampen in englischen und französischen Leuchttürmen; die letzten wurden erst um die Wende zum 20. Jahrhundert außer Betrieb genommen.

Als Erfinder des Generators ohne Permanentmagnete wird bevorzugt Werner von Siemens genannt. Er entdeckte 1866 das dynamoelektrische Prinzip, rüstete eine erste Dynamomaschine damit aus und prägte die Bezeichnung, die später zu „Dynamo“ verkürzt wurde. Bereits Ányos Jedlik 1851 und Søren Hjorth 1854 hatten jedoch die Feldmagnete mit dem von der Maschine selbst erzeugten Strom gespeist und dies beschrieben. Zeitgleich mit Siemens entdeckten und veröffentlichten auch Samuel Alfred Varley und Charles Wheatstone das Prinzip; Wheatstones Variante wurde später großtechnisch bedeutender. 1878 installierte Schuckert & Co. in der Venusgrotte von Schloss Linderhof Bogenlampen. Die 24 von einer Dampfmaschine angetriebenen Generatoren bildeten das erste fest installierte Kraftwerk der Welt und zugleich das erste Wärmekraftwerk.

Mehrphasenstrom und Großkraftwerke

1891 wurden auf der Frankfurter internationalen Elektrotechnischen Ausstellung Wechselstrommaschinen gezeigt, die eigens Mehrphasenwechselstrom erzeugten. Friedrich August Haselwander hatte bereits 1887 den ersten dieser Generatoren gebaut; er lieferte Dreiphasenwechselstrom. Charles Bradley erhielt Anfang 1897 ein Patent für einen Zweiphasenwechselstromgenerator. Präsentiert wurden außerdem eine Wechselstrommaschine der Firma Schuckert und ein Generator von Brown, Boveri & Cie.

Franz Pichler baute das erste Zweiphasen-Kraftwerk der k.u.k.-Monarchie. Es ging 1892 in der Raabklamm bei Weiz in der Steiermark in Betrieb. Sein Generator wurde nach einigen Jahren für Drehstrom umgewickelt und blieb bis 1971 in Betrieb.

Danach entstanden zahlreiche Kraftwerke mit Wasser- oder Dampfkraft. 1895 ging im/am Niagara das erste Großkraftwerk der Welt ans Netz. 1898 folgten in Europa die Kraftübertragungswerke Rheinfelden als Flusskraftwerk. Das Elektrizitätswerk Budapest nahm bereits 1895 ein Dampfkraftwerk in Betrieb.