Wechselstromgenerator

Definition und Bedeutung

Ein Wechselstromgenerator, auch Wechselstromerzeuger genannt, ist eine besondere Ausführungsform eines elektrischen Generators zur Erzeugung von Wechselstrom. Im Gegensatz zum Gleichstromgenerator findet keine Kommutierung statt. Deshalb entsteht Wechselstrom, dessen Frequenz von der Rotordrehzahl und der Polpaarzahl abhängt.

Ältere Einphasen-Wechselstromgeneratoren haben für die Stromerzeugung im großen Stil nur noch geringe Bedeutung. Sie werden heute vor allem für kleine Leistungen bis etwa 2,2 Kilowatt eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Wechselstromgenerator ist der Fahrraddynamo. Deutlich häufiger werden inzwischen Mehrphasenwechselstromgeneratoren verwendet.

Elektromagnetisches Prinzip

Dreht sich eine Leiterschleife in einem Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte B, verändert sich der magnetische Fluss φ durch die Schleife ständig. Dadurch wird eine Spannung U_ind induziert. Für den Winkel γ zwischen Schleife und Magnetfeld gilt:

φ = B · A · cos γ

Rotiert die Schleife mit der Winkelgeschwindigkeit ω, gilt:

γ = ω · t

Die induzierte Spannung lautet:

U_ind = −dψ/dt = U_s · sin(ωt)

Die Spannung kann über Bürsten an Schleifringen abgegriffen werden. Bei Stromentnahme wirkt auf den Leiter, wenn er sich quer zum Magnetfeld bewegt, die Lorentzkraft. Sie hemmt die Bewegung der Schleife; deshalb muss mechanische Arbeit zugeführt werden.

Aufbau und Betriebsarten

Ein Wechselstromgenerator besteht aus einem Stator und einem Rotor. Die heute üblichen Geräte sind als Einphasen-Synchronmaschinen in Innenpolmaschinenbauweise ausgeführt: Der magnetisch erregte Rotor erzeugt ein Erregerfeld, das in den Spulen des stehenden Stators eine Spannung induziert.

Das Erregerfeld kann durch Permanentmagnete bereitgestellt werden. Dadurch ist keine Erregerleistung erforderlich. Alternativ wird die Erregerleistung bei einer statischen Erregereinrichtung über Schleifringe zugeführt. Ein kleiner Akkumulator kann als Puffer und zur Stabilisierung der Erregerspannung dienen. Ein Start ohne Akkumulator ist auch durch eine schwache Dauermagnetisierung des Rotors möglich. Nach dem Beginn der Selbsterregung muss der Erregerstrom geregelt werden, damit die Ausgangsspannung konstant bleibt.

Einphasige Wechselstromgeneratoren sind nur bedingt für den Betrieb am Verbundnetz geeignet. Ihre Einspeisung in ein Dreiphasennetz kann eine Unsymmetrie verursachen. In Deutschland gehören beispielsweise die Generatoren zur Stromerzeugung für die Deutsche Bahn zu dieser Kategorie; ansonsten werden solche Generatoren am Netz vor allem in Kleinwasserkraftwerken betrieben.

Eine weitere Bauart sind Asynchrongeneratoren. Eine einphasige Asynchronmaschine kann bei Netzanschluss als Generator arbeiten, wenn sie um den Schlupf schneller als die Synchrondrehzahl angetrieben wird. Ohne Netzanschluss werden Kondensatoren zur Kompensation der Blindleistung beziehungsweise zur Bereitstellung der Erregung verwendet. Selbsterregte Asynchrongeneratoren benötigen außerdem eine Restmagnetisierung des Kurzschlussläufers oder einen Start-Stromimpuls.

Geschichte der Entwicklung

Die Entwicklung beruht auf mehreren Entdeckungen und Konstruktionen:

• 1820 entdeckte André-Marie Ampère, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst.
• 1831 entdeckte Michael Faraday die elektromagnetische Induktion.
• 1832 konstruierte Hippolyte Pixii den ersten Wechselstromgenerator mit Permanentmagnet.
• 1866 erbaute Werner Siemens den ersten praktisch verwendbaren Generator.

Bei Pixiis Generator rotierte ein Hufeisenmagnet vor zwei in Reihe geschalteten Spulen. Die Änderung der magnetischen Flussdichte induzierte eine Wechselspannung. Da man damals vor allem Gleichstrom benötigte, wurde ein Kommutator eingebaut, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelte. Dieses Prinzip mit Kollektor und Kohlebürsten wird auch bei Gleichstromgeneratoren verwendet.

Einsatz und Regelwerke

Typische Einsatzbereiche sind Kleinwasserkraftwerke, kleine Windkraftanlagen, Notstromaggregate bis 2,2 kW sowie Wechselspannungslichtmaschinen an Fahrrädern und manchen Motorrädern.

Für umlaufende elektrische Maschinen werden unter anderem folgende Regelwerke genannt:

• EN 60 034 Teil 1: Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
• DIN IEC 34 Teil 7: Bauformen umlaufender elektrische Maschinen
• EN 60034-5: Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
• EN 60034-6: Kühlarten drehender elektrischer Maschinen