Warum haben Elektroanschlüsse im Haus vier Drähte? Für den einfachen Stromkreis würden doch zwei Drähte genügen, Hin- und Rückleitung. In unseren Häusern kommt Drehstrom an, aber Generatoren erzeugen immer nur Wechselstrom. Aber es gibt einen Trick um aus Wechselstrom Drehstrom zu machen.
Zuerst erkläre ich, wie in Generatoren sinusförmige Wechselspannung erzeugt wird. Danach zeige ich in zwei Versuchen, wie man einen Generator mit Spulen drehen kann. Das führt uns dazu, wie man Drehstrom erzeugen kann. Schließlich erkläre ich den Drehstrommotor.
In Generatoren wird sinusförmige Wechselspannung erzeugt
Indem man eine Leiterschleife im Feld eines Magneten dreht, entsteht eine Sinuskurve. Die dabei erzeugte elektrische Spannung ist eine Wechselspannung. Wir sprechen daher von einer sinusförmigen Wechselspannung.
Versuch: Generator mit Magneten außerhalb einer Spule drehen
Wir bauen einen Generator mit einer festsitzenden Spule und einem sich drehenden Polrad. Dann untersucht wir den Spannungsverlauf mit einer Glühlampe.
Der Verlauf der Spannung folgt der einer Sinuskurve. Der Versuch zeigt das Grundprinzip eines Wechselstromgenerators, wie er in Kraftwerken zu finden ist. Anstatt dass sich eine Spule in einem Magnetfeld dreht, (was wir bereits kennen) dreht sich hier ein Elektromagnet an Spulen vorbei. Durch die Feldänderung in den Spulen entsteht dabei in diesen eine Induktionsspannung.
Versuch: Generator mit drei symmetrisch um das Polrad angeordneten Spulen
Diesemal setzen wir drei um 120° versetzte Spulen um ein Polrad.
Auch hier folgt die Spannung in jeder Spule der Form einer Sinuskurve. Da der Nord- bzw. Südpol des Polrades die drei Spulen durch seine Drehbewegung nacheinander magnetisiert, entstehen dabei drei um 120° versetzte sinusförmige Wechselspannungen. Der so erzeugte Strom heißt Dreiphasen- oder Drehstrom. Die drei um 1200 verschobenen Wechselspannungen haben die Eigenschaft, dass die Summe aller drei Spannungen zu jedem Zeitpunkt gleich Null ist. Das bedeutet, dass man die Enden der drei Spulen miteinander verbinden darf. So werden drei Leitungen gespart.
Drehstrom erzeugen
Aus ökonomischen Gründen erzeugt man Elektrizität mit großen Drehstromgeneratoren. Schleifringe versorgen dabei das Polrad mit dem Erregerstrom. Der Erregerstrom stammt aus einem Gleichstromgenerator, der sich auf der gleichen Antriebswelle, wie der Drehstromgenerator befindet. Die Spannung des Drehstromgenerators kann so über die Erregerspannung geregelt werden.
Der Strom wird den drei Generatorwicklungen entnommen und ins Netz geleitet. Die Generatorspannung beträgt ca. 10 000 V bei einem Strom bis zu 10 000 A. Die drei Generatorwicklungen sind so miteinander verbunden, das man mit insgesamt vier Leitungen auskommt. Die vierte Leitung ist der Mittelpunktleiter. Er wird dort angeschlossen wo die drei Wicklungen der Spulen miteinander verbunden sind.
Vier Leiter im Drehstromnetz
Die Vorteile des Drehstromnetzes bestehen darin, dass man hat mit vier Leitern zwei verschiedene Spannungen zur Verfügung hat. (3 mal 400 V und 3 mal 230 V) Drei gleichstarke Verbraucher (symmetrische Belastung) können an nur drei Leitungen, den drei Phasen oder auch Außenleiter genannt ohne Rückleitung angeschlossen werden. Hat man ungleiche Verbraucher (asymmetrische Belastung), so ist der Mittelpunktleiter Ausgleichsleitung für den Strom.
Der Drehstrommotor
Wenn man drei um 1200 versetzte Spulen an die drei Außenleiter des Drehstromnetzes anschliesst, so entsteht ein magnetisches Drehfeld. Mit anderen Worten Drehstrom.
Metallscheiben, die in ein solches Drehfeld gebracht werden, drehen sich dabei. Das ist das Prinzip eines Drehstrommotors.
Er ist sehr billig und hat kaum Verschleißteile, denn er hat weder Kohlebürsten noch Schleifringe.
Sternschaltung und Dreieckschaltung am Drehstromnetz
Es gibt zwei verschiedene Schaltungen, wie Verbraucher an ein Drehstromnetz angeschlossen werden können. Die Sternschaltung und die Dreieckschaltung. Bei der Sternschaltung hat jeder Verbraucher die Spannung 230 V. Bei der Dreieckschaltung hat jeder Verbraucher 400 V. Dies ist jedoch nur bei symmetrischer Belastung möglich.
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