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Wechselstromgenerator Ein oder auch Wechselstromerzeuger ist eine besondere Ausführungsform eines elektrischen Generator

Wechselstromgenerator

Ein Wechselstromgenerator oder auch Wechselstromerzeuger ist eine besondere Ausführungsform eines elektrischen Generators, der zur Erzeugung von einphasigem Wechselstrom dient. Da bei diesem Generatortyp im Gegensatz zum Gleichstromgenerator keine Kommutierung stattfindet, wird ein Wechselstrom erzeugt, dessen Frequenz proportional zur Rotordrehzahl ist. Für die Stromerzeugung im großen Stil sind Einphasen-Wechselstromgeneratoren heute nur noch von untergeordneter Bedeutung. Sie werden heutzutage nur für kleine Leistungen (u. a. Notstromversorgungen) bis etwa 2,2 Kilowatt gebaut. Der am weitesten verbreitete Wechselstromgenerator ist der Fahrraddynamo, der nach dem von Hippolyte Pixii konstruierten Generatorprinzip funktioniert.

Wechselstromgenerator

Geschichte Bearbeiten

Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators
mit Permanentmagnet

Beim ersten Wechselstromgenerator vom Franzosen Hippolyte Pixii rotierte ein Hufeisenmagnet vor zwei in Reihe geschalteten Spulen. Die sich ändernde magnetische Flussdichte induziert in den Spulen eine Wechselspannung. Da man damals aber nicht an Wechselstrom, sondern an Gleichstrom interessiert war, baute man einen Kommutator ein, der aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom machte. Dieses Prinzip der Gleichstromerzeugung mittels Kollektor und Kohlebürsten wird auch heute noch bei den Gleichstromgeneratoren (Dynamo) angewandt.

Prinzip Bearbeiten

Durch die Drehung einer Leiterschleife in einem Magnetfeld der magnetische Flussdichte ändert sich der magnetische Fluss durch die Schleife ständig. Dadurch wird in ihr eine Spannung induziert. Beschreiben wir die Stellung der Schleife durch den Winkel , so beträgt der hindurchtretende magnetische Fluss:

Rotiert die Schleife mit der Winkelgeschwindigkeit ω, so ist

und die induzierte Spannung

Quelle:

Die durch die Rotation im Leiter induzierte Spannung kann durch Bürsten an den Schleifringen abgegriffen werden. Bewegt sich der Leiter quer zum Magnetfeld, wirkt auf ihn bei Stromentnahme die Lorentzkraft. Diese hemmt die Bewegung der Schleife und somit ist zur Bewegung der Schleife mechanische Arbeit notwendig.

Aufbau und Funktion Bearbeiten

Wechselstromgenerator Zweipolige Innenpolmaschine
Wechselstromgenerator Vierpolige Innenpolmaschine

Der Wechselstromgenerator besteht aus einem Stator und einem Rotor. Die heute üblichen Wechselstromgeneratoren sind als Einphasen-Synchronmaschinen in Innenpolmaschinenbauweise ausgeführt, d. h. der Rotor ist magnetisch erregt und durch das Erregerfeld wird eine Spannung im Stator induziert. Zur Erregung kommen verschiedene Systeme zum Einsatz. So kann das Erregerfeld zum Beispiel durch Permanentmagnete bereitgestellt werden. Der Vorteil dabei besteht darin, dass keine Erregerleistung zugeführt werden muss. Eine andere Methode ist die Erregung mittels statischer Erregereinrichtung, bei der die Erregerleistung über Schleifringe zugeführt wird. Als Puffer und zur Stabilisierung der Erregerspannung dient manchmal ein kleiner Akkumulator. Zum Start ohne Akkumulator kann auch eine schwache Dauermagnetisierung des Rotors dienen. Nach dem Start des Vorganges der Selbsterregung muss der Erregerstrom geregelt werden, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Der rotierende Feldmagnet induziert in den Statorspulen eine einphasige Wechselspannung, deren Frequenz von der Drehzahl der antreibenden Maschine und von der Polpaarzahl des Generators abhängig ist. Im Unterschied zum Gleichstromgenerator rotiert hier jedoch das erregende Feld und induziert somit einen Strom in der um das rotierende Feld angeordneten stehenden Statorwicklung.

Da Wechselstromgeneratoren eine einphasige Wechselspannung erzeugen, sind sie nur bedingt für den Betrieb am Verbundnetz geeignet. So gehören in Deutschland etwa die Generatoren zur Erzeugung von Strom für die Deutsche Bahn in diese Kategorie. Im Dreiphasennetz kann die Einspeisung dieser Einphasen-Wechselspannung zu einer Unsymmetrie führen, weshalb Wechselstromgeneratoren ansonsten nur in Kleinwasserkraftwerken am Netz betrieben werden.

Eine andere Art von Wechselspannungsgeneratoren sind Asynchrongeneratoren. Eine einphasige Asynchronmaschine ist, angeschlossen an Netzspannung, in der Lage, als Generator zu arbeiten, wenn sie um den Schlupf schneller als die Synchrondrehzahl gedreht wird. Ist kein Netzanschluss vorhanden, behilft man sich mit Kondensatoren, um die Blindleistung zu kompensieren bzw. die Erregung bereitzustellen. Solche selbsterregten Asynchron-Generatoren benötigen jedoch für den Betrieb eine Rest-Magnetisierung des Kurzschlussläufers oder einen Start-Stromimpuls.

Einsatzbereiche Bearbeiten

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke Bearbeiten

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

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Hans-Günter Boy, Horst Flachmann: Die Meisterprüfung - Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage. Vogel, Würzburg 1983, ISBN 3-8023-0725-9, S. 151.
  2. ↑ Wilhelm Lehmann, Ramon Geisweid: Elektrotechnik und elektrische Antriebe. 7., völlig neu bearbeitete Auflage. Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg 1973, S. 350–354.
  3. ↑ RWE AG: Vom Bernsteinmagneten zum Wechselstromgenerator: Entwicklungsgeschichte der Elektro-Generatoren. In: RWE Magazin. Nr. 01, 2008.
  4. Hans-Joachim Braun: Die 101 wichtigsten Erfindungen der Weltgeschichte. 2., aktualisierte Auflage. Verlag C.H. Beck, München 2007, ISBN 978-3-406-56466-6, S. 66–67.
  5. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9, S. 93–98, 296.
  6. Wilhelm Raith: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 2: Elektromagnetismus. 9. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2006, ISBN 3-11-018898-8.
  7. Gisbert Kapp: Dynamomaschinen für Gleich- und Wechselstrom. Dritte, vermehrte und verbesserte Auflage. Verlag R. Oldenbourg, München 1899, S. 286–298.
  8. Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer: Taschenbuch der Mathematik und Physik. 5., aktualisierte und erweiterte Auflage. Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-78684-9, S. 369.
  9. ↑ Wolfgang Courtin: Elektrische Energietechnik. Einführung für alle Studiengänge, Verlag Friedrich & Sohn, Wiesbaden 1999, ISBN 3-528-03856-X, S. 57–58.
  10. Engelbert Arnold (Hrsg.): Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen. Dritter Band: Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen. Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg 1904, S. 1–11.

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Alternators – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Wechselstromgenerator oder auch Wechselstromerzeuger ist eine besondere Ausfuhrungsform eines elektrischen Generators der zur Erzeugung von einphasigem Wechselstrom dient 1 Da bei diesem Generatortyp im Gegensatz zum Gleichstromgenerator keine Kommutierung stattfindet wird ein Wechselstrom erzeugt dessen Frequenz proportional zur Rotordrehzahl ist 2 Fur die Stromerzeugung im grossen Stil sind Einphasen Wechselstromgeneratoren heute nur noch von untergeordneter Bedeutung Sie werden heutzutage nur fur kleine Leistungen u a Notstromversorgungen bis etwa 2 2 Kilowatt gebaut Der am weitesten verbreitete Wechselstromgenerator ist der Fahrraddynamo der nach dem von Hippolyte Pixii konstruierten Generatorprinzip funktioniert 3 Wechselstromgenerator Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Prinzip 3 Aufbau und Funktion 4 Einsatzbereiche 5 Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke 6 Einzelnachweise 7 Siehe auch 8 WeblinksGeschichte Bearbeiten nbsp Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators mit Permanentmagnet1820 Andre Marie Ampere entdeckt dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst 1831 Michael Faraday entdeckt die elektromagnetische Induktion 1832 Hippolyte Pixii konstruiert den ersten Wechselstromgenerator mit Permanentmagnet 1866 Werner Siemens erbaut den ersten praktisch verwendbaren GeneratorBeim ersten Wechselstromgenerator vom Franzosen Hippolyte Pixii rotierte ein Hufeisenmagnet vor zwei in Reihe geschalteten Spulen Die sich andernde magnetische Flussdichte induziert in den Spulen eine Wechselspannung Da man damals aber nicht an Wechselstrom sondern an Gleichstrom interessiert war baute man einen Kommutator ein der aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom machte 4 Dieses Prinzip der Gleichstromerzeugung mittels Kollektor und Kohlebursten wird auch heute noch bei den Gleichstromgeneratoren Dynamo angewandt 3 Prinzip BearbeitenDurch die Drehung einer Leiterschleife in einem Magnetfeld der magnetische Flussdichte B displaystyle B nbsp andert sich der magnetische Fluss ϕ displaystyle phi nbsp durch die Schleife standig Dadurch wird in ihr eine Spannung U i n d displaystyle U mathrm ind nbsp induziert 5 Beschreiben wir die Stellung der Schleife durch den Winkel g displaystyle gamma nbsp so betragt der hindurchtretende magnetische Fluss ϕ B A cos g displaystyle phi B cdot A cdot cos gamma nbsp Rotiert die Schleife mit der Winkelgeschwindigkeit w so ist g w t displaystyle gamma omega cdot t nbsp und die induzierte Spannung U i n d d ps d t U s sin w t displaystyle U mathrm ind frac mathrm d psi mathrm d t U s cdot sin omega t nbsp Quelle 6 Die durch die Rotation im Leiter induzierte Spannung kann durch Bursten an den Schleifringen abgegriffen werden 7 Bewegt sich der Leiter quer zum Magnetfeld wirkt auf ihn bei Stromentnahme die Lorentzkraft Diese hemmt die Bewegung der Schleife und somit ist zur Bewegung der Schleife mechanische Arbeit notwendig Aufbau und Funktion Bearbeiten nbsp Wechselstromgenerator Zweipolige Innenpolmaschine nbsp Wechselstromgenerator Vierpolige InnenpolmaschineDer Wechselstromgenerator besteht aus einem Stator und einem Rotor 8 Die heute ublichen Wechselstromgeneratoren sind als Einphasen Synchronmaschinen in Innenpolmaschinenbauweise ausgefuhrt d h der Rotor ist magnetisch erregt und durch das Erregerfeld wird eine Spannung im Stator induziert 9 Zur Erregung kommen verschiedene Systeme zum Einsatz So kann das Erregerfeld zum Beispiel durch Permanentmagnete bereitgestellt werden 2 Der Vorteil dabei besteht darin dass keine Erregerleistung zugefuhrt werden muss Eine andere Methode ist die Erregung mittels statischer Erregereinrichtung bei der die Erregerleistung uber Schleifringe zugefuhrt wird 9 Als Puffer und zur Stabilisierung der Erregerspannung dient manchmal ein kleiner Akkumulator Zum Start ohne Akkumulator kann auch eine schwache Dauermagnetisierung des Rotors dienen Nach dem Start des Vorganges der Selbsterregung muss der Erregerstrom geregelt werden um die Ausgangsspannung konstant zu halten Der rotierende Feldmagnet induziert in den Statorspulen eine einphasige Wechselspannung deren Frequenz von der Drehzahl der antreibenden Maschine und von der Polpaarzahl des Generators abhangig ist Im Unterschied zum Gleichstromgenerator rotiert hier jedoch das erregende Feld und induziert somit einen Strom in der um das rotierende Feld angeordneten stehenden Statorwicklung 10 Da Wechselstromgeneratoren eine einphasige Wechselspannung erzeugen sind sie nur bedingt fur den Betrieb am Verbundnetz geeignet So gehoren in Deutschland etwa die Generatoren zur Erzeugung von Strom fur die Deutsche Bahn in diese Kategorie 9 Im Dreiphasennetz kann die Einspeisung dieser Einphasen Wechselspannung zu einer Unsymmetrie fuhren weshalb Wechselstromgeneratoren ansonsten nur in Kleinwasserkraftwerken am Netz betrieben werden Eine andere Art von Wechselspannungsgeneratoren sind Asynchrongeneratoren Eine einphasige Asynchronmaschine ist angeschlossen an Netzspannung in der Lage als Generator zu arbeiten wenn sie um den Schlupf schneller als die Synchrondrehzahl gedreht wird Ist kein Netzanschluss vorhanden behilft man sich mit Kondensatoren um die Blindleistung zu kompensieren bzw die Erregung bereitzustellen Solche selbsterregten Asynchron Generatoren benotigen jedoch fur den Betrieb eine Rest Magnetisierung des Kurzschlusslaufers oder einen Start Stromimpuls Einsatzbereiche BearbeitenKleinwasserkraftwerke Kleine Windkraftanlagen Notstromaggregate bis 2 2 kW Wechselspannungslichtmaschine an Fahrradern und manchen MotorradernGesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke BearbeitenEN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen fur umlaufende elektrische Maschinen DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen EN 60034 5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen EN 60034 6 Kuhlarten drehende elektrische MaschinenEinzelnachweise Bearbeiten Hans Gunter Boy Horst Flachmann Die Meisterprufung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik 4 Auflage Vogel Wurzburg 1983 ISBN 3 8023 0725 9 S 151 a b Wilhelm Lehmann Ramon Geisweid Elektrotechnik und elektrische Antriebe 7 vollig neu bearbeitete Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg 1973 S 350 354 a b RWE AG Vom Bernsteinmagneten zum Wechselstromgenerator Entwicklungsgeschichte der Elektro Generatoren In RWE Magazin Nr 01 2008 Hans Joachim Braun Die 101 wichtigsten Erfindungen der Weltgeschichte 2 aktualisierte Auflage Verlag C H Beck Munchen 2007 ISBN 978 3 406 56466 6 S 66 67 Gunter Springer Fachkunde Elektrotechnik 18 Auflage Verlag Europa Lehrmittel Wuppertal 1989 ISBN 3 8085 3018 9 S 93 98 296 Wilhelm Raith Lehrbuch der Experimentalphysik Band 2 Elektromagnetismus 9 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2006 ISBN 3 11 018898 8 Gisbert Kapp Dynamomaschinen fur Gleich und Wechselstrom Dritte vermehrte und verbesserte Auflage Verlag R Oldenbourg Munchen 1899 S 286 298 Ekbert Hering Rolf Martin Martin Stohrer Taschenbuch der Mathematik und Physik 5 aktualisierte und erweiterte Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg 2009 ISBN 978 3 540 78684 9 S 369 a b c Wolfgang Courtin Elektrische Energietechnik Einfuhrung fur alle Studiengange Verlag Friedrich amp Sohn Wiesbaden 1999 ISBN 3 528 03856 X S 57 58 Engelbert Arnold Hrsg Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen Dritter Band Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen Springer Verlag Berlin Heidelberg 1904 S 1 11 Siehe auch BearbeitenMaschinensender Wechselstromgenerator fur hohe Frequenzen zur Speisung einer Sendeantenne Wechselstrommotor ElektromotorWeblinks Bearbeiten nbsp Commons Alternators Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Funktionsmodell eines Wechselstromgenerators abgerufen am 5 August 2016 Animationsmodell eines Wechselstromgenerators abgerufen am 5 August 2016 Versuchsaufbau Wechselstromgenerator abgerufen am 5 August 2016 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Wechselstromgenerator amp oldid 237536298