18. Versorgung mit elektrischer Energie
18.1 Der Transformator
Führe den Schülerversuch zum Transformator durch!
1. Unbelasteter Transformator:
Spannungsverhältnis:
U1 : U2 = N1 : N2
Versorgung mit elektr. Energie
Herleitung des Übersetzungsverhältnisses
Trafo
I
Aus der zweiten
Kirchhoffschen Regel
folgt für den
Primärkreis:
U1
II
U L1
10V ~
U2
800W / 1600W
U1 + UL1 = 0
UL1 = – U1
die durch die Selbstinduktion
bewirkte Spannung.
Wegen der hohen Induktivität fließt im Primärkreis nur ein sehr geringer
um /2 verschobener Wechselstrom (Blindstrom).
Wenn sich an II kein Verbraucher befindet, ist I2 = 0.
In einer Windung der Primärspule wird eine Spannung von
induziert.
Versorgung mit elektr. Energie

U1
N1
Da der magnetische Fluss fast ausschließlich durch den Eisenkern
geht, treten keine Verluste auf. Daher wird in einer Windung von II die
Spannung 
II:
U2 
U1
induziert und daher in der ganzen Spule II:
N1
U1
N1
N 2
Daraus folgt für die Spannungsübersetzung:
U2
U1
 
N2
N1
 ü
Versorgung mit elektr. Energie
2. Belasteter Trafo
Führe Schülerversuch 3 durch!
Trafo
I
II
A
U1
12V ~
U L1
1600W / 800W
1
2
Erkenntnis: Beim belasteten Trafo steigt die Stromstärke auch im
Primärkreis. Je heller die Lämpchen in II leuchten, desto höher die
Stromstärke in I.
Stromübersetzung ?
Versorgung mit elektr. Energie
Stromübersetzung ?
Ansatz:
Leistung im Primärkreis = Leistung im Sekundärkreis
U 1eff  I1eff  cos  1 U 2 eff  I 2 eff  cos  2
Es gilt annähernd:
und daher:
I1
I2

U2
U1

N2
N1
 1 2
ü
Die Ströme werden verkehrt
proportional zur Windungszahl
transformiert.
Versorgung mit elektr. Energie
Anwendungen des Transformators:
Versuch: Lange Leitung
10k 
Die beiden Widerstände simulieren
den Leitungswiderstand
230V ~
Ergebnis:
Lange Leitung
Die Lampe
leuchtet nicht.
Der Hochspannungstrafo
Trafo
10k 
Trafo
230V ~
10000W / 500W
500W / 10000W
Lange Leitung
Ergebnis:
Die Lampe leuchtet.
Versorgung mit elektr. Energie
Berechne jeweils die Stromstärke, wenn die Leistung gleichbleibt!
Spannung U
Stromstärke I
Leistung P=U.I
Kraftwerk
10 kV
1000 A
Hochspannungstrafo
200 kV
"
Umspannwerk
20 kV
"
Ortstrafo
230 V
"
Spannung U
Stromstärke I
Leistung P=U.I
Kraftwerk
10 kV
1000 A
10 MW
Hochspannungstrafo
200 kV
50 A
"
Umspannwerk
20 kV
500 A
"
Ortstrafo
230 V
43478 A
"
Versorgung mit elektr. Energie
Schweißtrafo
Trafo
230V ~
600W / 5W
Nagel
Der Nagel glüht und schmilzt dann durch.
Versorgung mit elektr. Energie
18.2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)
Überlegung:
R Leitung
Verbraucher
~
Verluste durch
Spannungsabfall an
beiden Leitungen.
R Leitung
Könnte man eine Leitung einsparen?
Versorgung mit elektr. Energie
Drehstromgenerator:
3 Statorwicklungen sind
gegeneinander jeweils um
120° (= 2/3) versetzt.
L1, L2, L3 ... Phasenleiter
N ... Neutralleiter (Nullleiter)
er wird meist geerdet.
In allen 3 Wicklungen wird eine Wechselspannung induziert.
Simulation
Versorgung mit elektr. Energie
Versorgung mit elektr. Energie
Phasen
Versorgung mit elektr. Energie
Phasen
u 1  U 01  sin  t
  2  f  100 
u 2  U 02  sin(  t 
2
)
3
u 3  U 03  sin(  t 
4
)
3
Versorgung mit elektr. Energie
Sternschaltung
Versorgung mit elektr. Energie
Addiert man die 3 Spannungen (Simulation mit Excel), so sieht man:
U1 + U 2 + U3 = 0
Werden nun die 3 Phasen gleichmäßig belastet (gleiche Verbraucher),
so haben wir in allen 3 Phasen gleiche Phasenwinkel zwischen
Spannung und Stromstärke.
und daher: Summe der Stromstärken:
I1 + I2 + I3 = 0
Das heißt aber, dass die Stromstärke im Neutralleiter 0 ist. Daher kann
die Rückleitung dünn gehalten werden. Bei den großen Überlandleitungen lässt man sie überhaupt weg.
Versorgung mit elektr. Energie
Bemerkung: Bei Hausinstallationen ist es wichtig, alle drei
Phasen möglichst gleichmäßig zu belasten.
Bei Geräten mit großer Leistungsaufnahme werden alle drei
Phasen verwendet. (z. B. E-Herd, Boiler, ....)
In Österreich und im Großteil der EU-Länder haben wir zwischen
Phase und Nullleiter eine Spannung von Ueff = 230 V.
Versorgung mit elektr. Energie
Dreiecksschaltung
Versorgung mit elektr. Energie
U2
U1 .... Potential am Phasenleiter 1
U2 .... Potential am Phasenleiter 2
U3 .... Potential am Phasenleiter 3
U1
U3
-U2
U1-U2
Die Potentialdifferenz zwischen Phasenleiter 1 und Phasenleiter 2
beträgt :
U 1,2 U 1  U 2 U 1, eff  3
( = 400 V)
Zwischen 2 Phasen des Drehstroms herrscht eine Spannung von 400 V.
Versorgung mit elektr. Energie
Sternschaltung
Dreiecksschaltung
400V
230V
400V
230V
230V
Versorgung mit elektr. Energie
400V
Bei Verwendung von 400 V (
3 -fache Spannung)
ergibt sich am selben Verbraucher wegen P = U²/R die 3 - fache
Leistung.
Vorteile des Dreiphasenwechselstromes:
1. Einsparung der Rückleitung über das Hochspannungsnetz
(nicht im Ortsnetz)
2. Es stehen zwei verschiedene Spannungen, eine mit viel höherer
Leistung zur Verfügung.
3. Der Drehstrom eignet sich für den Betrieb einfacher Elektromotoren.
Versorgung mit elektr. Energie
18.3 Drehstrommotoren
18.3.1 Synchronmotor
Versuch:
Prinzip des Synchronmotors:
Ergebnis: Die Magnetnadel dreht
sich synchron mit.
N
S
S
N
Statt des rotierenden Hufeisenmagneten
verwenden wir ein magnetisches
Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist
wird.
Versorgung mit elektr. Energie
Versorgung mit elektr. Energie
Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein
magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird.
Entstehen des magnetischen Drehfelds.
Das resultierende Magnetfeld rotiert.  Magnetisches Drehfeld.
Versorgung mit elektr. Energie
Der Synchronmotor ist ein Motor mit konstanter Drehzahl.
Der Rotor muss über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist werden.
Um auf die richtige Drehzahl zu kommen, muss er angeworfen
werden. (mit Anlaufmotor oder entsprechender Schaltung).
Bei Überlastung gerät er außer Tritt.
Seine Drehzahl errechnet sich aus:
ns ...
f ...
p ...
ns 
f  60
Drehzahl Synchronmotor
Frequenz des Drehstroms
Anzahl der Polpaare
Versorgung mit elektr. Energie
p
18.3.2 Der Asynchronmotor
Versuch:
Ergebnis: Der Alu-Ring dreht sich mit
einem gewissen Schlupf mit.
N
S
Al-Ring
Verwendung eines magnetischen Drehfeldes:
Im Alu-Ring entstehen Wirbelströme, die nach
der Lenzschen Regel so gerichtet sind, dass
sich der Ring mitdreht.
Die Wirbelströme bleiben nur solange bestehen,
als ein Schlupf zwischen Drehfeld und Ring
existiert. (=kleiner Drehzahlunterschied)
Bei Belastung des Motors geht seine Drehzahl zurück.  Es entsteht
ein stärkerer Induktionsstrom.  Dieser bewirkt ein stärkeres
Drehmoment  Die Drehzahl steigt wieder.
Versorgung mit elektr. Energie
Technische Ausführung:
Käfiganker. (vgl. B. S. 90. Abb. 90.4)
• Vorteile: robust. Keine leitende Verbindung zu
rotierenden Teilen.
• Schlupf:
s 
ns  n
ns
n ... Drehzahl des Motors (Läufers)
ns ... Drehzahl des Drehfeldes
Versorgung mit elektr. Energie
18.4 Stromversorgung.
Ermittle aus dem Buch und verschiedenen Unterlagen:
1. Wie erfolgt der Stromtransport vom Kraftwerk zum
Verbraucher? (verschiedene Spannungsebenen)
2. Welches ist die vordringliche Aufgabe eines EVUs. Wie
wird diese Aufgabe bewältigt.
3. Belastungsdiagramm
4. Welche Kraftwerkstypen werden wofür eingesetzt?
5. Versorgung Österreichs mit Strom, Art der
Strombeschaffung (Kraftwerkstyp, Import, Export,...)
Versorgung mit elektr. Energie
Vom Kraftwerk
zum Verbraucher
Versorgung mit elektr. Energie
Ende