Wechselspannung, Wechselstrom, Generatoren

Wechselspannung, Wechselstrom, Generatoren
Ein Generator ist eine Maschine, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Generatoren erzeugen durch Induktion Strom (z.B. Fahrraddynamo). Benötigt wird ein
elektrischer Leiter (Spule) und ein sich änderndes Magnetfeld → Bewegung.
1.
Erzeugung von Wechselspannung
Experiment: Eine Spule, an die ein Spannungsmessgerät angeschlossen wurde, wird in
einem Magnetfeld gedreht. Der Spannungsabgriff an der Spule erfolgt über Schleifkontakte,
wie beim Elektromotor.
V
Drehachse
N
S
Spule
Beobachtung: Der Zeiger des Spannungsmessgeräts schlägt abwechselnd nach links und
nach rechts aus. Die Spannung wechselt also ständig ihre Richtung → Wechselspannung.
Erklärung:
Wir betrachten eine Spule mit nur einer einzigen Windung, die sich in einem
homogenen Magnetfeld dreht.
Magnetfeld
b
a
c
d
1
2
I
II
III
IV
I
U
t
Position I:
Das Magnetfeld durchsetzt die Windungsfläche senkrecht. Dreht sich die
Spule, so ändert sich das sie durchsetzende Magnetfeld, es wird kleiner. Die
Induktionsspannung steigt.
Position II:
Das Magnetfeld durchsetzt die Spule kurz vorher in der einen Richtung, dann
gar nicht und dann durchsetzt es die Spule in der anderen Richtung. Die
Magnetfeldänderung und damit die Induktionsspannung sind maximal.
Position III: Die Magnetfeldänderung ist Null, die Induktionsspannung auch. Sie ändert
aber ihre Richtung.
Position IV: Die Magnetfeldänderung ist erneut maximal, doch diesmal, von der Spule aus
gesehen, umgekehrt.
Erklärung des Spannungsverlaufs mithilfe der Lorentzkraft
Der Verlauf der Induktionsspannung lässt sich auch mithilfe der Lorentzkraft auf bewegte
Elektronen im Magnetfeld erklären (UVW-Regel der linken Hand):
Dreht sich die Spule im Magnetfeld, so werden die freien Elektronen im Draht mitbewegt. Auf
die Elektronen in den Leiterstücken a und c wirkt dabei keine Lorentzkraft, da sie sich stets
parallel zum Magnetfeld bewegen.
Position I:
Die Leiterstücke b und d bewegen sich parallel zum Magnetfeld, die
Induktionsspannung ist Null.
Position II:
Die Leiterstücke b und d bewegen sich genau senkrecht zum Magnetfeld, die
Induktionsspannung ist maximal. Die Elektronen in b werden in der Skizze nach hinten, die
in d nach vorne verschoben. Dann ist am Spulenende 1 ein Pluspol und bei 2 ein Minuspol.
Position III: Die Leiterstücke b und d bewegen sich wieder parallel zum Magnetfeld, die
Induktionsspannung ist Null. b hat sich gerade noch abwärts bewegt und wird sich gleich
aufwärts bewegen (d umgekehrt). Die Induktionsspannung wechselt jetzt also ihre Richtung.
Position IV: Die Leiterstücke b und d bewegen sich wieder genau senkrecht zum
Magnetfeld, die Induktionsspannung ist maximal. Die Elektronen in b werden in der Skizze
nach vorne, die in d nach hinten verschoben. Dann ist am Spulenende 1 ein Minuspol und
bei 2 ein Pluspol.
Zwischen den Positionen I, II, III und IV bewegen sich die Elektronen schräg zum
Magnetfeld, der Betrag FL der Lorentzkraft ist dann kleiner als in den Positionen II und IV,
aber nicht Null.
FL nimmt zu: I → II
III → IV
FL nimmt ab: II → III
IV → I
Der Betrag der Induktionsspannung verhält sich genauso, da die Induktionsspannung ja eine
Folge der Lorentzkraft ist.
2.
Wechselspannung und Wechselstrom
Eine Spule, die sich in einem Magnetfeld
Wechselspannung (siehe obige Skizze).
dreht
erzeugt
eine
sinus–förmige
Der Maximalwert der Wechselspannung (positiv oder negativ) heißt Scheitelwert der
Wechselspannung.
Die Anzahl der pro Sekunde durchlaufenen Perioden (Position I bis Position I) heißt
Frequenz der Wechselspannung.
Die Frequenz der Netzspannung beträgt in Deutschland 50 Hz = 50/s.
Wechselspannungsquellen erzeugen Wechselstrom, d.h. mit der Spannung wechselt auch
der Strom ständig seine Richtung.
Schließt man an die Spulenenden einen Kommutator an, so wird aus der Wechselspannung
eine pulsierende Gleichspannung. Der Verlauf der Spannungskurve hat dann die Form der
Funktion Betrag von | sinx |.
Experiment: Wir schließen ein Gleichspannungsmessgerät an eine Elektrizitätsquelle an,
die Wechselspannung der Frequenz 50 Hz liefert.
Beobachtung: Der Zeiger schlägt nicht aus
Erklärung:
Die Spannungsänderungen erfolgen so rasch, dass ihnen der Zeiger nicht
folgen kann. Er müsste fünfzig Mal pro Sekunde nach rechts und ebenso oft nach links
ausschlagen.
Wenn man das Messgerät auf Wechselspannung umschaltet, wird ein Bauteil vor das
Messwerk geschaltet, das dafür sorgt, dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Man erhält
so eine pulsierende Gleichspannung.
Der Zeiger stellt sich dann auf einen Wert zwischen Null und dem Scheitelwert ein. Der so
gemessene Wert heißt Effektivwert der Wechselspannung.
Genauso misst man den Effektivwert des Wechselstroms.
Eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von z.B. 12 V hat die gleiche Wirkung wie
eine Gleichspannung von 12 V. Wenn man etwa ein Glühlämpchen anschließt, leuchtet es in
beiden Fällen genauso hell.
3.
Generatoren
Ein Generator besteht im Wesentlichen aus zwei Bauteilen:
•
•
dem Rotor oder Läufer
dem Stator oder Ständer
(das, was sich dreht)
(in was sich der Rotor dreht)
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten für den Bau eines Generators:
•
Außenpolgenerator
Spule dreht sich im Magnetfeld eines stehenden
Magneten
•
Innenpolgenerator
Magnet dreht sich in einer stehenden Spule
3.1
Außenpolgenerator
U
Beim Außenpolgenerator ist die Induktionsspule
auf einen geblätterten Weicheisenkern gewickelt
und liegt drehbar zwischen den Polen eines
Permanent- oder Elektromagneten (Stator). Dieser
ist an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen.
Die Induktionsspule zusammen mit dem Eisenkern
bezeichnet man als Anker (Rotor). Den Anker
des Generators in der Skizze bezeichnet man
wegen seiner Form als Doppel-T-Anker.
Rotor
N
S
Spule
Stator
Der Abgriff der Induktionsspannung erfolgt über Schleifringe am Anker. Man erhält
Wechselspannung, deren Frequenz von der Rotationsgeschwindigkeit des Ankers bestimmt
wird: Eine Umdrehung des Ankers erzeugt eine Periode der Wechselspannung.
Wenn man einen Kommutator verwendet, so kann man auch pulsierende Gleichspannung
erzeugen. Ein Kommutator ist ein geteilter Schleifring, der im richtigen Moment den Kontakt
der Abgriffe mit den Spulenenden vertauscht (wie beim Elektromotor). Dieser Generator
heißt dann auch Gleichstromgenerator. (→ geglättete Gleichspannung am Kapitel-Ende)
Der Außenpolgenerator ist infolge seiner Bauweise in seiner Leistungsabgabe begrenzt. Zur
Erhöhung der Induktionsspannung müsste die Windungszahl der Läuferspule erhöht werden.
Dadurch würde aber das Ankergewicht zu groß werden, so dass bei hohen Drehzahlen die
Achsenlagerung Probleme schaffen würde. Es ist auch ungünstig große Ströme durch
Schleifkontakte abzunehmen. Diese verschmoren wegen der dort auftretenden hohen
Temperaturen (Funken).
Generatoren, die eine hohe Leistungsabgabe besitzen sollen, werden deshalb immer als
Innenpolgeneratoren gebaut.
3.2
Innenpolgenerator
Beim Innenpolgenerator ist der Magnet
Induktionsspulen (Stator) angeordnet.
(Rotor)
drehbar
zwischen
feststehenden
In der Technik besteht der der Rotor im Allgemeinen aus einem Elektromagneten mit
mehreren Polen (Mehrfach-T-Anker oder Trommel-Anker). Die Spulen sind auf dem
Eisenkern so angeordnet, dass auf einen Nordpol jeweils ein Südpol folgt. Diese Spulen
(Feldspulen) werden von Gleichstrom durchflossen, der über zwei Schleifringe zugeführt
wird.
Den Stator bilden mehrere auf einen Eisenkern gewickelte Induktionsspulen. Da diese
Spulen hintereinander geschaltet sind, addieren sich die in ihnen induzierten Spannungen zu
einer Gesamtspannung.
Ein Läufer-Pol-Paar erzeugt bei seinem Umlauf in einer Spule eine Periode der
Wechselspannung, mehrere Polpaare erzeugen entsprechend mehr Perioden. Bei einem
Polpaar muss der Läufer zur Erzeugung einer 50 Hz Wechselspannung 3000 Umdrehungen
50 50 ⋅ 60 3000
50 Hz =
=
=
pro Minute ausführen:
s
min
min
Bei 10 Polpaaren sind es nur noch 300 Umdrehungen pro Minute. Dadurch wird die
mechanische Beanspruchung der Maschine geringer.
Der Innenpolgenerator besitzt feste Anschlüsse zum Stromnetz. Die Abnahme einer hohen
Induktionsspannung und eines hohen Induktionsstroms ist daher kein Problem.
Großgeneratoren erzeugen Spannungen bis 30 kV bei einer Leistung von 1500 MW.
4.
Das dynamoelektrische Prinzip
Das so genannte dynamoelektrische Prinzip entdeckte Werner von Siemens im Jahr 1866.
Seine Idee war es für die Stromversorgung des Elektromagneten eines Innenpolgenerators
(Rotor) dessen eigenen Induktionsstrom zu nutzen. Dazu schaltete er in einem Generator die
Statorspule (Induktionsspule) und die Rotorspule(Feldspule) hintereinander.
Statorspule
Rotorspule
U
Dies funktioniert, da im Eisenkern stets ein geringer Restmagnetismus zurückbleibt
(Remanenz). Diese Restmagnetiesierung reicht aus, um eine zuerst schwache
Induktionsspannung in der Induktionsspule hervorzurufen, die wiederum das Magnetfeld der
Feldspule erhöht; dann wird die Magnetisierung stärker und folglich auch die
Induktionsspannung, usw. Die Induktionsspannung schaukelt sich so auf, bis sie ihr
Maximum erreicht.
5.
Wirkungsgrad von Generatoren
Generatoren wandeln kinetische Energie in elektrische Energie um. In Elektrizitätswerken
wird die kinetische Energie meist von Turbinen geliefert. Die Turbinen werden je nach
Kraftwerkstyp verschieden angetrieben:
•
•
in Wasserkraftwerken durch herabstürzendes Wasser
in Heiz- und Kernkraftwerken durch hochgespannten (hohe Temperatur und hoher
Druck) Wasserdampf
In Windrädern treibt der Wind den Generator direkt über einen Propeller an.
Beim Fahrraddynamo wird die kinetische Energie eines sich bewegenden Laufrades
ausgenützt.
Die vom Generator gelieferte elektrische Energie ist stets kleiner als die ihm zugeführte
kinetische Energie. Dies liegt daran, dass durch Reibung und durch Stromwärme
Energieverluste entstehen.
η =
abgegebene elektrisch e Leistung
zugeführte mechanisch e Leistung
=
Pab W ab
E el
=
=
Pzu W zu E kin zu
Diese Verluste sind aber gering. Generatoren erreichen Wirkungsgrade bis 98%.
Geglättete Gleichspannung
Die Schwankungen der pulsierenden Gleichspannung bzw. des pulsierenden Gleichstroms
können herabgesetzt werden, wenn man statt des Doppel-T-Ankers einen Anker mit
mehreren Spulen verwendet. Ein solcher Anker heißt Trommelanker.
Die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungen sind zeitlich gegeneinander
π
verschoben. Bei einem 4-T-Anker ist die zweite Spannung um
verschoben:
2
U
1
O
1
5
t
Verwendet man einen Kommutator, (der Kommutator des Trommelankers ist in so viele
Segmentpaare (Teil-Paare) geteilt, wie Ankerspulen vorhanden sind) so erhält man den
π
folgenden Spannungsverlauf U(t) = I sin(x) l + l sin(x+ ) l
2
y
1
O
1
5
x
Verwendet man einen 6-fach-T-Anker, so sieht der Spannungsverlauf so aus
U(t) = Isin(x)l + lsin(x+
1
2
3
4
5
π )l + lsin(x + π )l + lsin(x + π )l + lsin(x+ π )l + lsin(x+ π )l
6
6
6
6
6
y
1
O
MERKE:
1
5
x
Eine solche Spannung heißt geglättete Gleichspannung.
Der durch sie bewirkte Strom heißt geglätteter Gleichstrom.