Wechselspannung, Wechselstrom, Generatoren

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1 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.. 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 c a d 2 I II III IV I t

2 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 (VW-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 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 ein Minuspol und bei 2 ein Pluspol. Zwischen den Positionen I, II, III und IV bewegen sich die Elektronen schräg zum Magnetfeld, der Betrag F L der Lorentzkraft ist dann kleiner als in den Positionen II und IV, aber nicht Null. F L nimmt zu: I II F L nimmt ab: II III III IV IV I Der Betrag der Induktionsspannung verhält sich genauso, da die Induktionsspannung ja eine Folge der Lorentzkraft ist.

3 2. Wechselspannung und Wechselstrom Eine Spule, die sich in einem Magnetfeld dreht erzeugt eine sinus förmige Wechselspannung (siehe obige Skizze). 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. 2 V hat die gleiche Wirkung wie eine Gleichspannung von 2 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 (das, was sich dreht) dem Stator oder Ständer (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

4 3. Außenpolgenerator 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. N Spule Stator Rotor S Der Abgriff der Induktionsspannung erfolgt über Schleifringe am Anker. Man erhält Wechselspannung, deren Frequenz von der Rotationsgeschwindigkeit des Ankers bestimmt wird: Eine mdrehung 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 (Rotor) drehbar zwischen feststehenden Induktionsspulen (Stator) angeordnet. 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 mlauf 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 mdrehungen pro Minute ausführen: 50 Hz s min min Bei 0 Polpaaren sind es nur noch 300 mdrehungen 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 500 MW.

5 4. Das dynamoelektrische Prinzip Das so genannte dynamoelektrische Prinzip entdeckte Werner von Siemens im Jahr 8. 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 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 elektrische Leistung zugeführte mechanische Leistung P P ab zu W W ab zu E E el kin zu Diese Verluste sind aber gering. Generatoren erreichen Wirkungsgrade bis 98%.

6 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 O 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 (t) I sin(x) l + l sin(x+ ) l 2 y O 5 x Verwendet man einen -fach-t-anker, so sieht der Spannungsverlauf so aus (t) Isin(x)l + lsin(x π )l + lsin(x + π )l + lsin(x + π )l + lsin(x+ π )l + lsin(x+ π )l y O 5 x MERKE: Eine solche Spannung heißt geglättete Gleichspannung. Der durch sie bewirkte Strom heißt geglätteter Gleichstrom.

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