Wechselstromgenerator

Wechselstromgenerator

Ein Wechselstromgenerator 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.

Geschichtliches

Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators
mit Permanentmagnet

• 1820 André-Marie Ampère 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 Elektrogenerator

Beim ersten Wechselstromgenerator vom Franzosen Hippolyte Pixii rotierte ein Hufeisenmagnet vor zwei in Reihe geschalteten Spulen. Das sich ändernde Magnetfeld induzierte 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 angewandt.

Prinzip

Das Prinzip eines Wechselstromgenerators ist äußerst einfach. Durch die Drehung einer Leiterschleife in einem Magnetfeld 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 γ, so beträgt der hindurchtretende magnetische Fluss:

$\psi = B \cdot A \cdot \cos \gamma$

Rotiert die Schleife mit der Winkelgeschwindigkeit ω, so ist

$\gamma = \omega \cdot t$

und die induzierte Spannung

$U_{ind} = -\frac{d\psi}{dt} = U_s \cdot \sin \omega t$

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. Dabei kommt es nur auf die Relativbewegung zwischen Feld und Leiter an - folglich ist es egal, ob der Leiter im ruhenden Feld oder das Feld um den ruhenden Leiter bewegt wird.

Aufbau und Funktion

Wechselstromgenerator Zweipolige Innenpolmaschine

Wechselstromgenerator Vierpolige Innenpolmaschine

Der Wechselstromgenerator besteht wie andere Generatoren auch aus einem Stator und einem Rotor. Die heute üblichen Wechselstromgeneratoren sind als Einphasen-Synchronmaschinen in Innenpolmaschinenbauweise ausgeführt, d.h. der Rotor ist magnetisch erregt. Sie werden entweder mit starken Permanentmagneten ausgerüstet oder über Schleifringe mit Gleichspannung zur Erregung versorgt. Die Erregerspannung wird dabei in der Regel von den Ausgangsklemmen des Generators abgenommen und gleichgerichtet. Als Puffer und zur Stabilisierung der Erregerspannung dient manchmal ein kleiner Akkumulator; zum Start ohne Akkumulator kann auch eine schwache Dauermagnetisierung des Ankers 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 abhängig ist von der Drehzahl der antreibenden Maschine und von der Polpaarzahl des Generators. Im Unterschied zum Gleichstromgenerator rotiert hier aber das erregende Feld und induziert somit einen Strom in der um das rotierende Feld angeordneten stehenden Ständerwicklung (Stator).

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

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 selbsterregte Asynchron-Generatoren benötigen jedoch eine Rest-Magnetisierung des Kurzschlussläufers oder einen Start-Stromimpuls, um die Stromerzeugung zu starten.

Einsatzbereiche

• Kleinwasserkraftwerke
• Kleine Windkraftanlagen
• Notstromaggregate (bis 2,2 kW)
• Wechselspannungslichtmaschine an Fahrrädern und manchen Motorrädern

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke

• 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

Literatur

• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag - Europa – Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Hans-Günter Boy, Horst Flachmann: Die Meisterprüfung - Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg ISBN 3-8023-0725-9
• Andreas Kremser: Elektrische Maschinen und Antriebe, Grundlagen, Motoren und Anwendungen. 2. Auflage, Teubner Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-519-16188-5

• RWE AG: Vom Bernsteinmagneten zum Wechselstromgenerator: Entwicklungsgeschichte der Elektro-Generatoren In: RWE Magazin, Nr. 01, 2008

• Tsuge, c/o Denso Corporation Takafumi Kariya-city: Fahrzeug-Wechselstromgenerator. Patent, Anmeldenr. DE 60211786. 5. Oktober 2006. Veröffentlichungsnr. 60211786-T2
• Paul Armiroli, Jean-Philippe Badey, Denis Gravat: Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit Dauermagneten . Patent, Anmeldenr. DE 69931449. 25. September 1999. Veröffentlichungsnr. DE 69931449-T2

Siehe auch

• Maschinensender (Wechselstromgenerator für hohe Frequenzen zur Speisung einer Sendeantenne)
• Wechselstrommotor
• Elektromotor

Weblinks

• Funktionsmodell eines Wechselstromgenerators
• Animationsmodell eines Wechselstromgenerators
• Umbau eines Wechselstromgenerators
• Versuchsaufbau Wechselstromgenerator

 Commons: Alternators – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien