Dreiphasenwechselspannung

Umspannwerk in Frankfurt am Main

Als Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom, (richtiger: Dreiphasenwechselspannung, umgangssprachlich manchmal auch Kraftstrom oder Starkstrom), wird der Strom bezeichnet, der von den Transformatorenstationen (auch Umspannstationen oder Umspannwerke genannt), im sogenannten Niederspannungsnetz, an den Endverbraucher geliefert wird. In Deutschland, Österreich und der Schweiz ist eine Spannung von 400 Volt üblich ^[1].

Spulenversatz eines Drehstromgenerators

Grundlagen

Zeitversetzter Verlauf der drei Spannungen U1, U2, U3

Werden in einem Generator drei Spulen gleichmäßig im Kreis versetzt angeordnet, entstehen drei zeitlich ebenso versetzte Wechselspannungen, die ihre maximale Amplitude nacheinander, zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreichen. Diese zeitliche Versetzung wird durch die Phasenlage beschrieben.

Bei Darstellung in Polarkoordinaten zeigen sich drei Vektoren in der Anordnung eines dreistrahligen Sterns: Die Länge der Vektoren entspricht der Nennspannung bzw. der Amplitude der von den drei Spulen erzeugten Wechselströme, ihr Winkel mit der positiven „x-Achse“ ihrer Phase und der Abstand der Vektoren-Endpunkte von der „x-Achse“ der tatsächlichen Spannung in dieser Phase bzw. zum zugehörigen Zeitpunkt. Wenn einer der Wechselströme in einer Phase den tatsächlichen Spannungswert Null erreicht (der Vektor liegt auf der „x-Achse“), haben die beiden anderen tatsächlichen Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen (die Vektoren liegen in unterschiedlichen Halbebenen des Koordinatensystems) und sind gleich groß. Die vektorielle Summe der Spannungen aller drei Spulen ist zu jedem Zeitpunkt Null (die Vektoren bilden hintereinandergelegt ein gleichwinkliges Dreieck). Wenn eine Spannung ihren Scheitelwert erreicht (der Vektor liegt auf der „y-Achse“), zeigen die beiden anderen Spannungsvektoren die gleiche tatsächliche Spannung an, ihre Vektorsumme ist vom Betrag her genauso groß wie die erste Spannung, hat aber das entgegengesetzte Vorzeichen.

Energieübertragung

Wenn die drei Spulen mit drei gleichen linearen Widerständen zu drei voneinander isolierten Stromkreisen verbunden werden, ist, aufgrund der Phasenverschiebung von 120° (jeder Außenleiter zueinander), die Summe der Spannungen und der fließenden Ströme im Neutralleiter gleich Null. Es fließt also bei gleicher Phasenbelastung von L1, L2 und L3 kein Strom im Neutralleiter. In alten Schaltplänen wurden diese Außenleiter mit R, S und T bezeichnet.

Eine solche Verbindung wird als Sternpunkt und dort angeschlossene Leiter als Neutralleiter bezeichnet. Wenn die Widerstände unterschiedlich sind, fließt im Neutralleiter nur der Strom, um den sich die Ströme in den anderen Leitern, den Außenleitern, unterscheiden (Neutralleiterstrom). Wenn wie bei Drehstrommotoren die Widerstände gleich sind, so dass im Neutralleiter kein Strom fließt, ist dieser überflüssig und entfällt.

Durch diese sogenannte Sternschaltung kann also die dreifache Leistung eines einzelnen Wechselstromsystems ab einem Mehraufwand an Material von nur 50% übertragen werden.

Drehfeld

Der Dreiphasenwechselstrom bietet eine einfache Möglichkeit, ein gleichmäßiges Drehfeld zu erzeugen, weil bei drei zeitlich versetzten Wechselspannungen die Reihenfolge der Phasen und die Drehrichtung des Feldes immer eindeutig ist. Drehstrommotoren und Drehstromgeneratoren wie die Drehstrom-Asynchronmaschine sind einfach aufgebaut, robust, betriebssicher, wartungsfrei und wirtschaftlich. Sie besitzen keinen Kommutator, der sich abnutzen kann und Funkstörungen hervorruft, und arbeiten in mehrerer Hinsicht zuverlässiger als Wechselstrom-Motoren.

Visualisierung des Drehfeldes in einem Drehstrommotor bzw. Drehstromgenerator. Die drei Vektoren stellen die drei phasenversetzten Wechselspannungen dar, der daraus gebildete Summenvektor das Drehfeld.

Transformation

Links vorn ein Drehstromtransformator für etwa 500 W. Dahinter ein Einphasentrafo, bei dem die Wicklungen auf zwei Schenkel verteilt sind. Rechts vorn ein kleiner Einphasentrafo, bei dem alle Wicklungen übereinander liegen.

Man könnte drei separate Einphasen-Transformatoren nebeneinander verwenden – für jede Phase einen. Günstiger ist es aber, einen Drehstrom-Transformator mit dreischenkligem Eisenkern einzusetzen. Durch die Verkettung der magnetischen Flüsse der drei Strangströme lässt sich Eisen einsparen. Ferner hat ein Drehstromtransformator geringere Eisenverluste als drei Einphasen-Transformatoren mit gleicher Gesamtleistung, da die Verluste mit der Eisenkern-Masse linear ansteigen.

Eine spezielle Schaltung von zwei Transformatoren, die Scottschaltung, erlaubt es Dreiphasensysteme in Zweiphasensysteme bzw. Vierphasensysteme, bei möglichst symmetrischer Belastung des Dreiphasensystems, umzuwandeln.

Spannungen

3 Wechselstromverbraucher im Drehstromnetz in der Sternschaltung.
Beachte: Bei Wechsel-/Drehstrom gibt es keine bevorzugte Spannungs-/Stromrichtung. Das obige Bild stellt lediglich den Zustand während 1/6 einer Periode dar.

In einem Gleichstromnetz oder einem Wechselstromnetz mit nur zwei spannungsführenden Leitern steht lediglich eine einzige Spannung zur Verfügung. Dagegen bietet sich in einem Drehstromnetz mit Neutralleiter die Möglichkeit des Anschlusses an zwei verschieden hohe Spannungen.

Die Effektivwerte der Spannungen zwischen den Außenleitern sind um den Verkettungsfaktor √ 3 (≈ 1,732) größer als die der Spannungen zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter. Entsprechend größer ist bei gleichem Strom die Leistung. Die drei Außenleiter lassen sich jeweils einzeln zusammen mit dem Neutralleiter zur Versorgung elektrischer Verbrauchermittel nutzen. Dieses ermöglicht die wirtschaftliche Versorgung von Verbrauchsmitteln mit stark abweichender Leistungsaufnahme am selben Netz.

Die Formel zur Berechnung einer einzelnen Wechselspannung in einem Dreiphasenwechselstromnetz lautet mit U als Leiterspannung zwischen den Außenleitern und U₀ als Strangspannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter:

$U_\mathrm{0}=\frac{U}{\sqrt 3} \,$

Am Beispiel des Stromnetzes in Haushalten ergibt sich:

$U_\mathrm{0} = \frac{\mathrm{400\ V}}{\sqrt 3}\approx \mathrm{231\ V} \,$

Drehstromnetze

Das für Haushalte übliche Vierleitersystem – zu sehen an einem Dachständer

Da man den Drehstrom gut transformieren kann und Drehstrommotoren klein, kompakt, wartungsarm und billig hergestellt werden können, sind heute alle öffentlichen Stromnetze Drehstromnetze.

Innerhalb eines Haushaltes sind gewöhnlich nur der Elektroherd und der Durchlauferhitzer an alle drei Außenleiter angeschlossen – die Steckdosen hingegen führen nur einen der drei Außenleiter und den Neutralleiter.

In Drehstromnetzen wird in der Regel der Neutralleiter geerdet. Dabei werden im Niederspannungsbereich Vierleitersysteme, im Hochspannungsbereich Dreileitersysteme verwendet. Im Niederspannungsbereich und in Höchstspannungsnetzen ist der Sternpunkt starr geerdet, in Mittelspannungs- und Hochspannungsnetzen häufig induktiv über eine Drosselspule/Erdschlusslöschspule.

Bereits früh wurde Dreiphasenwechselstrom zum direkten Antrieb von Schienenfahrzeugen verwendet. Da die Drehgeschwindigkeit von Drehstrommotoren von der Polzahl und der Frequenz abhängig ist, ließen sich die damaligen ersten Triebfahrzeuge nur mit einer grob gestuften Geschwindigkeits-Umschaltung ausstatten. Moderne Schienenfahrzeuge haben demgegenüber eine interne Drehstromversorgung mit variabler Frequenz, die mit Stromrichtern aus dem Einphasenwechselstrom der Oberleitung erzeugt wird. Bei früheren Bahn-Drehstromantrieben wie in Italien wurde einer der Außenleiter durch Verbindung mit der Schiene indirekt geerdet. Damit konnte die Oberleitung in einer praktischeren zweipoligen statt einer dreipoligen Version ausgeführt werden. Die letztere Version wurde lediglich bei Versuchsfahrten wie auf der Militär–Eisenbahn Marienfelde–Zossen–Jüterbog um 1903 verwendet.

Dreileitersystem

Das reine Dreileiter-System ohne Neutralleiter wird verwendet, wenn symmetrische Belastung gewährleistet ist oder für begrenzte Ausgleichs- und kapazitive Ladeströme die Leitfähigkeit der Erde als Leiter ausreicht, zum Beispiel in Freileitungsnetzen mit Hochspannungen von 6 bis 400 kV in regionalen Übertragungsnetzen der Netzbetreiber vom Kraftwerk zum Umspannwerk sowie im oben erwähnten Fall der Bahn-Elektrifikation mit zweipoligen Fahrleitungen und der Schiene/Erde als drittem Leiter.

Vierleitersystem

Bei Aufteilung des Dreiphasenwechselstrom-Systems in einzelne Wechselstromleitungen, zum Beispiel in Haushalten, ist eine symmetrische Belastung jedoch nicht mehr gewährleistet. Hier wird dem Dreileiternetz ein Neutralleiter zugefügt, über den die Ausgleichsströme zwischen den Außenleitern fließen. Dieser Neutralleiter ist wie die Außenleiter ein sogenannter aktiver Leiter des Drehstromsystems, der im Gegensatz zu einem zusätzlichen Schutzleiter im normalen Betrieb stromdurchflossen sein kann. Die genormten Bezeichnungen der drei Außenleiter sind L1, L2 und L3. L steht dabei für line oder live wire. Teilweise finden sich auch noch die veralteten Bezeichnungen R, S und T.

Symmetrisch arbeitendes Drehstrom-Dreileiter-System mit Generator und einem Motor

Asymmetrisch mit unterschiedlichen Verbrauchern belastetes Drehstromnetz mit Neutralleiter (Vierleitersystem)

Geschichtliches

Haselwanders Drehstrommaschine Quelle: D'r alt Offenburger, Nr. 1100, 13. Juni 1920

Dreipolige Drehstrom-Oberleitung und Siemens-Drehstromtriebwagen auf der Militärbahn bei Berlin 1903

Der Italiener Galileo Ferraris untersuchte 1885 mehrphasige Wechselströme. Aus den Versuchsergebnissen definierte er das Drehfeldprinzip.

Nikola Tesla befasste sich seit 1882 mit der Thematik von Mehrphasenströmen und konstruierte 1887 einen Zweiphasen-Wechselstrommotor, der das Drehstromnetz in Amerika einführen sollte. Sein System wurde durch umfangreiche Patente geschützt.

1887 gelang es Friedrich August Haselwander, auf diesen theoretischen Grundlagen einen Dreiphasengenerator zu bauen.

Bei der AEG in Deutschland arbeitete unabhängig von diesen Ereignissen 1888 Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski mit Dreiphasen-Wechselstrom und führte dafür den Begriff „Drehstrom“ ein. Der zugehörige von ihm erfundene Asynchronmotor wurde Anfang 1889 erstmals von AEG ausgeliefert. Die ersten Maschinen leisteten 2 bis 3 PS. Ein zur gleichen Zeit gebauter Motor von Haselwander konnte sich nicht durchsetzen, weil man dessen Patente wieder aberkannte und die Verwendung untersagte, weil eine Störung der Telegraphenleitungen befürchtet wurde.

Die Budapester Maschinenfabrik Ganz & Cie ließ unter dem Chefkonstrukteur Kálmán Kandó 1899 eine 1,5 Kilometer lange Versuchs-Eisenbahnstrecke auf der Altofener Donauinsel sowie 1900 die Werksbahn der Munitionsfabrik Wöllersdorf bei Wiener Neustadt für den Betrieb mit 3000 Volt Drehstrom anlegen.

Die Eisenbahngesellschaft Rete Adriatica (RA) eröffnete 1902 die Veltlinbahn, als erste mit Hochspannung elektrifizierte Hauptbahnlinie der Welt. Dafür lieferte ebenfalls Ganz & Cie die Versorgung mit Drehstrom von 3000 Volt und 15,6 Hz sowie die zugehörigen Lokomotiven. Dieses „Trifase“-System wurde später auf ganz Norditalien ausgeweitet und bestand unter der Ferrovie dello Stato bis 1976.

Ab 1899 erforschte die Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen (St.E.S.) den elektrischen Bahnbetrieb bei hoher Geschwindigkeit. Dazu wurde die Militäreisenbahn bei Berlin für den Drehstrom-Betrieb mit einer dreipoligen Oberleitung versehen. Auf dem Höhepunkt der Versuche erreichte 1904 ein Drehstrom-Triebwagen der AEG die damalige Rekordgeschwindigkeit von 210 Kilometern pro Stunde.

In den Jahren um 1890 präsentierten mehrere Erfinder gleichzeitig eine technische Lösung für den Dreiphasenwechselstrom und dessen praktischer Anwendung. Es handelte sich hierbei unter anderen um den aus Russland stammenden Michael von Dolivo-Dobrowolski in Deutschland, den Kroaten Nikola Tesla in den USA, Charles Brown in der Schweiz und Jonas Wenström in Schweden.

Die erste Energieübertragung mit hochgespanntem Dreiphasenwechselstrom nach dieser Erfindung fand 1891 in Deutschland im Rahmen einer Ausstellung statt. Die Versuchsstrecke lag zwischen Frankfurt am Main und Lauffen am Neckar, eine Entfernung von 175 km mit einer Spannung von 15 kV und einer übertragenen Leistung von ca. 173 kW. ^[2] Die deutsche Anlage war von Dolivo-Dobrowolski konstruiert worden.

Hellsjö Kraftwerk 1895

Zwei Jahre nach dem Versuch in Deutschland wurde in Schweden die erste kommerzielle Anwendung durchgeführt, und zwar zwischen dem abgelegenen See Hellsjön und dem Grubenort Grängesberg in Bergslagen/Dalarna. Es handelte sich hierbei um eine Strecke von 12 km mit einer Spannung von 9,5 kV und einer Leistungsübertragung von nahezu 220 kW. ^[3] Die Anlage sollte das Bergbaugebiet in Grängesberg mit elektrischem Strom für Beleuchtung und Motoren versehen, die von der Wasserkraft des Hellsjön erzeugt wurde. Das war eine bis dahin ungeprobte Methode, denn bislang hatte man die Energie mechanisch mittels Kunstgestänge übertragen. Ernst Danielson, der Chefkonstrukteur bei der Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA) in Västerås, war maßgeblich als Planer und Konstrukteur der Anlage beteiligt gewesen.^[4]

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6

Einzelnachweise

1. ↑ Wissen.de: Kraftstrom
2. ↑ Über die erste Kraftüberführung mit Dreiphasenwechselstrom beim Tekniska museet
3. ↑ Projekt Runeberg
4. ↑ Projekt Runeberg

Siehe auch

• Einphasen-Dreileiternetz
• Dreieckschaltung
• Sternschaltung
• Stern-Dreieck-Schaltung
• Zickzackschaltung
• Aronschaltung
• Lichtmaschine
• CEE-Drehstromsteckverbinder
• Perilex-Drehstromsteckverbinder
• Fehlerarten in Drehstromsystemen
• Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen
• Asymmetrierelais
• Bahnstrom#Drehstrom

Weblinks

• Der Dreh mit dem Drehstrom
• getsoft.net Elektrotechnik Kompendium
• Komfortable Visualisierung von dreiphasigen Drehfeldern mit und ohne Verlagerung des Mittelpunktes. Frei skalierbare Eingangswerte & Momentanwerte über die Drehwinkel.